大跨度懸索橋索夾螺桿張力檢測與思考

何少陽

（中交公路規劃設計院有限公司，北京100088）

1 引言

隨著人們對橋梁養護工作重視程度的提高，橋梁構件中一些隱含參數的檢測工作得到廣泛關注，索夾螺桿張力就是其中的一項。索夾螺桿張力出現嚴重的損失后，會導致主纜索夾不能有效抵抗吊索拉力引起的下滑力，最終導致索夾出現滑移。索夾滑移是懸索橋一項非常嚴重的病害，其會導致主纜線形發生變化，恢復難度極大，且索夾出現滑移后，會給主纜涂裝和吊索錨固系統帶來新的一系列問題。

《公路纜索結構體系橋梁養護技術規范》（征求意見稿）中指出，索夾螺桿軸力進入運營期后，會因為車輛等荷載引起的纜索體系受力及線形變化、主纜內鍍鋅鋼絲受壓蠕變或重新排列等原因持續下降，其損失最終將會導致索夾松動甚至滑移。索夾滑移會導致主纜內力重分配，引起主體結構線形變化，降低滑移處主纜密封性等病害，對懸索橋的結構受力安全帶來嚴重影響。因此，加強索夾螺桿張力測試工作對于橋梁工程質量有著重要的意義。

2 索夾滑移的典型病害及原因分析

2.1 索夾滑移典型病害

索夾出現不同程度的滑移現象，即索夾位置較原設計位置出現明顯移位，索夾與主纜涂層之間出現明顯的縫隙。如圖1所示。

圖1 索夾滑移

2.2 索夾滑移成因分析

根據目前的經驗來講，索夾滑移的主要原因是螺桿力的損失。具體來講有如下原因：（1）橋梁通車后，車輛荷載逐步增加，主纜受力增大，纜徑變細；（2）懸索橋通車后，隨著荷載增大，主纜鋼絲進行重新排布，孔隙率發生變化；（3）主纜纏絲形式不同會導致纏絲的緊密程度存在差異，導致索夾與主纜的實際接觸面積和壓緊程度不同，阻止索夾滑移的摩擦力未完全發揮效果；（4）索夾的構造形式為左右對合和上下對合式，兩半索夾之間由橡膠密封帶來保證索夾的對合效果，密封帶的蠕變或老化也會導致螺桿力損失[1]。

除此之外，一些主觀的因素也不可忽略，如扶手繩立柱擋住了部分螺桿，導致其無法進行測試補張；主纜上安裝的一些監測通信設備導致索夾測試操作空間不足；人為測試補張施工的質量差異大，也給懸索橋運營帶來了一些初始風險。

3 索夾螺桿張力測試工藝

目前，索夾螺桿的測試主要是采用超聲波法，補張是采用手提式千斤頂進行，主纜索夾螺桿的張拉步驟如下：

（1）首先對千斤頂進行校驗，取得校驗報告，根據報告上的回歸方程分別計算出100 t噸位千斤頂的10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%的壓力表的讀數；（2）拆除待張拉的螺桿端部的防護螺帽，在拆除的過程中注意防護螺桿的螺紋不能受到損傷；（3）清理干凈索夾表面的臟物后將墊板套入待張拉的螺桿；（4）套入螺母調節器，旋轉適宜角度，確保在調節螺母的過程中順利進行；（5）將撐腳套入且保證撐腳處于螺桿的中心位置，不能有任何一邊碰到墊片和螺母，且調整撐腳的開口位置，保證其和螺母調節器一致；（6）將千斤頂套入后再將拉桿螺母旋進且擰緊，保證其和千斤頂的接觸緊密無縫隙；（7）將螺桿應力測試儀的探頭放在螺桿端部的平面上，調整位置直至測試儀器信號顯示滿格為止；（8）接駁油泵和千斤頂之間的供油管和回油管，先試張拉確保油管不漏油，卸壓；（9）再次檢查（1）～（8）的安裝步驟，確保上述步驟正確無誤；（10）啟動油泵，按照10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%的10個級數緩慢供油，同時測試方也從0%起開始采集傳感器的數據；（11）在張拉到固定級數時記錄好螺桿應力測試儀的讀數，每一級記錄一個讀數，直至達到設計夾緊力；（12）待張拉到設計張拉力并完成數據采集后，調整螺母進行錨固；（13）拆除傳感器和張拉設備，重復上述步驟，進行下一個螺桿的張拉；（14）對測試后螺桿的防護螺帽恢復到位且擰緊，擰緊的過程不能僅用人力扭動扳手，這樣很難達到補張效果，建議在人工擰緊的情況下用錘子敲擊扳手最外緣，使補張效果達到最佳[2]。

實際測試過程中采用超聲測試設備測試不同張拉噸位下超聲波在螺桿中傳播的聲時，從而得到不同張拉噸位下螺桿的長度，經過數據處理，得到拐點位置，即螺桿現存張拉力值。

4 測試精度影響因素分析

目前，最常用的索夾螺桿張力測試方法是超聲法。超聲法測試過程中涉及的參數主要有測試頻率、測試波速和測試溫度，這些需要在測試之前進行設定。除此之外，螺桿本身的應力值、螺桿端部的出廠構造都會對測試精度造成影響，具體分析如下。

4.1 測試頻率

在超聲法測螺桿長度時，所用探頭一般為縱波探頭，激發超聲頻率范圍一般為1～5 MHz，對應超聲波長約在1～6 mm范圍內，比螺桿直徑50 mm要低一個數量級。因此，在螺桿中傳播的超聲波無法形成導波，而以縱波的形式傳播。在此頻率范圍內，低頻超聲能量傳播距離較遠，但能量相對不聚焦，且易受噪聲干擾，反射波形可能會受到影響而不易識別。相比之下，高頻超聲能量相對聚焦，傳播的直線性強，因此其反射波形變形小，受噪聲干擾也小，但高頻超聲波衰減較快，傳播距離相對較近。在實際工程應用中，超聲波的傳播距離還與激發設備的功率有關，通常現場設備均可保證2～3 m內的檢測長度。

4.2 波速

螺桿長度的測量精度與2個因素相關：一是發射信號與回波信號的時間差Δt0，該參數取決于設備內部的定時器，一般均可提供納秒級的時間精度，與波速相乘后，一般達到10-7m的分辨率；二是波速的設定，波速由材料彈性參數決定，而實際螺桿材料的彈性參數一般根據生產廠商提供的鋼材型號來確定，因各種原因，這些參數并不一定十分精確，導致無法精確估算螺桿中的超聲波速，從而導致螺桿的測量長度存在或大或小的誤差：波速估算過大，測量值比真實長度要大，波速估算過小，測量值比真實長度要小。實際測試過程中，通常根據測試構件的材料特征調整波速大小，使誤差盡可能小[3]。

4.3 溫度

溫度在2個方面影響基于超聲的螺桿長度測量精度。其一，溫度變化會導致螺桿的物理長度伸長或縮短，假設測量時的溫度比參考溫度高，則測量的長度會比預期增大。其二，材料的彈性參數受溫度影響，會導致超聲波速變化，如溫度升高，鋼材的彈性模量降低，從而波速降低，超聲波走時變長。此時，還按原波速考慮，測量的長度也會比預期長度要長。因此，在實際工程檢測中不同測試時間時如果溫度不同，需要考慮溫度影響，進行溫度補償。

4.4 螺桿端部影響

對于螺桿的精確長度測量，螺桿端部有如下影響：（1）端部平面與螺桿長度方向應嚴格垂直，否則會導致超聲波傳播方向與螺桿長度方向存在夾角，一方面會使超聲波傳播距離變長，另一方面會導致超聲波在螺桿側面發生折射，影響信號質量；（2）探頭在端部的放置位置需避開孔洞、不平位置，以達到超聲波能量最大傳遞率；（3）耦合劑的厚度也會對測量結果產生亞毫米級的影響，通常可以忽略。

綜合以上影響因素，實際測量過程中需要對測試設備參數進行調整，測試數據進行修正，從而得到更加準確的測試結果。

5 工程案例

目前，國內橋梁養護工作者普遍開始重視索夾螺桿張力的測試和補張工作，對運營期橋梁定期開展索夾螺桿張力的測試工作，對于不滿足抗滑移要求的螺桿及時進行補張工作；對建設期橋梁在不同的施工階段開展螺桿張力測試工作，一方面掌握施工期螺桿張力的損失規律，同時達到對施工過程中螺桿張力監控的目的。如圖2所示。

圖2 某懸索橋施工期單根螺桿張力跟蹤測試結果

國內某懸索橋，主跨900 m，索夾為左右對合式，2000年建成通車。橋梁建設階段就開展了部分索夾螺桿張力的跟蹤監測工作，橋梁進入運營期后一直未開展索夾螺桿測試工作，檢查過程中未發現索夾滑移情況，2020年橋梁運營滿20年后，運營單位開展了一次全橋索夾螺桿測試補張工作，并進行了跟蹤復測。如圖3所示。

圖3 國內某懸索橋運營期索夾螺桿初測和補張后復測結果對比

根據測試結果，上游索夾螺桿張拉力最大值299.2 kN，最小值182.8 kN，平均值237.0 kN；下游最大值282.4 kN，最小值173.1 kN，平均值223.5 kN。張拉力整體損失超過50%，嚴重的達到65%，未補張前索夾抗滑移存在安全隱患。

根據復測結果，復測索夾中張拉力最大值351.8 kN，最小值282.7 kN，平均值311.0 kN，補張后螺桿張力提升明顯，測試效果良好。

6 結語

根據測試結果，運營橋梁均出現明顯的索夾螺桿張力損失，嚴重的張力損失率超過50%。開展索夾張力測試及補張工作后，螺桿張力的損失速率明顯降低。不同橋梁由于索夾類型及主纜線形的不同，螺桿張力的損失規律存在一定的差異。

建議開通運營2年內對索夾螺桿進行分批定期抽測，跟蹤測試索夾螺桿的現存張拉力，掌握運營期橋梁螺桿張拉力損失的長期規律，指導運營期索夾養護。運營初期結束后，每5年進行一次索夾螺桿力全面檢測，并對張拉力不滿足要求的索夾進行補張。根據現場測試經驗，施工單位在橋梁建設期開展索夾螺桿張拉工作時，存在很多的不確定因素，這些因素都為橋梁的運營埋下隱患，因此，開展建設期橋梁螺桿張力測試工作是很有必要的，一方面有利于建立全橋螺桿張力的初始軸力檔案，另一方面達到對施工過程螺桿張拉的監控目的。建議交通運輸部門在橋梁建設相關文件中明確建設期索夾螺桿張力測試工作開展的必要性以及測試頻率，規范建設期橋梁索夾螺桿的張拉工作。