架设悬索桥的“生命线”——虎门二桥主缆施工访谈

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  2017年国庆黄金周期间,虎门大桥交通陷入瘫痪。“过桥难”等关于虎门大桥堵车的话题再次成为热点新闻。为缓解现有虎门大桥交通量,适应珠三角经济发展速度,虎门二桥的建成通车显得尤为迫切。适逢全国桥梁学术会议在广州召开,记者在会后参观了正在建设中的虎门二桥,并采访了相关负责人。

  在坭洲水道桥的施工现场,记者看到作业工人正在进行紧张的主缆架设。卷扬机牵引一束索缆从东锚碇入鞍,而后要经过东主塔、猫道、西主塔,最后到达西锚碇。如果整个过程顺利完成,仅需要两个小时。据现场施工负责人介绍,坭洲水道桥共设两根主缆,每根主缆由252根通常索和6根背索组成,而每根索股又包含了127根直径为5毫米的高强镀锌钢丝。这些超高强度钢丝是由国内自主研制并第一次大规模地在实桥上得到应用。

  

  主缆强度:突破研发与生产瓶颈

  作为珠江之上的又一项标志性工程,虎门二桥中的两座超千米级的跨江悬索桥,自建设之初就面临着诸多的风险与挑战。为了应对这些风险与挑战,“整个项目从工程建设前期到设计,乃至整个实施阶段开展了一系列的研究工作,包括30多项专题研究,十多项科研攻关,所有专题研究和科研研究的成果,都在项目上得到了非常好的全面应用。”广东省公路建设有限公司总工程师吴玉刚告诉记者,大跨径悬索桥的主缆是整座桥梁中最为关键的结构受力部位,而主缆材料强度的提升意味着悬索桥的跨度可以随之增大。

  

  坭洲水道桥

  自从2008年在苏通大桥上成功应用国产1770兆帕主缆钢丝以来,针对更高强度等级的缆索研制及实桥应用就从未停止。“部里希望我们能够借助虎门二桥这样一个大规模的工程,实现国产1960兆帕超高强度钢丝的应用突破。”吴玉刚总工说道。在虎门二桥建设的初期,国内主流的缆索强度等级还停留在1770兆帕,即便目前正在建设的洞庭湖二桥和港珠澳大桥,采用了1860兆帕的主缆平行钢丝,但是这两座桥用的钢丝核心原材料——盘条,仍然是进口的。如何通过多方协同,突破现有主缆强度,体现中国制造的身影?

  “2013年的时候,我们联合国内主要的5家钢厂、3家桥梁钢丝厂、两家索股缆索制造厂共同攻关。尽管在研制初期,参与这项工作的各个钢企倍感压力,但在当时的专家论证会上,与会的专家委员们给予了我们莫大的精神支持。”吴玉刚总工感慨道。最后通过广泛的调研,制定了较为合理而先进的指标。要想在主缆强度等级方面有一个跨越性的提高,直接提高到1960兆帕,达到国际上最为领先的水平,吴玉刚总工认为,盘条的开发是第一个关键的部分,也是核心的部分。

  为了满足强度等级和综合性能的要求,参与盘条制作的相关钢厂分别进行研制,采用不同的热处理技术,使最终生产出来的新型盘条的性能指标有了明显的提升。“从总体上看,整个项目所需的3万吨钢丝,实现了钢丝强度1960兆帕和扭转14次的预定目标。”吴玉刚总工解释道。

  因为是全新的产品,没有相应的检测标准和试验方法,而且强度等级又是从常规的1770兆帕一次提升两个等级到1960兆帕,在量产阶段,如何保证检测的合格率达标?吴玉刚总工为我们解答了疑惑:在项目前期的研究阶段,就制订了相关的检验方式方法、抽检的频率,以及从前期的科研试验到小批量实验,再到批量化生产之前的各个阶段,在试验的频率和试验方式上都有所区别。为保证钢丝的强度指标、扭转次数、综合性能指标是均匀的,不会出现大的波动,“在进行通条试验时,每隔50厘米截一段,要连续截取30段,如果中间有些许变化,肯定能够检查出来。”吴玉刚总工强调道,这样连续的通条力学实验在以往的钢丝生产检验方面是很难做到的。

  

  主缆强度的提升迫使在索股锚固方面,需要通过大量的实验,验证钢丝索股锚固的综合性能,以便确定最终的锚具尺寸和锚固方式。而影响钢丝锚固性能的因素较多,为了得到钢丝的灌锚工艺参数,确保钢丝锚固性能,吴玉刚总工告诉记者:“我们对最终选定的两种国产钢丝进行了锚固试验,分析不同浓度的清洗助镀液、不同灌锚温度和不同锚固长度对钢丝锚固性能的影响。从结果上来看,合理的清洗助镀液浓度对钢丝与锌铜合金的黏结强度的增加有一定的作用,灌锚温度对于钢丝强度也有一定的影响,当灌锚温度在460℃,上下不超过10℃时,是比较合适的温度。”不仅如此,为验证索股钢丝锚固的可靠性,虎门二桥项目还开创性地对疲劳试验后的试验索股进行了破断试验研究,结果也达到了索股理论破断荷载的95%以上,有部分疲劳试验索还超过100%理论破断荷载。所有试验锚固区域均没有发生破坏,锚固可靠,锚具实测应力较低,全部检测项目完全满足设计及相关验收规范的要求。

  主缆架设:速度与精准是双保障

  

  大沙水道桥

  在悬索桥上部结构的施工过程中,主缆安装是施工技术的精华所在。如何使主缆架设之后的垂度、线形与设计工况时保持一致?提高主缆架设时的精度是至关重要的。坭州水道桥的整根主缆通长达到3000多米,而在整个架设过程中,既能够做到成缆以后的线形与设计线形保持一致,又能保证架设的速度,这对于悬索桥上部结构的施工管理控制提出了很高的要求。

  虎门二桥分公司采取的办法:先是对安装的主缆线形进行了一定的理论分析,积极组织多场关于悬索桥上部结构方案的前置审查和讨论,让负责架设的施工单位提前做好设备的安装、现场操作人员的调配、各种应急的方案,每道工序结束后专门进行总结,提出改进施工质量的意见。通过将监理程序公开化,使监控测量更加透明,做到实时交互,杜绝了以往多见的数据扯皮现象,最终的控制效果也十分明显。据虎门二桥分公司总工室主任张鑫敏介绍,大沙水道桥主缆索股架设线形精度合格率100%,锚跨张力检测合格率100%,紧缆空隙率合格率100%,不圆度合格率100%。因坭洲水道桥位于珠江出海口,常年降雨量大,是台风多发之地,自2017年9月26日坭洲水道桥开始首根基准索完成跨江架设后,连续的恶劣天气造成了工期滞后。虎门二桥一桥各方不仅克服了台风季节以及高空风力因素对调索作业带来的不利影响,还首创引进了LoRa物联网远程通讯技术,实现主缆索股架设过程中的自动化、智能化及实时化的远程监测。

  

  缆索锚固

  

  预制平行钢丝索股

  主缆架设是一场白昼连接黑夜的施工接力赛。白天连接索缆完毕后,测量技术员需对索缆线形进行测量并调索。测量过程中需要对缆索的温度和现场环境的风向实施精准测量,因白天气温波动极大地干扰线形精度,所以测量及调索工作必须在夜间至凌晨进行。冬季昼短夜长,白天有效工作时间相对较短。为抢抓旱季施工黄金期,全力加快坭洲水道桥的施工进度,项目部根据冬季时令特点,提前详细分解节点施工计划,力保按照目标完成施工计划。时值冬季,夜间高空风速风力持续加大,在高达260米的虎门二桥主塔上作业,考验着测量队员的技术、体能和意志。“大桥每一束索缆的定位关乎整座大桥的稳定性,不能有一丝一毫的误差。”诚如张鑫敏主任所说,测量员需要在北风的严峻考验中连续作战,用高精度测量仪器设备对索缆线形进行精确测量,观察索股在北风吹袭时的摆动情况,检查待调索股的调整幅度,查看已调好的索股有无错乱。

  为提高现场架设的速度,据虎门二桥项目部介绍,他们经多次测试研究,调整了猫道上的拖滚轮拉线,降低索股牵引扭转幅度,大幅提升了卷扬机牵引系统稳定性和安全性。在施工中不断加强对操作工班的指导与培养,提高工班人员的施工效率,根据施工人员操作熟练度,将卷扬机运作频率调至50赫兹,对应牵引速度由原来每分钟牵引20米提高至每分钟可牵引38米,索股架设速度由最初的平均每天两根提高至平均每天6根。

  百余年前,康有为的一首《过虎门》渲染了如雪山般汹涌的白浪过虎门时惊心动魄的壮观景象,抒发的是诗人途经虎门时澎湃的心潮。而如今来往于珠江东西两岸的市民,看到的是雄踞一方的虎门二桥热火朝天的施工景象,期待这两座世界级的跨江悬索桥顺利完成“生命线”架设工程,为国产1960兆帕超高强度钢丝的大规模应用增添一笔辉煌。

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