閆維明,張 志,陳彥江,楊小森

(北京工業(yè)大學工程抗振與結(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,因而被廣泛應用于實際工程[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,但每確定一根鋼絞線張拉力,就需進行一次結(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,按照正裝分析法推導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,當張拉第2根鋼絞線時,其力學模型簡化如圖2所示。

圖2 張拉第2根鋼絞線時的力學模型

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。

同理當張拉第3根鋼絞線時,其力學模型簡化如圖3所示

圖3 張拉第3根鋼絞線時的力學模型

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為各鋼絞線累積索力達到該索的設計索力,且各鋼絞線拉力應均勻一致。所以,當n根鋼絞線全部張拉完成后,各鋼絞線的最終拉力都應等于Tn,其值由式確定,其中F為初張拉設計索力。

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,應在式(4)的基礎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應取為合攏后結(jié)構(gòu)對應部分的等效剛度。

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)確定的張拉力進行張拉能夠?qū)崿F(xiàn)索力均勻的目標。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?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,當其張拉到位后進行臨時錨固。

2)在第2根鋼絞線上安裝單孔測力傳感器B。對第2根鋼絞線進行張拉,當傳感器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根鋼絞線進行補張拉,當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。

按上述方法進行張拉,既能實現(xiàn)索力均勻的目標,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鋼絞線當前工況下的拉力:

斜拉索當前工況下的總索力:

4 工程實例

北方某斜拉橋全長606.8m,主橋為30+60+120+60+30m預應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?？梢钥闯?以1次總索力為基礎運用式(7)計算的總索力F1與相應工況下理論值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行仔細研究,按正裝分析法推導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行和后期索力監(jiān)測提供了必要的基礎。

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