鋼絞線斜拉索索力均衡控制技術的探討

王志剛 費漢兵 單繼安

1 概述

現代斜拉索向輕質、高強、操作簡便等方向發展，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)無需大型運輸和起吊設備;3)拉索安裝迅速、快捷、可靠度高;4)受施工環境、安裝時間限制小等特點，因此已被橋梁建設者們接受和認可。

鋼絞線斜拉索掛索和張拉時，如鋼絞線束內各絞線采用同一張拉索力，則后續張拉的鋼絞線使塔梁發生變形，使已張拉的鋼絞線索力發生變化，從而使各鋼絞線的索力產生偏差。美國PTI《斜拉索設計、試驗和安裝建議》中規定，各鋼絞線的最終索力和伸長值偏差應控制在2.5%內[1]。如何采取合適的控制措施，使鋼絞線單根張拉和調索后，整束拉索中各根鋼絞線內力均勻，成為鋼絞線斜拉索施工中橋梁設計和建造者所關注的重要問題。

2 索力均衡控制的現有技術

國內已成功應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方面各有特點。

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:根據事先編制好的軟件以及橋梁各參數值，計算出斜拉索中各鋼絞線的張拉力，軟件控制千斤頂進行逐根張拉。一般分兩階段進行:初張拉以索力控制為準，二張以伸長值控制為準，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，其主要分兩個步驟進行:采用單根張拉工藝進行初張拉，采用整體張拉工藝進行二張及后續的全橋調索[2-9]。

1)單根張拉。

對用于支撐HDPE護套管重量的幾根鋼絞線進行預張拉;在其后的一根鋼絞線上安裝傳感器，按設計張拉索力的平均值乘以計算的超張系數進行該鋼絞線的張拉;隨后的每根鋼絞線的張拉力按傳感器壓力變化差值進行控制。整束鋼絞線全部安裝完畢后，對預張拉和安裝傳感器的鋼絞線按傳感器最后顯示讀數進行補張拉。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，按設計索力進行分級張拉。張拉到設計索力后，旋緊錨具螺母進行錨固。

3 索力均衡控制技術的關鍵問題

國內鋼絞線斜拉索普遍采用“等張拉力法”進行索力均衡控制，對于其實際使用情況，存在以下幾點關鍵技術問題。

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行初張拉時，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計張拉索力相同，必須對安裝傳感器的第一根鋼絞線(除為挺直HDPE護套管的數根預張拉鋼絞線外)確定其初張拉索力。一般，初張拉索力按設計張拉索力的平均值乘以超張系數來確定，即:

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

式(1)中，m為挺直HDPE護套管而預張拉的鋼絞線根數，一般為1根～4根，視HDPE外套管尺寸和長度而定。其值可根據鋼絞線張拉至設計索力后的垂度fm1和鋼絞線預張拉后HDPE護套管的垂度fm2計算，使fm1≈fm2即可。fm可按式(2)計算求得:

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為鋼絞線計算索長;T為鋼絞線的張拉力。

Nm為m根預張拉鋼絞線的張拉力之和，一般單根鋼絞線的預張拉力取設計索力的0.15倍～0.2倍。

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

圖1 鋼絞線長度變化示意圖

圖1中，A0和A1分別為拉索張拉前后梁上錨點位置;B0和B1分別為拉索張拉前后塔上錨點位置;L0和L1分別為拉索張拉前后長度;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，采用幾何計算可推導出k值。

其中，δ=δAsinα +δBcosα;δA和 δB由監控仿真計算給出;E 為鋼絞線的彈性模量;A為鋼絞線的截面面積;L0為鋼絞線計算索長;α為拉索的設計仰角。

需注意的是，所述“張拉力”實際上是張拉錨固后鋼絞線的內力，即“錨固力”。對于索力較小的一張，夾片回縮損失較小，可認為“張拉力”與“錨固力”相等;但對于索力較大的二張和調索，實際計算初張拉索力時，尚應加上鋼絞線錨固過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”的重要指導思想是:在某根鋼絞線上安裝傳感器，當后續鋼絞線張拉時，傳感器讀數下降，當壓力表讀數與傳感器顯示變化值相同時，停止張拉并持荷錨固。采用此方法，在實際操作時有兩點需引起注意:

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”。而后續鋼絞線單根張拉時，配套油泵顯示的力值為鋼絞線的即時“張拉力”。當鋼絞線錨固時，因鋼絞線和夾片內縮的影響，“張拉力”與“錨固力”之間存在一定差值，該值對于索力較大、索長較短的拉索而言尤其明顯。

2)傳感器一般顯示單位為kN，在后續鋼絞線張拉時，其讀數在不斷變化。而千斤頂一般采用油壓表讀數，其顯示單位為MPa，張拉過程中其值也在不斷變化。對兩種儀表所反映的實際索力一致性的準確判斷，是“等張拉力”法成功的關鍵。

3.3 二張和調索時的張拉方式

關于鋼絞線掛索初張拉后的二張及后續調索施工，是否有必要采用整體張拉工藝，一直是橋梁業主、設計者和施工單位關注的問題。采用整體張拉工藝進行二張和調索，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，在后張預應力中所使用的工具錨夾片，在0.75σb的張拉應力下，一般能重復使用100次以上;而斜拉索的張拉應力一般僅為(0.4～0.5)σb，且夾片的反復夾持次數一般不超過10次。因此，若工作夾片設計合理、加工控制嚴格，應不會產生因多次反復張拉而影響其錨固夾持效果的問題。

既然鋼絞線掛索時的初張拉采用“等張拉力法”，能使各鋼絞線索力偏差控制在規定范圍內，并被認可。那么二張和調索時，采取相同的索力控制方法，仍應能保證各鋼絞線在單根張拉結束后的索力均勻性。因此，采用整體張拉工藝對鋼絞線斜拉索進行二張和調索，增加了設備和人力投入，與鋼絞線拉索施工快捷、輕便的原則相違背，是不經濟和不必要的。

4 結語

通過對鋼絞線斜拉索的索力均衡控制的現有技術的分析，指出了目前國內常用的索力均衡控制方法——“等張拉力法”的不足，對其關鍵問題進行了探討。

1)給出了單根鋼絞線張拉時初張拉索力的推導過程和計算公式;2)提出了對現有張拉設備的改造方案以更準確地控制鋼絞線的張拉力;3)對斜拉索的二張和調索時采用整體張拉工藝的經濟性和必要性提出質疑，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到設計和規范要求。

[1]美國后張協會，斜拉索的設計、測試和安裝指南[S].

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