鋼絞線斜拉索索力均衡控制技術(shù)的探討

王志剛 費(fèi)漢兵 單繼安

1 概述

現(xiàn)代斜拉索向輕質(zhì)、高強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便等方向發(fā)展，鋼絞線斜拉索具有:1)組成斜拉索的各根鋼絞線單根掛索、單根張拉;2)無(wú)需大型運(yùn)輸和起吊設(shè)備;3)拉索安裝迅速、快捷、可靠度高;4)受施工環(huán)境、安裝時(shí)間限制小等特點(diǎn)，因此已被橋梁建設(shè)者們接受和認(rèn)可。

鋼絞線斜拉索掛索和張拉時(shí)，如鋼絞線束內(nèi)各絞線采用同一張拉索力，則后續(xù)張拉的鋼絞線使塔梁發(fā)生變形，使已張拉的鋼絞線索力發(fā)生變化，從而使各鋼絞線的索力產(chǎn)生偏差。美國(guó)PTI《斜拉索設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和安裝建議》中規(guī)定，各鋼絞線的最終索力和伸長(zhǎng)值偏差應(yīng)控制在2.5%內(nèi)[1]。如何采取合適的控制措施，使鋼絞線單根張拉和調(diào)索后，整束拉索中各根鋼絞線內(nèi)力均勻，成為鋼絞線斜拉索施工中橋梁設(shè)計(jì)和建造者所關(guān)注的重要問(wèn)題。

2 索力均衡控制的現(xiàn)有技術(shù)

國(guó)內(nèi)已成功應(yīng)用的鋼絞線斜拉索體系主要有VSL SSI 2000鋼絞線斜拉索體系、OVM250斜拉索體系等，其在索力均衡控制技術(shù)方面各有特點(diǎn)。

VSL SSI 2000鋼絞線斜拉索體系的核心SSI為Single Strand Installation的縮寫，即單根鋼絞線安裝。其核心思想為:根據(jù)事先編制好的軟件以及橋梁各參數(shù)值，計(jì)算出斜拉索中各鋼絞線的張拉力，軟件控制千斤頂進(jìn)行逐根張拉。一般分兩階段進(jìn)行:初張拉以索力控制為準(zhǔn)，二張以伸長(zhǎng)值控制為準(zhǔn)，均采用單根鋼絞線張拉方式。

OVM250型鋼絞線斜拉索的施工方法，其主要分兩個(gè)步驟進(jìn)行:采用單根張拉工藝進(jìn)行初張拉，采用整體張拉工藝進(jìn)行二張及后續(xù)的全橋調(diào)索[2-9]。

1)單根張拉。

對(duì)用于支撐HDPE護(hù)套管重量的幾根鋼絞線進(jìn)行預(yù)張拉;在其后的一根鋼絞線上安裝傳感器，按設(shè)計(jì)張拉索力的平均值乘以計(jì)算的超張系數(shù)進(jìn)行該鋼絞線的張拉;隨后的每根鋼絞線的張拉力按傳感器壓力變化差值進(jìn)行控制。整束鋼絞線全部安裝完畢后，對(duì)預(yù)張拉和安裝傳感器的鋼絞線按傳感器最后顯示讀數(shù)進(jìn)行補(bǔ)張拉。這種索力均衡控制方法被稱為“等張拉力法”或“等值張拉法”。

2)整體張拉。

在拉索的張拉端，依次安裝撐腳、連接套、張拉桿、穿心式千斤頂和螺母，按設(shè)計(jì)索力進(jìn)行分級(jí)張拉。張拉到設(shè)計(jì)索力后，旋緊錨具螺母進(jìn)行錨固。

3 索力均衡控制技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題

國(guó)內(nèi)鋼絞線斜拉索普遍采用“等張拉力法”進(jìn)行索力均衡控制，對(duì)于其實(shí)際使用情況，存在以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

3.1 初張拉索力的確定

鋼絞線斜拉索采用單根張拉方式進(jìn)行初張拉時(shí)，由于張拉后塔梁的位移，后張拉鋼絞線使同束中已張拉的鋼絞線索力呈非線性逐漸降低。為確保最后張拉的鋼絞線索力與設(shè)計(jì)張拉索力相同，必須對(duì)安裝傳感器的第一根鋼絞線(除為挺直HDPE護(hù)套管的數(shù)根預(yù)張拉鋼絞線外)確定其初張拉索力。一般，初張拉索力按設(shè)計(jì)張拉索力的平均值乘以超張系數(shù)來(lái)確定，即:

其中，Tm+1為第一根鋼絞線張拉力;k為超張拉系數(shù);Nn為整束鋼絞線張拉控制力;Nm為預(yù)張拉鋼絞線的張拉力之和;n為斜拉索中鋼絞線的總根數(shù);m為預(yù)張拉的鋼絞線根數(shù)。

式(1)中，m為挺直HDPE護(hù)套管而預(yù)張拉的鋼絞線根數(shù)，一般為1根～4根，視HDPE外套管尺寸和長(zhǎng)度而定。其值可根據(jù)鋼絞線張拉至設(shè)計(jì)索力后的垂度f(wàn)m1和鋼絞線預(yù)張拉后HDPE護(hù)套管的垂度f(wàn)m2計(jì)算，使fm1≈fm2即可。fm可按式(2)計(jì)算求得:

其中，fm為鋼絞線或HDPE管的垂度;w為鋼絞線或外套HDPE管的鋼絞線的線密度;L為鋼絞線計(jì)算索長(zhǎng);T為鋼絞線的張拉力。

Nm為m根預(yù)張拉鋼絞線的張拉力之和，一般單根鋼絞線的預(yù)張拉力取設(shè)計(jì)索力的0.15倍～0.2倍。

式(1)中，k為超張拉系數(shù)。實(shí)際施工中，隨著鋼絞線的張拉，主梁和主塔分別產(chǎn)生豎向和水平位移，使塔梁兩錨點(diǎn)間鋼絞線長(zhǎng)度變短，從而使鋼絞線索力發(fā)生變化。根據(jù)這一原理，推導(dǎo)k值計(jì)算公式。圖1為塔梁變位引起鋼絞線長(zhǎng)度變化的示意圖。

圖1 鋼絞線長(zhǎng)度變化示意圖

圖1中，A0和A1分別為拉索張拉前后梁上錨點(diǎn)位置;B0和B1分別為拉索張拉前后塔上錨點(diǎn)位置;L0和L1分別為拉索張拉前后長(zhǎng)度;δA和δB分別為主梁豎向和主塔橫向位移;α和α'分別為張拉前后拉索仰角。

已知條件:L0，α，δA和δB，在不考慮溫度變化和垂度影響的條件下，采用幾何計(jì)算可推導(dǎo)出k值。

其中，δ=δAsinα +δBcosα;δA和 δB由監(jiān)控仿真計(jì)算給出;E 為鋼絞線的彈性模量;A為鋼絞線的截面面積;L0為鋼絞線計(jì)算索長(zhǎng);α為拉索的設(shè)計(jì)仰角。

需注意的是，所述“張拉力”實(shí)際上是張拉錨固后鋼絞線的內(nèi)力，即“錨固力”。對(duì)于索力較小的一張，夾片回縮損失較小，可認(rèn)為“張拉力”與“錨固力”相等;但對(duì)于索力較大的二張和調(diào)索，實(shí)際計(jì)算初張拉索力時(shí)，尚應(yīng)加上鋼絞線錨固過(guò)程中的夾片回縮損失。

3.2 “等張拉力法”中張拉力的控制

“等張拉力法”的重要指導(dǎo)思想是:在某根鋼絞線上安裝傳感器，當(dāng)后續(xù)鋼絞線張拉時(shí)，傳感器讀數(shù)下降，當(dāng)壓力表讀數(shù)與傳感器顯示變化值相同時(shí)，停止張拉并持荷錨固。采用此方法，在實(shí)際操作時(shí)有兩點(diǎn)需引起注意:

1)傳感器安裝于單孔工具錨和工作錨之間，其顯示的力值為鋼絞線的最終“錨固力”。而后續(xù)鋼絞線單根張拉時(shí)，配套油泵顯示的力值為鋼絞線的即時(shí)“張拉力”。當(dāng)鋼絞線錨固時(shí)，因鋼絞線和夾片內(nèi)縮的影響，“張拉力”與“錨固力”之間存在一定差值，該值對(duì)于索力較大、索長(zhǎng)較短的拉索而言尤其明顯。

2)傳感器一般顯示單位為kN，在后續(xù)鋼絞線張拉時(shí)，其讀數(shù)在不斷變化。而千斤頂一般采用油壓表讀數(shù)，其顯示單位為MPa，張拉過(guò)程中其值也在不斷變化。對(duì)兩種儀表所反映的實(shí)際索力一致性的準(zhǔn)確判斷，是“等張拉力”法成功的關(guān)鍵。

3.3 二張和調(diào)索時(shí)的張拉方式

關(guān)于鋼絞線掛索初張拉后的二張及后續(xù)調(diào)索施工，是否有必要采用整體張拉工藝，一直是橋梁業(yè)主、設(shè)計(jì)者和施工單位關(guān)注的問(wèn)題。采用整體張拉工藝進(jìn)行二張和調(diào)索，其目的是:1)避免多次單根張拉影響夾片的錨固和夾持效果;2)避免影響各鋼絞線的索力均勻性。

工作夾片由合金鋼制作，在后張預(yù)應(yīng)力中所使用的工具錨夾片，在0.75σb的張拉應(yīng)力下，一般能重復(fù)使用100次以上;而斜拉索的張拉應(yīng)力一般僅為(0.4～0.5)σb，且?jiàn)A片的反復(fù)夾持次數(shù)一般不超過(guò)10次。因此，若工作夾片設(shè)計(jì)合理、加工控制嚴(yán)格，應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生因多次反復(fù)張拉而影響其錨固夾持效果的問(wèn)題。

既然鋼絞線掛索時(shí)的初張拉采用“等張拉力法”，能使各鋼絞線索力偏差控制在規(guī)定范圍內(nèi)，并被認(rèn)可。那么二張和調(diào)索時(shí)，采取相同的索力控制方法，仍應(yīng)能保證各鋼絞線在單根張拉結(jié)束后的索力均勻性。因此，采用整體張拉工藝對(duì)鋼絞線斜拉索進(jìn)行二張和調(diào)索，增加了設(shè)備和人力投入，與鋼絞線拉索施工快捷、輕便的原則相違背，是不經(jīng)濟(jì)和不必要的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鋼絞線斜拉索的索力均衡控制的現(xiàn)有技術(shù)的分析，指出了目前國(guó)內(nèi)常用的索力均衡控制方法——“等張拉力法”的不足，對(duì)其關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了探討。

1)給出了單根鋼絞線張拉時(shí)初張拉索力的推導(dǎo)過(guò)程和計(jì)算公式;2)提出了對(duì)現(xiàn)有張拉設(shè)備的改造方案以更準(zhǔn)確地控制鋼絞線的張拉力;3)對(duì)斜拉索的二張和調(diào)索時(shí)采用整體張拉工藝的經(jīng)濟(jì)性和必要性提出質(zhì)疑，指出采用單根張拉方式可使斜拉索中各鋼絞線索力的均勻性達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

[1]美國(guó)后張協(xié)會(huì)，斜拉索的設(shè)計(jì)、測(cè)試和安裝指南[S].

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