獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋拉索索力施工監(jiān)控研究

劉陳韜， 李新生， 賈春鑫， 周蘇， 許佳偉

(蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215011)

斜拉橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu)，施工過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形不斷變化，為確保成橋后線形、內(nèi)力符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，施工中必須對(duì)斜拉橋進(jìn)行全過程應(yīng)力、變形監(jiān)控。拉索索力大小直接影響橋塔、主梁等結(jié)構(gòu)內(nèi)力及主梁線形，索力測(cè)試是斜拉橋重要監(jiān)控項(xiàng)目之一。索力測(cè)量方法主要有油壓千斤頂法、壓力傳感器測(cè)定法、頻率法、磁通量法、光纖光柵法。油壓千斤頂法直接張拉拉索，其示值即為拉索索力，理論上是最準(zhǔn)確的方法。頻率法是目前工程中最常使用的方法，它根據(jù)拉索自振頻率與索力之間的關(guān)系推算索力，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試方法簡(jiǎn)單、快速，不僅能用于拉索張拉過程索力測(cè)量，還可用于施工后復(fù)測(cè)等。這2種方法配合使用可使索力測(cè)試簡(jiǎn)化、測(cè)試結(jié)果趨于精準(zhǔn)。磁通量法、光纖光柵法也能較準(zhǔn)確地測(cè)量拉索索力，但大量應(yīng)用于工程實(shí)踐中還少見。運(yùn)用頻率法測(cè)試結(jié)果換算實(shí)際索力時(shí)，需精確測(cè)得拉索的振動(dòng)頻率、識(shí)別拉索的計(jì)算長(zhǎng)度與抗彎剛度等特性參數(shù)。其中拉索計(jì)算長(zhǎng)度對(duì)索力計(jì)算結(jié)果的影響最大，需通過多次拉索錨下千斤頂張拉力與按頻率法換算索力值的對(duì)比，才能識(shí)別拉索的計(jì)算長(zhǎng)度，進(jìn)而剔除抗彎剛度對(duì)索力的影響。該文通過對(duì)蘇州市城北大道跨京杭大運(yùn)河的一座獨(dú)塔斜拉橋的施工監(jiān)控實(shí)踐，研究斜拉橋索力測(cè)試與監(jiān)測(cè)方法。

1 工程概況

蘇州城北路改建工程跨京杭大運(yùn)河的長(zhǎng)滸大橋輔道橋?yàn)楠?dú)塔不對(duì)稱單索面斜拉橋，主跨104 m，邊跨75 m。主梁為單箱雙室斜腹板箱梁截面，頂板寬19 m，設(shè)1.5%單向橫坡，主梁采用C50砼，縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。主跨采用復(fù)合牽索掛籃懸臂澆筑，邊跨采用滿堂支架整體現(xiàn)澆。索塔采用寶塔形結(jié)構(gòu)，分為上塔柱、中塔柱、下塔柱和下橫梁，采用C50砼。索塔總高69.457 m，橋面以上高度為56 m，中、下塔柱橫橋向外側(cè)面的斜率分別為1/2.5、1/2.341。中、上塔柱采用空心箱形斷面，下塔柱采用實(shí)心斷面，上塔柱為單箱雙室截面，中、下塔柱為不對(duì)稱單箱單室截面。中塔柱與下塔柱相交處設(shè)置一道3 m×3 m橫梁。

全橋共設(shè)置24對(duì)斜拉索，平行布置于中央分隔帶內(nèi)，每對(duì)拉索由橫向間距為1.4 m的2根拉索組成。每對(duì)拉索均從索塔根部向兩側(cè)依次編號(hào)，主跨拉索編號(hào)為C01～C12，邊跨拉索編號(hào)為C01′～C12′；邊跨拉索C06′～C12′在主梁上錨固點(diǎn)的間距為3.5 m，其余拉索均為7 m，在索塔上錨固點(diǎn)的豎向間距均為1.8 m(見圖1)。拉索采用雙層熱擠PE護(hù)套半平行鋼絲索體系，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa，彈性模量為1.95×105MPa。每根拉索兩端預(yù)埋鋼管內(nèi)均設(shè)置體內(nèi)減振器。

圖1 斜拉橋拉索布置示意圖

2 成橋索力與施工索力優(yōu)化

2.1 成橋索力優(yōu)化

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，可利用滿足結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)變能最小的原理得到斜拉橋拉索最優(yōu)成橋索力，公式如下：

([CL]T[B][CL]+[CR]T[B][CR]){T}=

-[CR]T[B][MR0]-[CL]T[B][ML0]

(1)

式中：[CL]、[CR]為索力對(duì)單元左、右端彎矩的影響矩陣；[B]為彎矩影響系數(shù)矩陣；{T}為施調(diào)索力向量；[ML0]、[MR0]為調(diào)索前單元左、右端彎矩向量。

選取斜拉索與主梁連接處單元的左右端彎矩為受調(diào)向量，依據(jù)式(1)得到索力優(yōu)化初步結(jié)果。優(yōu)化結(jié)果中存在部分索力不合理的現(xiàn)象，需再根據(jù)索塔頂端順橋向位移不超過10 mm的約束條件對(duì)索力結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見表1。按照這一原則得到的最終索力與設(shè)計(jì)索力誤差均在±5%以內(nèi)。

表1 長(zhǎng)滸大橋拉索成橋索力優(yōu)化結(jié)果

2.2 施工索力優(yōu)化

根據(jù)成橋索力優(yōu)化終值，結(jié)合擬定的施工順序，采用倒拆法確定施工過程初始索力終值(見表2)。

表2 拉索施工過程初始索力終值

3 施工過程索力分批張拉控制

在節(jié)段砼懸臂施工中，由于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段砼自重過大，如果節(jié)段澆筑完后再?gòu)埨髁?，?huì)導(dǎo)致掛籃主要受力構(gòu)件應(yīng)力達(dá)到±334 MPa，遠(yuǎn)超材料的允許值，且掛籃前端變形達(dá)11.4 cm，大大超過變形控制要求，對(duì)成橋線形控制非常不利。

為確保施工中掛籃結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、內(nèi)力符合規(guī)范要求、前端變形不過大(不超過2 cm)，使主梁應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求、成橋線形盡可能平順，各節(jié)段砼(0#節(jié)段除外)分3個(gè)階段澆筑：1) 節(jié)段箱梁底板砼澆筑；2) 節(jié)段箱梁腹板和橫隔板砼澆筑；3) 節(jié)段箱梁頂板砼澆筑。每個(gè)階段砼澆筑前張拉1次索力，其中：第1次張拉為掛籃就位后；第2、第3、第4次張拉分別對(duì)應(yīng)3個(gè)階段砼澆筑結(jié)束之前，采取邊施工邊張拉的方式；第5次張拉為階段砼強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后。需合理確定張拉批次與索力大小，表3為施工過程初始索力終值。

表3 斜拉索施工過程索力 kN

4 施工過程索力參數(shù)識(shí)別與監(jiān)測(cè)

4.1 索力測(cè)量公式

目前斜拉橋拉索索力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量基本采用動(dòng)測(cè)法，索力計(jì)算公式采用兩端鉸支的索力測(cè)量公式：

(2)

式中：T為索力；m為拉索單位長(zhǎng)度質(zhì)量；l為拉索計(jì)算長(zhǎng)度；fn為拉索第n階自振頻率；n為拉索自振頻率的階數(shù)；EI為拉索抗彎剛度。

一般拉索實(shí)際錨固狀態(tài)處于鉸支與固支之間，采用式(2)計(jì)算的索力與實(shí)際索力存在一定誤差，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)拉索的自振頻率一般采用1階基頻，而索力計(jì)算公式中的其他參數(shù)需進(jìn)行一一識(shí)別，如拉索單位長(zhǎng)度質(zhì)量、拉索計(jì)算長(zhǎng)度及抗彎剛度對(duì)索力的影響等。為提高索力測(cè)試精度，引入修正系數(shù)k1，通過與千斤頂張拉時(shí)油壓表示值對(duì)比確定每根拉索的最終索力計(jì)算公式：

(3)

4.2 拉索單位長(zhǎng)度質(zhì)量識(shí)別

對(duì)該項(xiàng)目涉及的5種型號(hào)成品索在工廠分別隨機(jī)截取長(zhǎng)度不小于0.5 m的3段進(jìn)行稱重，取其平均值，結(jié)果見表4。

表4 拉索質(zhì)量

4.3 張拉設(shè)備校驗(yàn)

拉索張拉采用液壓穿心式拉伸設(shè)備，它由油壓千斤頂和配套的高壓油泵、壓力表及外接油管等組成。由于每臺(tái)千斤頂液壓配合面實(shí)際尺寸和表面粗糙度不同、密封圈和防塵圈松緊程度不同，不同千斤頂?shù)膬?nèi)摩阻力不同，而且摩阻會(huì)隨油壓高低和使用時(shí)間而改變，需定期對(duì)千斤頂和配套的油壓表、油管及油泵進(jìn)行校驗(yàn)，減少累計(jì)誤差，提高張拉控制力精度。該橋共采用4臺(tái)YC400×200油壓配套千斤頂進(jìn)行拉索張拉，初次使用前采用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)，根據(jù)千斤頂所測(cè)作用力和油壓進(jìn)行線性回歸，利用最小二乘法原理求得回歸方程(見表5)。

表5 千斤頂校驗(yàn)回歸分析結(jié)果

4.4 拉索索力計(jì)算參數(shù)識(shí)別

由表6可知：索長(zhǎng)較小時(shí)，實(shí)測(cè)修正系數(shù)k1較小，隨著索長(zhǎng)的增大，k1值逐漸增大，初始變化幅度較快，后期變化幅度變緩，總體呈冪函數(shù)曲線形式變化。故采用冪函數(shù)對(duì)k1值進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖2，擬合公式見式(4)。相關(guān)性系數(shù)R2=0.992 3，擬合曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果有較高擬合度，式(4)可直接用于后續(xù)階段索力測(cè)試。

表6 全橋拉索索力參數(shù)識(shí)別結(jié)果

圖2 索力測(cè)試公式修正系數(shù)k1與無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)的擬合關(guān)系曲線

(4)

4.5 成橋階段索力監(jiān)測(cè)

成橋階段索力調(diào)整中，以成橋索力為目標(biāo)值，按指定的張拉順序進(jìn)行拉索張拉，根據(jù)前述修正公式確定是否張拉到位，并以錨下張拉力進(jìn)行檢驗(yàn)。最終實(shí)測(cè)索力與目標(biāo)索力對(duì)比見表7。從表7可看出：實(shí)測(cè)索力與目標(biāo)索力的誤差均在±5%以內(nèi)。

表7 成橋索力實(shí)測(cè)值與目標(biāo)索力對(duì)比

續(xù)表7

5 結(jié)論

(1) 斜拉橋監(jiān)控中需對(duì)設(shè)計(jì)成橋索力、施工階段索力進(jìn)行復(fù)核與優(yōu)化。

(2) 采用懸臂施工的預(yù)應(yīng)力砼斜拉橋，一般標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段較長(zhǎng)，質(zhì)量較重，砼澆筑中應(yīng)進(jìn)行分階段分批索力張拉，以確保成橋線形符合設(shè)計(jì)要求。

(3) 拉索索力監(jiān)測(cè)不能簡(jiǎn)單地套用理論公式進(jìn)行實(shí)橋測(cè)試，必須進(jìn)行索力公式中相關(guān)參數(shù)識(shí)別、修正，以提高測(cè)試精度。