1、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计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结构工程博士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 510 公尺，主跨 330 公尺为全焊接箱型钢梁，边跨 180 公尺为预力混凝土箱型梁，钢筋混凝土倒 Y 型桥塔高 183.5 公尺，其两侧斜张钢缆系统采视野开放之单面混合扇形配置，全桥配置详图一所示。图一斜张钢缆系统为高屏溪斜张桥主要结构特色之一，并且是结构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
2、斜张钢缆传递至塔柱，2再沿两侧塔脚传至基础承载处。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置，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，于桥塔两侧各配置十四组斜张钢缆，除了主钢缆（Back stay）由四根钢缆组成外，其余各组斜张钢缆均包含两根钢缆，钢缆标准锚锭间距于边跨箱梁段为 11.8 公尺，于主跨为 20 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）依据特订条款相关规定选择奥地利 Vorspann Technic（VT）公司为斜张钢缆组装及施工协力厂商，锚锭装置采用 VT 公司所生产之 HIDY
3、N 型式锚锭系统，钢绞索系由比利时S.A.Fontainunion 公司所生产之 15.7mm 低松弛七线钢绞线组合而成，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 elf 微晶蜡。为确认各项组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试验、锚锭装置两百万次反复载重疲劳试验、外套管热熔对接测试及微晶蜡试拌与试灌注等，并于施工期间依相关规定进行构件抽样检查。另外，为确保钢缆施工能顺利完成，于施工初期提出钢缆施工计划书，包含钢缆组装作业、钢缆架设施工及钢缆施拉原则等。本工程于 87 年 8 月初开始组装临时钢缆
4、，于 10 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，预计于 88 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施工规划、施工方法及相关监测问题等作一简介，以为往后类似施工案例之参考依据。2 施工规划斜张钢缆为斜张桥结构系统中变异性最大之组合构件，其力学行为模式相当复杂，不仅受外力影响，亦与本身系统组成方式及细部组件构造息息相关。一般而言，为确保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置、钢缆组成细部组件及相关测试进行研讨。2.1 钢缆配置高屏溪斜张桥于桥塔两侧各配置十四组斜张钢缆，除了最外侧主钢缆由3四根钢缆组成外，其余均包含
5、两根钢缆。每根钢缆内含钢绞线股数乃依据设计阶段结构分析之索力值配置而成，钢绞线设计容许应力为 0.45 ， 为钢,Sf,绞线极限应力，并依股数多寡将外套管分成 TYPE A 及 TYPE B 两种规格，TYPE A 套管外径为 28cm，TYPE B 套管外径为 22.5cm，TYPE A 适用于钢绞线股数多于 61，其余则采用 TYPE B。钢缆配置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。钢缆几何形状主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，两者主要差异在于荷重加载位置假设不同。本桥于设计阶段曾依据钢缆组成组
6、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，配合完工状态结构分析所得之钢缆两端轴向力，依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考数据。设计阶段所拟订之钢缆相关数据于施工前置作业期间均须重新检核，因索力分布与桥梁施工方法息息相关，钢缆几何形状又受索力影响。为重新确认钢缆配置基本数据，本桥于钢缆施工初期依据所拟订之施工方法重新计算索力值，并检核设计阶段所配置钢绞线股数是否同时满足钢缆于施工阶段及完工状态之应力需求。除此之外，并依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包含单位米钢绞线重量（钢绞线密度为 7.85 t/m
7、3） 、微晶蜡重量（微晶蜡密度为 0.95 t/m3）及 HDPE 外套管重量（外套管密度为 0.95 t/m3） ，依统计资料概估 TYPE A 钢缆平均单位米重约为 140kg，TYPE B 约为 100 kg，钢缆个别单位米荷重详表一所示。Cable no. Strands no. Tube dia.(cm)Weight(kg/cm)Cable no. Strands no.Tube dia.(cm)Weight(kg/cm)B101U 91 28 152.7 F101U 70 28 130.9B101b 91 28 152.7 F101b 70 28 130.9B102 69 28 1
8、29.9 F102 61 22.5 100.9B103 82 28 143.4 F103 71 28 132.0B104 76 28 137.2 F104 72 28 133.0B105 69 28 129.9 F105 68 28 128.9B106 83 28 144.4 F106 83 28 144.4B107 88 28 149.6 F107 87 28 148.5B108 73 28 134.1 F108 78 28 139.2B109 75 28 136.1 F109 74 28 135.1B110 68 28 128.9 F110 65 28 125.84B111 57 22.5
9、 96.8 F111 54 22.5 93.7B112 44 22.5 83.3 F112 43 22.5 82.3B113 65 28 125.8 F113 61 22.5 100.9B114 55 22.5 94.7 F114 61 22.5 100.9表一2.2 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适用性评估，并拟订组合组件相关规定，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抗高频率振动之锚锭系统，防蚀处理则采多重防蚀系统，依序由 HDPE 套管外层防护加上灌浆之内层防护，并配合单根钢绞线本身提供之两层防护形成四层防蚀系统，另为避免紫外线照
10、射造成套管材质老化，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 色层保护处理。VT 公司即针对设计阶段所拟订之钢缆系统各项需求选定其相关组合组件，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结构系统改变而伴随改变，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结构系统的影响而产生改变，其锚锭处将因角度变化而引起弯曲应力。为避免因经常性内应力变异造成钢绞线疲劳强度降低，钢缆锚锭构造设计上均包含一特殊内应力传递设施，依据内应力传递方式之差异而产生许多不同型式之锚锭装置，如HIDYN、
11、HIAIM、BL、HC 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 VT61-140/150 及 VT91-140/150 两种型式。HIDYN 型式锚锭装置为一非裹握式（Unbounded type）锚锭机制，其力量传递主要组件为楔子（Wedge） ，原型锚锭设计采双重楔子配置，VT 所生产之锚锭装置则采单一楔子设计外加一偏向阻尼器（Deviation damper） ，其细部构造计包含锚锭钢钣（Anchor plate） 、保护套管（Penetration tube） 、锚锭块（Anchor block） 、锚锭螺帽（
12、Anchor nut） 、楔子（St ring-wedge） 、固定板（St.SD fixation plate） 、喇叭套管（Trumpet） 、转换套管（Transition 5pipe） 、偏向阻尼器、保护帽（PE/St Protection cap）及阻尼器（Damper）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，依其制造方式之差异约可分为五种型式，分别为钢绞缆（Rope） 、封闭式钢缆（Locked coil rope） 、平行钢棒（Parallel bar） 、平行钢线（Parallel wire）及平行钢绞线（Parallel s
13、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点，前述三种拉力钢材均已不适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成后再运至工地进行安装，后者则可于工地组合及安装，较适用于运输困难之桥址。本桥钢缆拉力杆件采 VT 公司所制造之 CMM 平行钢绞线，钢绞线母材来自于比利时 S.A.Fontainunion 公司所提供之 BS5896 1770 级低松弛 15.7mm 之7 线钢绞线。当单根整捆钢绞线自比利时运送至奥地利 VT 工厂后，即于钢绞线裸露表面被覆 HDPE 保护套管，并制作成四根一
14、排之钢绞线束（CMM-bands） ，6钢绞线于被覆 HDPE 保护套管前须填充油脂以组成内层防护系统，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主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（Elastomeric wrapping）及钢管（Steel pipe）等。高密度聚乙烯外套管优点是重量轻、低弹性模数、耐候性质良好且有多种尺寸可供选择，另外，套管可于工地接合，施工性较佳；缺点是无法承受过高之拉应力。橡胶包套具备高密度聚乙烯套管相似优点，惟必须于钢缆吊装后才能安装，施工程序较繁琐。钢管则具有高刚度、高机械性与尺寸多样化等优点，且可适
15、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（HDPE）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 2.02.5mm 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 TYPE A 及 TYPE B 两种规格，其外径分别为 225 mm 及 280mm，厚度含色层为 19.5mm，每制作单元长度为 11.8m，其材质检验须符合 ASTM D3350 组件分类 PE345434C/E 之规定，其中套管径向抗静水压力强度（Hydrostatic pressure）主要是依据钢缆组装及灌浆方
16、法而拟订。外套管内灌浆材斜张钢缆外套管内部灌浆材之目的在于提供多一层钢材防蚀措施，同时亦可提高钢缆阻尼比，进而降低钢缆风力效应。一般灌浆材料有水泥浆、聚合物、石蜡及无机油脂等，水泥灌浆可有效地防止因车辆冲撞、恶意破坏和磨损所带来的损坏，且可提高防火性，但缺点在于吊装不易、灌注时间较长且易开裂造成锚锭处锈蚀；其余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优点，不至于造成套管永久变形，并可充分填满套管空隙，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，即经过多次冷热7循环、固液态
17、交替改变下，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时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）所产生之振动，微晶蜡亦具有减振之功能。此外，钢缆外套管内部填充微晶蜡灌浆材亦可清除因荷电离子交换所引起之金属腐蚀现象。2.3 前置试验项目斜张钢缆为本桥结构系统中最重要的一环，功能上须承受长期反复载重，为确保其安全性及服务性，其各项组合组件质量要求均相当严谨，特订条款中并拟订相关测试项目。承包商于前置作业时间即依据特订条款规定进行一系列相关试验，分述如下：锚碇装置疲劳试验VT HIDYN 型式锚锭系统之
18、最大特色在于构造内含 EPDM elastomeric damper 及 HIDYN SD deviation damper 双阻尼器，此构造机制设计之主要目的在于降低弯矩效应于应力传递过程中对锚锭处钢绞线之疲劳影响，即钢缆系统在受长期静态或动态载重后，其钢绞线仍可维持高疲劳强度之要求。为确认 VT 锚锭系统能满足本桥对钢缆疲劳强度之要求，VT 公司依特订条款规定将锚锭装置与钢绞线锚固后进行两百万次反复载重试验，测试应力上限为0.45 ，应力变化范围为 2000kg/cm2，测试标准乃参考 PTI 颁布之”,SfRecommendation for stay cable design、test
19、 and installation”相关规定。疲劳试验系在德国慕尼黑大学材料试验室进行，依规定取样三只锚锭装置进行测试，另为确认楔子与钢绞线间之咬合状况，取三根单股钢绞线进行前置测试，计测试共包含单股钢绞线、VT44-140/150 锚锭装置、VT61-140/150 锚锭装置及 VT91-140/150 锚锭装置等四项疲劳试验。前置测试结果显示，三根单股钢绞线于两百万次反复载重后均无破裂情形发生，分析锚锭楔子应可提供适当之咬合功能。随后进行三只取样锚锭装置反复载重试验，试验结果显示除了 VT44-140/150 外，皆无钢绞线断裂情况发生，VT44-140/150 计有一根钢线断裂，断裂面积
20、约占全部钢绞线之 0.32。另外，锚8锭装置各项组合组件于试验后均无破裂或永久变形发生，楔子因反复载重造成之滑动位移量亦在合理范围内。综合上述试验结果可确认 VT 公司所生产之HIDYN 型式 VT44-140/150、VT61-140/150 及 VT91-140/150 锚锭装置均可满足本桥对斜张钢缆之疲劳强度要求。钢绞线松弛试验钢缆之预力钢材来自于比利时 S.A. Fontainunion 公司所生产之 BS5896 1770 级低松弛 15.7mm 之 7 线钢绞线，依据 BS5896 相关规定，钢绞线检验包含尺寸与外表、物理性质及化学性质等项目，其中化性检验项目主要为钢绞线松弛率，因
21、松弛率与钢缆长期索力损失值有关。钢缆供货商 VT 公司依规定将其所使用之钢绞线送至奥地利维也纳试验室 TVFA 进行各项材质测试，其测试重点项目之一即为钢绞线之松弛行为。TVFA 依线径大小取一根适当长度之钢绞线试体，将其安装于试验机上，维持室温于 202，逐步加载至初始载重，加载时间约 4.5 分钟。测试过程中，利用两支测微计以控制伸长量，确保钢绞索标示长度不变。经过 1000 小时后，将定时纪录载重与初始载重作比较，计算其荷重损失率与时间之关系，以判读 1000 小时之松弛率是否符合 BS 5896 之相关规定。除此之外，TVFA 同时依据其试验纪录数据计算松弛率与时间之方程式及方程式之相
22、关参数，以提供未来承商依规定于工地取样进行 100 小时松弛试验之松弛率换算依据。外套管热熔对接测试本桥斜张钢缆外套管之制作长度由内侧编号 114 之 80m 逐渐增长至外侧编号 101 之 330m，然外套管于工厂之制造单元长度仅为 11.8m，为达到钢缆外套管制作长度之需求，外套管单元须逐一热熔对接（Thermal butt welding）至制作长度。由于外套管为钢缆最外层防护系统，其制作质量将影响钢缆长期防蚀能力，为避免外套管制作时因热熔对接工作降低钢缆防蚀功能，本工程特订条款规定外套管于热熔对接后，内、外部须坚实平顺，没有外观不良或内径变异等情形发生，且轴向抗拉强度及径向抗静水压力强
23、度不得低于套管原有材质。为达到上述各项要求，VT 公司于外套管制造完成后即于试验室进行各项9热熔对接影响参数测定，影响参数包含套管端口平整度、加热温度、接合压力、加压持续时间及硬化时间等，并依测试结果建立热熔对接程序以作为桥址处套管热熔对接作业之遵循依据。外套管热熔对接采用 VT 公司所提供之KWH-315F 系统热熔对接设备，主要包含一组套管固定座、加热钣、管口研磨机及油压机具等，如图三所示。图三依据影响参数测试结果所拟订之热熔对接操作程序约可分为四个步骤，分别为管口端洗、管口加热、管口接合及接合面硬化，其相关参数设定如表二所示。依据所拟订之热熔对接操作程序，TYPE B 套管制作时首先以研
24、磨机将两套管接合面端洗至密合误差小于 2mm，再以加热钣加压（约 15.6bar）热熔 HDPE 外套管，温度维持在 208，以符合 ASTM D2657 热接之温度要求，待外着鲜红色聚乙烯色层熔出约 2.5mm 高时，即减压至 1.6bar，再持续加热205 秒后，抽出加热钣并于 8 秒内将两套管面重新接合且加压至 15.6bar，在加压时间维持 12 秒后，逐渐降低压力，经冷却达 26 分钟后方可移动外套管并进行下一接头热熔对接作业。热熔对接作业之注意事项在于尽量缩短加热钣抽出至两端口重新接合之转换时间，同时须维持工作区清洁，避免套管受到阳光、尘埃及雨水的影响。10InitialPress
25、ure(bar)MeltingZone(mm)HeatingPlate Temp.()HeatingPress(bar)Time(sec)ConversionTime(sec)WeldingPress(bar)ContactTime(sec)CoolingTime(min)Type A 19.5 2.5 208 1.9 205 8 max 19.5 14 31Type B 15.6 2.5 208 1.6 205 8 max 15.6 12 26表二微晶蜡试拌及试灌注由于国内并无斜张钢缆灌注微晶蜡之施工经验，世界各国相同灌注范例亦不多见，为拟订适用之灌注计划，包含灌注时机、灌注位置、灌注方式、
26、灌注压力、微晶蜡液化温度及凝固所需时间等，VT 公司于施工前进行一系列试拌及试灌注试验，计包含实验室模拟试验、奥地利 VT 工厂仿真试验及桥址实体试验。试验室模拟试验之目的仅在于观察熔化后微晶蜡于套管内钢腱间之凝结过程及填充状况，其试验样品为一长约 50 公分之 HDPE 套管，内置钢绞线后将熔化之微晶蜡倒入，于微晶蜡凝结过程中观察其变化情形。VT 工厂模拟试验之主要目的在于建立微晶蜡灌注条件，并探讨微晶蜡对外套管变化之影响，试验样品为长 50 公尺之 HDPE 套管，内置钢绞线，微晶蜡拌合及灌注机具为 elf 公司依据本桥斜张钢缆灌注需求所设计之拌合灌注车。为观察灌注作业期间套管内微晶蜡流动
27、与凝结情形，并于微晶蜡固化后检视微晶蜡于套管内之填充状况，试验套管面设三处窗口。另为量测微晶蜡经过套管后温度下降程度，在出浆口连接一透明管将液态微晶蜡导入一收集桶中，并于收集桶中内设置一温度计以量测微晶蜡流出后之温度变化，藉以建立微晶蜡状态变化与温度之关系，并作为拟订灌注温度之设定依据。除此之外，为研讨微晶蜡灌注压力与温度对套管尺寸之影响，于灌注作业期间同时纪录套管温度、轴向长度及径向长度等变化状况。当灌注作业完成约 24 小时后，分析套管内微晶蜡应已固化，即进行套管弯曲试验，弯曲试验之测试曲度乃模拟钢缆吊装阶段套管所可能产生之最大曲度（R=3m） ，其测试主要目的在于确认套管热熔接头可承受吊装阶段之挠曲拉应力，VT 工厂仿真试验之配置如图四所示。
