大跨度斜拉橋施工過程中的索力控制方法

閆維明,張 志,陳彥江,楊小森

(北京工業(yè)大學(xué)工程抗振與結(jié)構(gòu)理論北京市重點實驗室,北京100124)

大跨度斜拉橋體系的外形優(yōu)美、跨越能力強(qiáng),因而被廣泛應(yīng)用于實際工程[1]。斜拉索是斜拉橋非常重要的受力構(gòu)件,平行鋼絞線斜拉索是目前設(shè)計中使用較多的1種斜拉索結(jié)構(gòu)形式。該類型斜拉索在施工時常常采用單根張拉的斜拉索掛索工藝,即化整為零,集束成索,將制索、掛索與初張拉合而為一[2]。利用小型卷揚機(jī)和小噸位千斤頂即可完成掛索,施工便利、快捷,在高空的橋塔上施工尤其具有優(yōu)勢。因此,在實際工程中應(yīng)用十分廣泛。

由于平行鋼絞線斜拉索采用單根掛索單根張拉,若各根鋼絞線的初始張拉力不均勻,在荷載作用下,會導(dǎo)致一部分鋼絞線的拉力小而另一部分鋼絞線的拉力可能超過極限強(qiáng)度,造成個別鋼絞線被拉斷,在不確定車輛荷載或其它偶然荷載的作用下,成橋后這種情況會更突出[3]。所以,在斜拉橋施工過程中,如何保證平行鋼絞線張拉的均勻性與索力測量的準(zhǔn)確性是斜拉橋施工控制的重點和難點。

目前,有關(guān)整根斜拉索索力控制與調(diào)整的研究和對單根張拉的斜拉索掛索工藝的介紹[4-7]已很多,但對同一斜拉索中單根鋼絞線張拉力控制的研究卻很少。周正茂[8]等通過倒退分析法得到了掛索過程中單根鋼絞線張拉力的相互關(guān)系,并實現(xiàn)了索力均勻的目標(biāo),但每確定一根鋼絞線張拉力,就需進(jìn)行一次結(jié)構(gòu)分析。文章[9]根據(jù)等值張拉法,通過掛索過程中結(jié)構(gòu)變形的幾何關(guān)系確定了各根鋼絞線的張拉力,也取得了較好的效果。

根據(jù)斜拉索單根張拉的施工工藝,以每根鋼絞線張拉力均勻為目標(biāo),按照正裝分析法推導(dǎo)了斜拉索張拉過程中每根鋼絞線的張拉力計算公式,并給出了后續(xù)各工況及運營中的索力測量方法。該方法思路清晰、形式簡單且無需大量計算。該文還以北方某斜拉橋的掛索、調(diào)索和索力測量為例,驗證了該張拉力計算公式和索力測量方法的精度。

1 斜拉索張拉過程中的力學(xué)模型的建立

1.1 懸臂施工階段的斜拉索張拉力計算公式

掛索時在的兩側(cè)對稱張拉,如圖1所示。

圖1 對移張拉示意圖

假設(shè)鋼絞線的一端固結(jié)在塔上,塔梁連接處固結(jié)。將主梁對鋼絞線的約束等效為沿索方向剛度為k0的彈簧。在掛索過程中,當(dāng)張拉某一鋼絞線時,主梁將產(chǎn)生變形,斜拉索兩錨固點會相對靠近,這一變形使已張拉完畢鋼絞線的拉力以同一變化值減小。根據(jù)此過程,當(dāng)張拉第2根鋼絞線時,其力學(xué)模型簡化如圖2所示。

圖2 張拉第2根鋼絞線時的力學(xué)模型

據(jù)平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件得:

其中:T2為第2根鋼絞線張拉完成后的拉力;k0為主梁等效剛度,由施工過程的仿真計算得出;k為單根鋼絞線的剛度;ΔT 12為張拉第2根鋼絞線后第1根鋼絞線的拉力變化值。

在下面的推導(dǎo)中,Ti為第i根鋼絞線張拉完后的拉力;ΔT ij為張拉第j根鋼絞線后第i根鋼絞線的拉力變化值。

同理當(dāng)張拉第3根鋼絞線時,其力學(xué)模型簡化如圖3所示

圖3 張拉第3根鋼絞線時的力學(xué)模型

同樣由平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件得:

依次類推可得第n根鋼絞線張拉完成后,前n-1根鋼絞線拉力的變化值為

斜拉索初張拉的目標(biāo)為各鋼絞線累積索力達(dá)到該索的設(shè)計索力,且各鋼絞線拉力應(yīng)均勻一致。所以,當(dāng)n根鋼絞線全部張拉完成后,各鋼絞線的最終拉力都應(yīng)等于Tn,其值由式確定,其中F為初張拉設(shè)計索力。

由張拉的逆過程可得各根鋼絞線的張拉力:

按上式確定的張拉力進(jìn)行張拉能保證初張拉完畢后索力的均勻性。在實際張拉時,應(yīng)在式(4)的基礎(chǔ)上疊加夾片回縮造成的索力損失,損失值根據(jù)施工經(jīng)驗確定。

1.2 全橋合攏后的斜拉索張拉力計算公式

全橋合攏后結(jié)構(gòu)體系已發(fā)生變化,如圖4所示。

圖4 合攏后的結(jié)構(gòu)示意圖

斜拉索張拉時塔的兩側(cè)仍是對稱張拉,但兩側(cè)的主梁等效剛度k0不再相同。由于張拉工藝相同,各鋼絞線的張拉力仍然為:

此時,式(5)中的k′0應(yīng)取為合攏后結(jié)構(gòu)對應(yīng)部分的等效剛度。

2 溫度對斜拉索張拉力的影響

掛索是一個復(fù)雜的過程且歷時較長,期間的溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響[10-14]不可忽略,特別是對主梁的變位影響較大。在施工中一般采用避免溫度變化和消除溫度影響相結(jié)合的辦法控制溫度影響。近年來人們根據(jù)晚上無日照,溫度變化小的特點,認(rèn)為此時結(jié)構(gòu)各部分溫度基本接近,而且因溫差及其它外力因素引起的滯后變形也已產(chǎn)生。因此建議現(xiàn)場索力測試及索力調(diào)整應(yīng)選擇在夜間或清晨氣溫比較平穩(wěn)時,其效果較理想[15]。

在前面的推導(dǎo)過程中,沒有考慮溫度變化對鋼絞線張拉力的影響。所以,在溫度較穩(wěn)定的時段,按式(4)確定的張拉力進(jìn)行張拉能夠?qū)崿F(xiàn)索力均勻的目標(biāo)。如果掛索期間溫度變化較大,索塔及主梁將產(chǎn)生較大的變形,已張拉完畢的鋼絞線拉力將會發(fā)生較大變化。如果此時繼續(xù)按照式(4)確定的張拉力進(jìn)行張拉,必將造成很大的誤差。

為減小斜拉索施工期間溫度變化對索力的影響,可以將該文的方法與等值張拉法結(jié)合起來使用。具體操作過程如下:

1)當(dāng)?shù)?根鋼絞線提升到位后,在其上安裝單孔測力傳感器A。第1根鋼絞線張拉力按照該文方法確定,當(dāng)其張拉到位后進(jìn)行臨時錨固。

2)在第2根鋼絞線上安裝單孔測力傳感器B。對第2根鋼絞線進(jìn)行張拉,當(dāng)傳感器B的讀數(shù)為傳感器A的讀數(shù)與夾片回縮造成的拉力損失值之和時,停止張拉并錨固,最后拆除傳感器B。

3)重復(fù)步驟2),張拉完全部鋼絞線。

4)最后拆除傳感器A,并對第1根鋼絞線進(jìn)行補(bǔ)張拉,當(dāng)張拉到張拉最后一根鋼絞線時B傳感器顯示的張拉力時,停止張拉并錨固。

按上述方法進(jìn)行張拉,既能實現(xiàn)索力均勻的目標(biāo),又可以消除溫度變化對索力的影響。

3 索力測量方法

斜拉索的索力對橋梁結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要,所以索力的測量將貫穿整個施工過程及運營過程中。在初張拉完畢后斜拉索始終處在彈性范圍內(nèi)工作,隨工況的改變,同一斜拉索的各鋼絞線拉力按同一差值ΔT變化。由此可得:

某1鋼絞線當(dāng)前工況下的拉力:

斜拉索當(dāng)前工況下的總索力:

4 工程實例

北方某斜拉橋全長606.8m,主橋為30+60+120+60+30m預(yù)應(yīng)力混凝土雙塔雙索面斜拉橋,橋?qū)?2.5m,塔的每側(cè)有7對斜拉索,全橋共56根斜拉索。斜拉索采用OVM 250 AT-61環(huán)氧涂層鋼絞線(斜拉索橫斷面如圖5),

圖5 斜拉索斷面圖

塔上錨固方式為貫通錨固(分絲管)。為便于施工和運營過程中及時測量索力,需在各斜拉索安裝索力傳感器。穿心式壓力傳感器雖然可方便地測量總索力,但價格昂貴。所以在該橋上選用性價比更高的小型磁通量索力傳感器,安裝在每根斜拉索的第31根鋼絞線上。在主跨7號索、邊跨4號索這2個關(guān)鍵位置,為提高索力測量的準(zhǔn)確性,在第3、61根鋼絞線上再添裝2個磁通量傳感器。下面取8號塔的斜拉索為研究對象,通過實測值與理論值的對比來驗證所提方法的正確性及精度。

4.1 初張拉完成后單根鋼絞線的拉力

初張拉完成后,各鋼絞線拉力的實測結(jié)果如表1。

表1 單根鋼絞線拉力均勻性分析

從表1可以看出,初張拉完成后索力均勻性較好。所取4根斜拉索中,同索單根鋼絞線拉力最大誤差為 3.71%,同索各鋼絞線最大相對誤差為4.87%。這樣的結(jié)果可以滿足施工控制的精度要求。

4.2 初張拉完成后各工況下的總索力

以初張拉完成后的相鄰4個工況為例,由式(7)計算的總索力結(jié)果如圖6。可以看出,以1次總索力為基礎(chǔ)運用式(7)計算的總索力F1與相應(yīng)工況下理論值F2基本一致,誤差都在5%以內(nèi)。

圖6 總索力的計算值與理論值的比較

5 結(jié)論

通過對平行鋼絞線斜拉索的施工工藝進(jìn)行仔細(xì)研究,按正裝分析法推導(dǎo)了單根鋼絞線的張拉力計算公式,并給出了各工況下的索力測量方法。北方某斜拉橋的工程實踐表明,該文所推導(dǎo)索力公式不僅形式簡單而且有較高的精度。不論單根鋼絞線拉力還是總索力,其誤差基本在5%之內(nèi),較好地滿足了工程要求,為施工控制的順利進(jìn)行和后期索力監(jiān)測提供了必要的基礎(chǔ)。

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