海上懸索橋大風條件下主纜索股架設關鍵技術

朱 鵬，李 冕，張軍政，王永威

(1.廣東省公路建設有限公司，廣東 廣州 510623；2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430014；3.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430014；4.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，北京 100011)

0 引言

在我國已建設的懸索橋中，主纜幾乎全部采用預制平行鋼絲索股逐根架設的方法進行施工。在主纜架設的過程中，索股線形調整是關鍵工序，而基準索股和普通索股的線形調整是主纜質量控制的重點之一?；鶞仕鞴傻木€形調整一般采用幾何三角高程測量方法，通過選擇合適的測量儀器和方法連續觀測3 d以上，能夠達到規范精度的要求；索股線形調整一般采用的方法是以基準索股為準，按層與層之間的高差進行架設。

復雜多變的海洋氣象條件往往會使得垂度法架設索股變得困難[1-2]。在這種情況下，索股會發生較大的橫向擺動，海洋環境下的測量精度也較內陸環境下測量精度要低，極有可能達不到連續觀測3 d 以上的目的，勢必會造成基準索股調索時間的延長；而對于一般索股的測量，C型尺轉運麻煩，有風狀態下索股擺動對測量人員產生較大的安全風險，夜晚無風條件窗口期極短，對主纜的架設精度和質量造成較大的影響。

目前的研究主要集中在常規條件下的主纜索股架設方法研究，針對大風條件下主纜索股架設的研究文獻很少，北口大橋提出了基于標尺索股的一般索股架設方法，其原理為在索鞍外側設置標尺臺和一根標尺索，但該標尺索的制造精度不高，需要在現場進行調索，索股調索完成后，將待調索股放入標尺臺，根據垂度高差換算得到的索長差值進行標記，最后上提橫移在索鞍內進行對位即可。該方法能夠克服溫度的影響，實現全天候調索，但是在有風條件的標尺索的測量依舊困難，且待調索股和標尺索之間垂度高差也需要采用人工卡尺的方法，易受到索股擺動的影響，存在人為誤差和施工安全風險。

伶仃洋大橋為主跨 1 666 m 海中三跨全漂浮體系鋼箱梁懸索橋，主纜跨徑組成為(80+ 500+1 666+500+80)m。主纜在成橋狀態下的中跨垂跨比為1∶9.65，兩根主纜中心距為 42.1 m[3-6]，伶仃洋大橋總體布置如圖1所示。

圖1 橋型布置(單位：m)Fig.1 Bridge layout(unit：m)

主纜采用預制平行鋼絲索股(PPWS)，由199根通長索股組成，每根索股由127根直徑為6 mm的2 060 MPa的鋅鋁合金鍍層高強鋼絲按豎向尖頂的近似正六邊形排列組成，六邊形的左、右兩個頂點分別設置著色絲和基準絲，如圖2所示。其中主纜索夾內直徑為1 053 mm，索夾外直徑為1 066 mm。主纜在索夾內的空隙率為18%，索夾外的空隙率為20%，通長索股單根總重約85 t。

圖2 主纜結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of main cable structure

主纜單根索股長約3 004 m，重達 85 t，架索距離長，重量大；施工區域位于寬闊海域，大風頻繁，大雨、雷暴天氣多，溫度場及風場復雜多變[7-9]，增大主纜架設風險和難度，橋址處位于珠江口伶仃洋開闊水域，具有典型的臺風型氣候特點，受臺風極端天氣登陸和珠江口的狹道效應影響，該地區的基本風速較高，百年重現期10 m高度10 min平均年最大風速高達43.0 m·s-1。惡劣的氣候條件導致索股高精度架設難度大大提高，調索難度較大[10-14]。

1 海中懸索橋主纜架設思路

為提高海上懸索橋大風條件的主纜索股架設效率，從基準索股架設和一般索股架設兩方面出發，提出了分跨錨固的基準索股標記法架設方法、抑振裝置及機器視覺動態測量3種方法，具體思路如圖3所示。通過高精度標記索股直接對位安裝，避免了海洋大風環境需要連續觀測的難題，將基準索股架設轉換為一般索股架設，減小基準索股架設難度；同時利用基于機器視覺法的索股動態測量技術，預測一般索股和基準索股的靜態高差，減少人員工作強度和人為誤差；最后設置橫向抑位裝置，減小索股與貓道的橫向相對位移，提高人員施工安全，也有助于提高動態測量精度，保證索股架設精度和效率。

圖3 海中懸索橋主纜架設思路Fig.3 Idea of erecting main cable of offshore suspension bridge

2 分跨錨固的基準索股標記法架設

主纜基準索股的架設線形是懸索橋上部結構安裝施工過程中至關重要的環節，需高精度控制其線形。傳統的基準索股架設一般采用幾何三角高程測量，但在海上大風條件下，很難有滿足基準索股線形調整的條件，為提高施工效率，利用標記索股法架設基準索股，基于多基準絲高精度標記索股制造后直接現場進行對位安裝，再把基準索股按一般索股方法進行架設即可。為提高標記索股制作精度，分析索股制作精度誤差，通過標準絲直徑誤差、彈性模量誤差、溫度離散誤差控制及增加基線臺座距離等措施，將標準絲精度提高到1/50 000以上[15]?，F場施工時，在基準索股架設前，提前安裝由19絲高精度標準絲組成的標記索股，分邊跨和中跨3段，中跨標記索股錨固于主索鞍上，邊跨標記索股錨固于主索鞍、散索鞍上，錨固形式如圖4所示。

圖4 標記索股錨固示意圖Fig.4 Schematic diagram of anchoring marked cable strands

標記索股由19根標準鋼絲制作，標準鋼絲直徑采用同主纜鋼絲6 mm，為保證索股入鞍排列整形，在索鞍處增加2根直徑6 mm填充絲(圖中陰影部分)，斷面布置如圖5所示。

圖5 標記索股斷面圖Fig.5 Sectional view of marked cable strands

入鞍前需將該部分索股六邊形斷面整形為下層11根上層10根的雙層鋼絲斷面。在整根索股提離索股托滾時，此時握索器與錨頭之間的索股呈無應力狀態，在此狀態下可進行有效整形，再放入鞍座內設定位置。

伶仃洋大橋采用基于分跨錨固的全標準絲索股標記法架設技術完成基準索股安裝，整個架索過程耗時不到一天。為驗證該技術的可行性，分析索股架設精度是否滿足規范要求。該橋基準索股架設后，在東邊跨、中跨、西邊跨跨中位置設置高程測點，對各測點高程理論值與實測值進行對比分析，結果見表1，三跨的索股長度精度均達到了1/60 000以上，垂度誤差滿足規范要求的1/20 000，基本實現無需測量，直接對位安裝，極大縮短了寬闊海域大風條件下基準索股調索時間。

表1 伶仃洋大橋標記索股現場架設精度分析Tab.1 Accuracy analysis of on-site erection of marked cable strands of Lingdingyang Bridge

3 可適應豎向變形的主纜橫向抑振裝置

3.1 抑振裝置設計

特大跨度懸索橋，即使在無風自振條件下，索股的振動幅值都可能很大，有風或者環境振動情況下，索股振動更是加劇。采用傳統的調索方法，索股的絕對垂度和相對垂度根本無法測量，嚴重影響橋梁施工進度和主纜的架設精度。因此，有必要對大跨度懸索橋主纜架設時的索股振動采取一定的控制措施。

主纜架設初期，主纜整體剛度較低，索股極易在微風作用下出現橫向大幅擺動影響調索，在索股架設時通過抑位裝置將已經架設索股和貓道產生聯系，利用貓道的整體剛度抑制索股的橫向位移，索股在溫度荷載及索股施工荷載作用下，會產生較大變形，因此設計帶滑槽豎向支撐桿件以釋放豎向變形。抑振裝置共布置3道，分別位于中跨跨中和其前后相鄰的兩個橫向通道處，具體結構形式如圖6所示。

圖6 抑振裝置結構(單位：cm)Fig.6 Structure of vibration suppression device(unit：cm)

待索股架設至一定根數時，拆除抑振裝置，利用V形保持器將已架設索股連接為整體，減少已架設索股在大風天氣下的擺動幅度。中跨單側布置8道V形保持器，邊跨各1道，V形保持器結構形式如圖7所示。

3.2 抑振裝置效果研究

通過風洞試驗確定貓道的靜力三分力系數，利用貓道節段靜力三分力試驗結果和有限元分析軟件，對索股架設期進行了非線性抗風靜力穩定性分析。

用索單元模擬貓道承重繩、門架承重繩及索股，用梁單元模擬大小橫梁、門架等。建立有限元模型如圖8所示，貓道局部模型如圖9所示。

圖9 模型局部Fig.9 Part of model

分別計算主纜架設率從3%到100%，貓道和主纜的靜風響應。表2和表3分別給出了考慮和不考慮橫向限位器時，主纜和貓道分別的靜風位移。由表2可見，不設置限位器，主纜的位移僅是貓道的一半，因此很可能會發生主纜貼在貓道上的情況，影響主纜的正常架設。設置橫向限位器后，兩者位移一致，且有顯著減小，如圖10所示。在主纜架設初期，貓道可以顯著減少主纜的靜風位移(貓道靜風位移也顯著減小)，而在后期主纜靜風位移幾乎不變，貓道依靠主纜使其橫向位移顯著減小。

表2 施工風速15 m/s下考慮抑振器的主纜及貓道位移Tab.2 Displacements of main cable and catwalk considering vibration suppressor at construction wind speed of 15 m/s

表3 施工風速15 m/s下不考慮抑振器的主纜及貓道位移Tab.3 Displacements of main cable and catwalk without considering vibration suppressor at construction wind speed of 15 m/s

圖10 施工風速15 m/s下貓道和主纜的橫向靜風位移Fig.10 Transverse static wind displacements of catwalk and main cable at construction wind speed of 15 m/s

4 基于機器視覺的一般索股動態測量技術

跨海大橋面臨大風環境，測量條件不滿足施工要求導致施工窗口期短，且大型卡尺攜帶不便，測量不易，需兩人配合照明、扶穩、觀測，在索股晃動條件下難以準確讀取相對高差，人員站立于索股上或簡易扶梯上進行高處測量，安全風險大?；跈C器視覺的一般索股相對垂度測量方法，通過在一般索股與基準索股的跨中安裝發光標靶，將工業相機安裝于貓道門架中間正射標靶采集圖像，基于深度學習算法學習標靶特征，然后進行標靶識別與跟蹤，通過像素距離換算空間實際距離，計算得到一般索股與基準索股的高差，結合索塔偏位、索股溫度數據，預測索股靜態高差，指導一般索股垂度調整，實現一般索股線形的高精度、自動、遠程、實時測量，并形成了軟硬件系統與設備[16-17]。

基于機器視覺的索股高差視覺測量系統主要包括：(1)光靶，用于增強跨中索股特征；(2)相機，實時采集光靶動態圖像；(3)姿態傳感器，采集相機姿態數據進行高差修正；(4)無線網橋，用于圖像發送與指令傳輸；(5)工作站，實時計算索股高差和發布控制指令，系統整體工作流程如圖11所示。

圖11 索股高差視覺測量系統Fig.11 Visual measurement system of strand height difference

基于機器視覺的索股線形測量是將對索股高差HS的測量轉為固定于索股上光靶的高差HT，如圖12所示。為便于現場觀測，所有一般索股的調整均是基于基準索股進行調整。光靶安裝于跨中一般索股與基準索股上方，通過強力磁吸將光靶固定在索股正上方，光靶垂直向上，前后不滑動，左右不轉動，則光靶相對間距即為索股間距。將工業相機安裝于貓道跨中前(后)一個門架橫梁中間，相機正射光靶，采集光靶動態變化圖像，通過實時計算光靶間距HT，得出一般索股距離基準索股高差HS[18]。

圖12 測量原理示意圖Fig.12 Schematic diagram of measuring principle

由表4可知，基于機器視覺的一般索股相對垂度測量方法，主要是提高了索股晃動情況下的測量精度，可以將一般索股的高程測量誤差控制在5 mm以內，同時減少現場操作人員以降低施工風險。

表4 卡尺測量與視覺測量對比結果Tab.4 Comparison between caliper measurement and visual measurement

5 結論

本研究依托深中通道伶仃洋大橋主纜索股架設施工，對海上懸索橋大風天氣下索股架設關鍵技術進行研究?，F場架設了分跨錨固的高精度標記索股，利用標記索股對基準索股完成架設，現場實測結果表明，標記索股的架設精度達到了1/60 000，基準索股的高程架設精度滿足規范要求1/40 000；為抑制主纜索股在大風環境下的位移，設計了抑振裝置+V形保持器，結合有限元分析和現場實際應用驗證了抑振裝置對主纜索股位移有顯著減小作用，最大橫向位移減少量達到了4.3 m；基于機器視覺的一般索股相對垂度測量方法，提高了索股晃動情況下的測量精度，現場實測數據表明，機器視覺法測量精度在5 mm以內。上述主纜索股架設技術減小了大風環境對主纜索股架設和線形調整的影響，減少了現場操作人員以降低施工風險，縮短架設工期，節約了人力、設備投入，可為后續類似工程的設計施工提供借鑒。