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1、高屏溪桥斜张钢缆吊装庄辉雄中华顾问工程司二高屏东监造工程处九如工务处筹划经理陈建州中华顾问工程司二高屏东监造工程处九如工务所主任美国伊利诺大学香槟校区土木构造工程博士1概述基于景观美学之特殊考虑,南二高燕巢九如段跨越高屏溪流域处建造一座外型优美之单桥塔非对称混合式斜张桥，全桥长51公尺，主跨3公尺为全焊接箱型钢梁,边跨0公尺为预力混凝土箱型梁,钢筋混凝土倒Y型桥塔高13.5公尺,其两侧斜张钢缆系统采视野开放之单面混合扇形配备,全桥配备详图一所示。图一斜张钢缆系统为高屏溪斜张桥重要构造特色之一,并且是构造系统中力量传递之最重要构件,全桥大部分重量及活载重均经由斜张钢缆传递至塔柱,再沿两侧塔脚传至
2、基本承载处。基于行车视野及桥梁造型之考虑,钢缆系统采单面混合扇形配备,一端锚碇于桥塔塔柱，另一端则锚碇于箱梁中央处。为兼顾桥梁安全性、施工性及时程性，于桥塔两侧各配备十四组斜张钢缆，除了主钢缆(ak sty)由四根钢缆构成外,其他各组斜张钢缆均涉及两根钢缆,钢缆原则锚锭间距于边跨箱梁段为118公尺，于主跨为2公尺，于桥塔塔柱则约为3.8公尺。高屏溪桥承包商泛亚大成川田/利德（短期结合)根据特订条款有关规定选择奥地利Vspan echnc（T)公司为斜张钢缆组装及施工合力厂商,锚锭装置采用VT公司所生产之IDYN型式锚锭系统，钢绞索系由比利时S.ntainon公司所生产之15.低松弛七线钢绞线组
3、合而成，钢缆外套管为奥地利agru公司生产之外着同轴射出鲜红色色层高密度聚乙烯套管，内部柔性灌浆材为法国el微晶蜡。为确认各项构成构件能满足本工程斜张钢缆之功能需求，于前置作业期间分别进行钢绞线低松弛实验、锚锭装置两百万次反复载重疲劳实验、外套管热熔对接测试及微晶蜡试拌与试灌注等,并于施工期间依有关规定进行构件抽样检查。此外,为保证钢缆施工能顺利完毕,于施工初期提出钢缆施工筹划书,涉及钢缆组装作业、钢缆架设施工及钢缆施拉原则等。本工程于7年月初开始组装临时钢缆，于1月初施拉临时钢缆索力,并于87年9月底进行第一根永久钢缆组装作业,估计于年7月初全桥斜张钢缆可吊装完毕。本文特就高屏溪斜张桥钢缆之
4、施工规划、施工措施及有关监测问题等作一简介，觉得往后类似施工案例之参照根据。2 施工规划斜张钢缆为斜张桥构造系统中变异性最大之组合构件,其力学行为模式相称复杂,不仅受外力影响,亦与自身系统构成方式及细部组件构造息息有关。一般而言,为保证钢缆安装后之功能能符合设计原意,规划期间应就钢缆线型与配备、钢缆构成细部组件及有关测试进行研讨。2.钢缆配备高屏溪斜张桥于桥塔两侧各配备十四组斜张钢缆,除了最外侧主钢缆由四根钢缆构成外,其他均涉及两根钢缆。每根钢缆内含钢绞线股数乃根据设计阶段构造分析之索力值配备而成,钢绞线设计容许应力为045,为钢绞线极限应力,并依股数多寡将外套管提成YE A及TYPE B两种
5、规格，YEA套管外径为28cm，TPE B套管外径为2.5c,TYEA合用于钢绞线股数多于,其他则采用TEB。钢缆配备重点除须考虑钢绞线股数及套管管径外,亦须考虑其几何形状,以决定钢缆长度及两端锚锭系统安装位置。钢缆几何形状重要受自重及索力所影响，一般而言，其几何形状可假设为悬垂曲线或抛物曲线,两者重要差别在于荷重加载位置假设不同。本桥于设计阶段曾根据钢缆构成组件预估重量计算钢缆单位米荷重并考虑加载位置随曲线分布,配合竣工状态构造分析所得之钢缆两端轴向力,根据悬垂曲线方程式计算钢缆长度、钢缆垂度及钢缆两端切线角度,以做为钢缆设计之参照数据。设计阶段所拟订之钢缆有关数据于施工前置作业期间均须重新
6、检核,因索力分布与桥梁施工措施息息有关,钢缆几何形状又受索力影响。为重新确认钢缆配备基本数据,本桥于钢缆施工初期根据所拟订之施工措施重新计算索力值,并检核设计阶段所配备钢绞线股数与否同步满足钢缆于施工阶段及竣工状态之应力需求。除此之外,并根据钢缆计算索力值及单位米荷重更新钢缆几何线形。线形推导所考虑之单位米荷重涉及单位米钢绞线重量(钢绞线密度为7. t/m3)、微晶蜡重量(微晶蜡密度为05 tm3)及DE外套管重量(外套管密度为0.9/m3）,依记录资料概估TY A钢缆平均单位米重约为140kg,PE B约为100 kg,钢缆个别单位米荷重详表一所示。Cable o. Srands noTe
7、dia(cm）Wegt（kg/m)Cablno.Srads Tbe di.(m)Wegh（g/）BU18127F1U7013.910191817F11b728130.912698129.F06125100.9B02281431071213.B04761.F1472813B15628129F10562818.10683814.4F0683844B07819.60787145B08738134.087283.2109752136.1F145.1106812891065282.B122.59.8F11522.93.7B112422.583.312432282.313652128F136510B114
8、522.594.7141.10.9表一.钢缆系统选定本桥斜张钢缆系统设计规划时即根据功能需求进行钢缆组合组件合用性评估,并拟订组合组件有关规定，其拉力杆件规划由平行钢绞线组合而成，两侧锚锭装置选择具有抵御高频率振动之锚锭系统，防蚀解决则采多重防蚀系统，依序由HDPE套管外层防护加上灌浆之内层防护，并配合单根钢绞线自身提供之两层防护形成四层防蚀系统,另为避免紫外线照射导致套管材质老化,规定于套管外部采氟化塑料膜缠绕或同轴射出外着鲜红色之HDPE色层保护解决。公司即针对设计阶段所拟订之钢缆系统各项需求选定其有关组合组件，其各项细部组件分述如下:锚碇装置一般预力钢腱由于不须考虑其几何线形因桥梁构造系
9、统变化而随着变化，其锚锭构造仅设计承受轴向力;然而斜张钢缆锚锭构造不仅须设计承受轴向力,亦须考虑局部弯矩效应，因钢缆几何形状会受桥梁构造系统的影响而产生变化,其锚锭处将因角度变化而引起弯曲应力。为避免因常常性内应力变异导致钢绞线疲劳强度减少,钢缆锚锭构造设计上均涉及一特殊内应力传递设施，根据内应力传递方式之差别而产生许多不同型式之锚锭装置,如HDN、HM、BL、C等型式。本桥斜张钢缆锚锭装置采用奥地利VT公司所生产之HIDYN型式锚锭系统，锚锭装置依钢绞线股数需求分为T-10/150及VT914/50两种型式。HDYN型式锚锭装置为一非裹握式（Unbnddtype)锚锭机制,其力量传递重要组件
10、为楔子（Wdge）,原型锚锭设计采双重楔子配备，V所生产之锚锭装置则采单一楔子设计外加一偏向阻尼器（Dviionapr),其细部构造计涉及锚锭钢钣(nchrate）、保护套管(Pntati tube)、锚锭块（Achoblc)、锚锭螺帽(Ancont)、楔子(S ing-ede)、固定板(StDixation pat)、喇叭套管(Tumpt)、转换套管（Tanin pie）、偏向阻尼器、保护帽(PE/S Prton cp）及阻尼器（ampe)等组件,详图二所示。图二钢绞线斜张钢缆拉力杆件为钢缆的主体,材质须具有高强度特性,一般而言,依其制造方式之差别约可分为五种型式,分别为钢绞缆（p)、封闭式
11、钢缆(Lcke colrp）、平行钢棒(Parlle bar)、平行钢线（Parllelire)及平行钢绞线(rael trand)等。经评估数据显示,前两项钢材防锈蚀能力较差,平行钢棒则具有疲劳强度低及极限强度低等缺陷,前述三种拉力钢材均已不合用于现代化斜张钢缆系统；钢线及钢绞线两者则皆具有较佳之力学行为及疲劳强度，惟前者须于工厂制作完毕后再运至工地进行安装,后者则可于工地组合及安装,较合用于运送困难之桥址。本桥钢缆拉力杆件采VT公司所制造之M平行钢绞线，钢绞线母材来自于比利时.Foninunion 公司所提供之BS86 170 级低松弛17m之线钢绞线。当单根整捆钢绞线自比利时运送至奥地利
12、VT工厂后,即于钢绞线裸露表面被覆HDP保护套管,并制作成四根一排之钢绞线束（CM-and),钢绞线于被覆HDPE保护套管前须填充油脂以构成内层防护系统，达到防水、防蚀之目的。钢缆外套管斜张钢缆最外层防护之目的重要在于保护内层材料,亦可提供额外防蚀功能,一般可采用方式为高密度聚乙烯套管、橡胶包套（Easter wrapng）及钢管(tee ipe)等。高密度聚乙烯外套管长处是重量轻、低弹性模数、耐候性质良好且有多种尺寸可供选择,此外,套管可于工地接合,施工性较佳;缺陷是无法承受过高之拉应力。橡胶包套具有高密度聚乙烯套管相似长处,惟必须于钢缆吊装后才干安装，施工程序较繁琐。钢管则具有高刚度、高机
13、械性与尺寸多样化等长处,且可合用于高压力之填浆,但重量较重，接合不容易,且防锈能力不佳。本桥钢缆最外层防护系统采高密度聚乙烯（DP）外套管,为避免紫外线影响套管材质，于套管原料中添加碳粉，但黑色套管容易吸热,故于套管外层同轴射出约205m厚之鲜红色高密度聚乙烯色层。外套管依钢缆股数需求分为TYE 及TYPE 两种规格，其外径分别为225 mm及280mm,厚度含色层为1.mm,每制作单元长度为11.8m,其材质检查须符合ATMD0组件分类PE3434C/E之规定,其中套管径向抗静水压力强度(Hdrostic pressure)重要是根据钢缆组装及灌浆措施而拟订。外套管内灌浆材斜张钢缆外套管内部
14、灌浆材之目的在于提供多一层钢材防蚀措施，同步亦可提高钢缆阻尼比,进而减少钢缆风力效应。一般灌浆材料有水泥浆、聚合物、石蜡及无机油脂等，水泥灌浆可有效地避免因车辆冲撞、歹意破坏和磨损所带来的损坏，且可提高防火性,但缺陷在于吊装不易、灌注时间较长且易开裂导致锚锭处锈蚀;其他柔性浆材虽防撞及防火能力差,但具有吊装施工容易及灌注压力低等之长处，不至于导致套管永久变形，并可充足填满套管空隙,以达到防水、防蚀之目的。本工程钢缆内部灌浆材采法国elf公司所生产之微晶蜡,此微晶蜡在室温下(2025)呈硬膏状半固体，具良好坚韧性及稳定性,即通过多次冷热循环、固液态交替变化下,材料不会产生分解或变质现象。再者,此微晶蜡抗氧化性极佳且不溶于水,在填充于钢缆外套管内部时可同步将外套管内之水分挤除,为钢材良好之防蚀材料。对于钢缆因外力(如风力、地震力或活载重等
