鋼絞線斜拉索施工階段索力監(jiān)測(cè)研究

毛建平，覃樂(lè)勤

（廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530011）

0 引言

拉索作為索結(jié)構(gòu)橋梁的主要傳力及受力構(gòu)件，一直是該類橋施工監(jiān)控及運(yùn)營(yíng)期維護(hù)的關(guān)注重點(diǎn)，拉索索力的大小直接影響結(jié)構(gòu)受力及安全。鋼絞線斜拉索近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于大型索結(jié)構(gòu)橋梁，其具有安裝快捷、施工便利等優(yōu)點(diǎn)，本文所依托的廣西來(lái)賓市永鑫大橋即采用了這種拉索形式。

鋼絞線斜拉索采用單根鋼絞線掛索單根張拉的施工方式，對(duì)該類索結(jié)構(gòu)索力的控制包括兩方面：（1）每根鋼絞線受力的均勻性控制；（2）整索索力大小的控制。施工控制的前提為監(jiān)測(cè)，鋼絞線斜拉索因其結(jié)構(gòu)及施工的特殊性，在施工階段的索力監(jiān)測(cè)過(guò)程，與傳統(tǒng)的成品拉索有所不同。

本文結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)該類索結(jié)構(gòu)的索力監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究。

1 工程概況

來(lái)賓市永鑫大橋主橋?yàn)殡p塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，采用塔、墩、梁固結(jié)體系，跨徑布置為（99＋180＋99）m，主橋全寬34.0m。見(jiàn)圖1。永鑫大橋斜拉索呈扇形布置，橫橋向布置在中央分隔帶上，共布置兩排。斜拉索采用55－φs15.2環(huán)氧全噴涂鋼絞線，鋼絞線股依次穿過(guò)索塔鞍座分絲管后錨固于主梁上，斜拉索構(gòu)造及斷面圖見(jiàn)圖2。

圖2 斜拉索構(gòu)造及斷面圖

2 斜拉索索力常用測(cè)試方法

常用的索力測(cè)試方法主要有：振動(dòng)頻率法、油壓表讀數(shù)法和傳感器測(cè)試法，其優(yōu)缺點(diǎn)分析如下：

振動(dòng)頻率法主要通過(guò)測(cè)試索結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，間接計(jì)算結(jié)構(gòu)索力。該方法操作方便、適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。但由于是間接測(cè)試方法，其所測(cè)索力結(jié)果的準(zhǔn)確性，受斜拉索的質(zhì)量、剛度、長(zhǎng)度、垂度等參數(shù)取值的影響。

油壓表讀數(shù)法主要通過(guò)標(biāo)定儀表測(cè)試千斤頂油壓的方法來(lái)監(jiān)測(cè)斜拉索張拉力。該方法適用于斜拉索施工階段。但由于受到錨具變形、千斤頂摩阻力及人為操作誤差等因素的影響，該方法也存在一定的誤差。

傳感器測(cè)試法主要通過(guò)錨下預(yù)埋壓力傳感器直接讀數(shù)獲取結(jié)構(gòu)索力。該方法精度較高，適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。但其成本高，且需注意其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

3 鋼絞線斜拉索索力監(jiān)測(cè)

3.1 基本思路

鋼絞線斜拉索由多根鋼絞線組成，其索力由組成索的各根鋼絞線拉力提供，因此對(duì)該類索的索力測(cè)試應(yīng)該包括整索索力測(cè)試和單根鋼絞線的拉力測(cè)試兩方面。以上兩部分內(nèi)容的測(cè)試，可準(zhǔn)確把握鋼絞線斜拉索的索力狀態(tài)，為斜拉橋施工過(guò)程中的索力控制提供有效的控制手段。

來(lái)賓市永鑫大橋每根斜拉索由55根鋼絞線組成，拉索施工控制要求：（1）控制每根斜拉索各根鋼絞線的拉力離散誤差不大于理論值的±3%；（2）斜拉索整索索力誤差不大于設(shè)計(jì)索力的±5%。

3.2 單根鋼絞線拉力均勻性監(jiān)測(cè)

鋼絞線斜拉索采用單根鋼絞線掛索單根張拉的施工方式，每根斜拉索的張拉均會(huì)導(dǎo)致塔、梁變形及錨具變形，從而導(dǎo)致先前張拉的鋼絞線松弛及索力變小。如每根鋼絞線按照總索力平均的等值張拉，勢(shì)必會(huì)造成實(shí)際施工索力與理論不符的情況，達(dá)不到控制精度要求。

為彌補(bǔ)后續(xù)張拉鋼筋線對(duì)已張拉鋼筋拉力的影響，可考慮對(duì)前期張拉的鋼絞線進(jìn)行適當(dāng)?shù)某瑥埨?。以保證其超張拉力在后期鋼絞線張拉過(guò)程逐漸抵消，直至最后一根鋼絞線張拉完成后，所有鋼絞線的拉力均勻且各鋼絞線合力與理論索力值基本相等。

根據(jù)以上思路，采用逆推法可算得每根鋼絞線的張拉力值，其計(jì)算原理為：最后一根鋼絞線索力值為平均索力，將鋼絞線張拉過(guò)程引起的塔、梁變形以及錨具變形等分配到每一次的張拉過(guò)程，通過(guò)多次迭代可計(jì)算出每根鋼絞線的張拉力。該方法初始化計(jì)算式如下：

P張拉力：實(shí)際單根控制初張力；

P平均：監(jiān)控指令單根控制初張索力；

P1：夾片回縮影響索力；

P2：橋面位移影響索力；

P3：塔柱位移影響索力；

P4：錨具、混凝土壓縮影響索力；

P5：垂度差影響。

來(lái)賓市永鑫大橋斜拉索單根鋼絞線拉力均勻性監(jiān)測(cè)依據(jù)上述方法進(jìn)行，主要通過(guò)在拉索中選3根鋼絞線安裝壓力傳感器，測(cè)試其拉力值。結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表1。壓力傳感器安裝示意見(jiàn)下頁(yè)圖3。

表1 單根鋼絞線拉力均勻性分析表

圖3 壓力傳感器安裝示意圖

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，同根索各鋼絞線最大相對(duì)誤差為1.98%。同根索單根鋼絞線拉力與目標(biāo)值最大誤差為－1.87%，結(jié)果可以滿足施工控制的精度要求。

3.3 張拉完成后整索索力監(jiān)測(cè)

單根鋼絞線張拉完，形成整束斜拉索后，整索的索力監(jiān)測(cè)可采用振動(dòng)頻率法，通過(guò)對(duì)影響振動(dòng)頻率法測(cè)試精度的因素進(jìn)行分析及修正可保證監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。其主要原理及應(yīng)用如下。

3.3.1 頻率法測(cè)試斜拉索索力

假設(shè)斜拉索為兩端鉸支受拉直梁，且忽略索的垂度及阻尼效應(yīng)，可得到索力與其自振頻率的關(guān)系：

兩端在鉸支情況下的斜拉索索力計(jì)算式：

式中：EI——斜拉索抗彎剛度；

m ——索的線密度；

L ——斜拉索的計(jì)算長(zhǎng)度；

fn——斜拉索的第n階自振頻率。

對(duì)于柔性索，可簡(jiǎn)化為：

3.3.2 頻率法測(cè)拉索索力的影響因素

由頻率法測(cè)定拉索索力的原理可知，拉索索力主要通過(guò)拉索固有頻率來(lái)估算，拉索固有頻率又受到抗彎剛度、邊界條件及垂度等因素的影響，故需對(duì)各影響因素進(jìn)行分析，以達(dá)到降低誤差的目的。

（1）拉索抗彎剛度的影響

對(duì)于長(zhǎng)度較短、剛度較大的鋼絞線斜拉索，其抗彎剛度的影響不宜忽略。由式（3）可知，剛度產(chǎn)生的誤差為：

由式（5）可知，當(dāng)索的剛度及長(zhǎng)度固定的情況下，誤差值與振動(dòng)頻率的階數(shù)平方成正比，故要使誤差盡可能小，宜采用低階頻率，最好是第1階頻率。

另一種方法是通過(guò)迭代法消去公式中的EI，用兩階（下式中的n階和k階）固有頻率表示拉索索力，如式（6）所示：

消去EI可得：

（2）邊界條件的影響

上述公式推導(dǎo)建立在拉索兩端鉸支的基礎(chǔ)上，而實(shí)際施工過(guò)程，斜拉索通過(guò)錨固系統(tǒng)錨固于結(jié)構(gòu)物，其受力狀態(tài)更接近于固結(jié)作用。當(dāng)按固結(jié)作用分析時(shí)，其頻率方程為：

式（8）計(jì)算復(fù)雜，不能得到頻率的顯式，故一般均采用簡(jiǎn)化公式計(jì)算。長(zhǎng)索柔度大，可忽略邊界的影響。短索剛度大，不可忽略邊界的影響。對(duì)邊界條件的影響修正參數(shù)主要為拉索計(jì)算長(zhǎng)度?？鄢^固區(qū)影響較大區(qū)段長(zhǎng)度可作為拉索實(shí)際計(jì)算長(zhǎng)度。一般采用索端錨固點(diǎn)距離與兩端連接筒長(zhǎng)度之差作為索的振動(dòng)長(zhǎng)度，用簡(jiǎn)化計(jì)算索力足以反映實(shí)際情況，可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工精度要求。

（3）拉索垂度的影響

拉索垂度的影響主要由自重產(chǎn)生，國(guó)內(nèi)外對(duì)拉索垂度對(duì)斜拉索索力的影響進(jìn)行了大量研究，目前普遍認(rèn)為拉索垂度對(duì)基頻的影響較大，對(duì)于4階及以上的振動(dòng)頻率影響較小。故為了避免拉索垂度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，可采用高階頻率換算基頻或通過(guò)偏差計(jì)算索力。

3.3.3 結(jié)果分析

采用索力動(dòng)測(cè)儀對(duì)本橋每根拉索振動(dòng)頻率進(jìn)行測(cè)試，并按上述方法對(duì)索力計(jì)算影響因素進(jìn)行分析及修正，得到本橋張拉完成后各索張拉索力值，與設(shè)計(jì)張拉索力值進(jìn)行比較見(jiàn)表2。

表2 斜拉索張拉索力測(cè)試結(jié)果與理論值比較表

由表2可以看出：施工單位完成單根鋼絞線張拉后，整索索力與設(shè)計(jì)值相比，誤差最大為2.00%。滿足施工監(jiān)控要求，達(dá)到了預(yù)期斜拉索索力控制目標(biāo)。

在成橋后對(duì)全橋拉索索力進(jìn)行了復(fù)測(cè)，其結(jié)果與理論值比較見(jiàn)表3。

表3 斜拉索成橋索力測(cè)試結(jié)果與理論值比較表

由表3可以看出：成橋后8＃墩處各斜拉索的索力實(shí)測(cè)值與理論值基本一致，最大偏差為3.49%，滿足施工質(zhì)量控制要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)鋼絞線斜拉索結(jié)構(gòu)及施工特點(diǎn)，對(duì)該類斜拉索的監(jiān)控應(yīng)包括整索索力監(jiān)測(cè)和單根鋼絞線的拉力監(jiān)測(cè)兩方面。

（2）依托來(lái)賓市永鑫大橋施工監(jiān)控項(xiàng)目，提出采用壓力傳感器測(cè)試單根鋼絞線張拉力的均勻性及采用頻率法測(cè)試整索索力大小的監(jiān)控方法，并對(duì)頻率法測(cè)試?yán)魉髁Φ挠绊懸蛩剡M(jìn)行了分析及修正，實(shí)際應(yīng)用表明測(cè)試精度較高，能夠滿足施工質(zhì)量控制要求，可為該類結(jié)構(gòu)的斜拉索索力監(jiān)測(cè)工作提供參考。

［1］王榮輝，薛禮建.矮塔斜拉橋索力測(cè)試方法研究［J］.中外公路，2011（2）：116－120.

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