毛建平，覃樂勤

（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，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)測過程，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)測進(jìn)行了研究。

1 工程概況

來賓市永鑫大橋主橋?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)造及斷面圖見圖2。

圖2 斜拉索構(gòu)造及斷面圖

2 斜拉索索力常用測試方法

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

振動(dòng)頻率法主要通過測試索結(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、適合長期監(jiān)測。但由于是間接測試方法，其所測索力結(jié)果的準(zhǔn)確性，受斜拉索的質(zhì)量、剛度、長度、垂度等參數(shù)取值的影響。

油壓表讀數(shù)法主要通過標(biāo)定儀表測試千斤頂油壓的方法來監(jiān)測斜拉索張拉力。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。

傳感器測試法主要通過錨下預(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，適合長期監(jiān)測。但其成本高，且需注意其長期穩(wěn)定性。

3 鋼絞線斜拉索索力監(jiān)測

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)該類索的索力測試應(yīng)該包括整索索力測試和單根鋼絞線的拉力測試兩方面。以上兩部分內(nèi)容的測試，可準(zhǔn)確把握鋼絞線斜拉索的索力狀態(tài)，為斜拉橋施工過程中的索力控制提供有效的控制手段。

來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

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程，通過多次迭代可計(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。

來賓市永鑫大橋斜拉索單根鋼絞線拉力均勻性監(jiān)測依據(jù)上述方法進(jìn)行，主要通過在拉索中選3根鋼絞線安裝壓力傳感器，測試其拉力值。結(jié)果見下頁表1。壓力傳感器安裝示意見下頁圖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

單根鋼絞線張拉完，形成整束斜拉索后，整索的索力監(jiān)測可采用振動(dòng)頻率法，通過對(duì)影響振動(dòng)頻率法測試精度的因素進(jìn)行分析及修正可保證監(jiān)測結(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)算長度；

fn——斜拉索的第n階自振頻率。

對(duì)于柔性索，可簡化為：

3.3.2 頻率法測拉索索力的影響因素

由頻率法測定拉索索力的原理可知，拉索索力主要通過拉索固有頻率來估算，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)際施工過程，斜拉索通過錨固系統(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，故一般均采用簡化公式計(jì)算。長索柔度大，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)算長度?？鄢^固區(qū)影響較大區(qū)段長度可作為拉索實(shí)際計(jì)算長度。一般采用索端錨固點(diǎn)距離與兩端連接筒長度之差作為索的振動(dòng)長度，用簡化計(jì)算索力足以反映實(shí)際情況，可滿足現(xiàn)場施工精度要求。

（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)測試結(jié)果的影響，可采用高階頻率換算基頻或通過偏差計(jì)算索力。

3.3.3 結(jié)果分析

采用索力動(dòng)測儀對(duì)本橋每根拉索振動(dòng)頻率進(jìn)行測試，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)行比較見表2。

表2 斜拉索張拉索力測試結(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，其結(jié)果與理論值比較見表3。

表3 斜拉索成橋索力測試結(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

（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)測和單根鋼絞線的拉力監(jiān)測兩方面。

（2）依托來賓市永鑫大橋施工監(jiān)控項(xiàng)目，提出采用壓力傳感器測試單根鋼絞線張拉力的均勻性及采用頻率法測試整索索力大小的監(jiān)控方法，并對(duì)頻率法測試?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)測工作提供參考。

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