等值張拉法在鋼絞線斜拉索施工中的應(yīng)用探析

鈕彥鑫 （中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

斜拉橋因其跨越能力大，結(jié)構(gòu)美觀，在中國(guó)橋梁建設(shè)中得到廣泛運(yùn)用，發(fā)展迅速，斜拉索索構(gòu)件一般有高強(qiáng)度平行鋼絲拉索和高強(qiáng)度低松弛鋼絞線拉索兩種形式。

鋼絲拉索一般為成品索,現(xiàn)場(chǎng)整根安裝，采用大噸位群錨體系進(jìn)行張拉錨固，但隨著大跨度斜拉橋建設(shè)的發(fā)展，斜拉橋斜拉索的數(shù)量越來越多，索力也越來越大，其安裝和運(yùn)輸均存在困難。

鋼絞線拉索每根索由多根鋼絞線組成，無需工廠制作成成品索，可用鋼絞線現(xiàn)場(chǎng)下料，方便運(yùn)輸，其相對(duì)于鋼絲拉索價(jià)格較低廉，施工方法靈活，既可整體張拉，又可單根張拉，對(duì)張拉設(shè)備要求不高，故現(xiàn)階段被越來越多地用于斜拉橋。鋼絞線斜拉索的單根張拉法較傳統(tǒng)整體張拉法采用小噸位張拉設(shè)備，操作簡(jiǎn)單靈活，施工成本低[1]。單根張拉普遍采用等值張拉法進(jìn)行控制，隨鋼絞線斜拉索的廣泛運(yùn)用，等值張拉工藝被廣泛采用，單根鋼絞線張拉力的計(jì)算和控制是等值張拉法的關(guān)鍵。

2 等值張拉法的基本原理

鋼絞線斜拉索采用單根張拉時(shí)，隨每股鋼絞線的張拉，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，已張拉鋼絞線的無應(yīng)力長(zhǎng)度同步縮短，導(dǎo)致已張拉鋼絞線索力不斷變小，后張拉的鋼絞線對(duì)已張拉的鋼絞線索力有減小的作用，所以確保各單根鋼絞線索力的均勻性對(duì)于整個(gè)拉索的受力性能以及使用壽命至關(guān)重要。若各根鋼絞線張拉力不均勻，在荷載作用下，會(huì)導(dǎo)致部分鋼絞線的拉力較小，而另一部分鋼絞線的拉力可能超過極限強(qiáng)度被拉斷[2]。

假若一根斜拉索中有37根鋼絞線，按順序張拉，則第37根鋼絞線張拉完成時(shí)，第一根鋼絞線張拉力減小變化36次，第二根減小變化35次……第36根減小變化1次。

由于已經(jīng)張拉的各根鋼絞線在后續(xù)鋼絞線的張拉過程中的拉力變化是同步均勻變化的，最后一根鋼絞線張拉完成時(shí)：

第1根鋼絞線索力F1=T1?Δ2?Δ3?...Δ37

第2根鋼絞線索力F2=T2?Δ3?Δ4?...Δ37

……

第36根鋼絞線索力F36=T36?Δ37

第37根鋼絞線索力F37=T37

式中：Tn為第n根鋼絞線的張拉力；Δn為第n根鋼絞線張拉時(shí)，前面已張拉鋼絞線索力減小值。

忽略后續(xù)鋼絞線的張拉的誤差對(duì)已張拉的鋼絞線拉力損失的微小影響，在理論計(jì)算中，假設(shè)已張拉的鋼絞線在后續(xù)每根鋼絞線的張拉過程中的減小值是相等的，將張拉完成時(shí)每根鋼絞線的索力總減小值平均到后續(xù)每一次減小變化中，則平均減小變化值為Δ=Δ2=Δ3...=Δ37。

第1根鋼絞線索力F1=T1?36Δ

第2根鋼絞線索力F2=T2?35Δ

……

第36根鋼絞線索力F36=T36?Δ

第37根鋼絞線索力F37=T37

等值張拉法為了彌補(bǔ)已張拉鋼絞線在后續(xù)鋼絞線張拉過程中的拉力損失，通過對(duì)前期先張拉的鋼絞線按照其張拉順序及后期將經(jīng)歷的張拉影響次數(shù)給予不同程度的超張拉，并以修正后的張拉力作為鋼絞線的張拉控制力。單根鋼絞線的張拉力與其張拉順序有直接關(guān)系，越早張拉的鋼絞線，其張拉力越大，隨后續(xù)鋼絞線的張拉，前期已經(jīng)張拉的鋼絞線張拉力將逐步下降，其超張拉的拉力將被逐步抵消，待一束斜拉索的最后一根鋼絞線張拉完成后，前期已張拉完成的所有鋼絞線的拉力均降低至與最后一根鋼絞線基本一致，即F1=F2=F3...=F37=T37。由此，可得到以下結(jié)論[3]：

①鋼絞線斜拉索整索索力=最后一根鋼絞線的張拉力×鋼絞線根數(shù)；

②除最后一根鋼絞線外，已經(jīng)張拉的鋼絞線拉力的衰減次數(shù)與后續(xù)張拉的鋼絞線根數(shù)相等；

③單根鋼絞線的張拉精度影響了整束斜拉索索力的精度。

當(dāng)一根斜拉索中的最后一股鋼絞線張拉完成時(shí)，該斜拉索已張拉的各股鋼絞線所持索力均減小到單根鋼絞線設(shè)計(jì)索力，即每股鋼絞線所持索力相等，且斜拉索總索力值等于總索力設(shè)計(jì)值，等值張拉法原理如圖1所示。基于這一基本理論進(jìn)行操作，可保證斜拉索每股鋼絞線所持索力的均勻性及張拉完成后的總索力滿足要求，有效控制整索索力的誤差和單根鋼絞線之間索力的離散誤差。

圖1 等值張拉法原理圖

3 等值張拉法計(jì)算公式分析

3.1 第1～m根鋼絞線張拉力

為減少HDPE套管對(duì)單根鋼絞線張拉力造成較大的非線性影響，索截面上方第一排第1～m根鋼絞線承受HDPE套管自重，張拉力由HDPE護(hù)套管的垂度確定[4]m取值一般為1～4，視HDPE護(hù)套管的長(zhǎng)度和尺寸而定，一般取單根鋼絞線的設(shè)計(jì)索力的0.15倍～0.2倍，即可負(fù)擔(dān)HDPE護(hù)套管垂度時(shí)第1～m根拉索的索力為：

式中：N為斜拉索設(shè)計(jì)索力；n為斜拉索中鋼絞線根數(shù)；Tn為第n根鋼絞線張拉力值。

排除HDPE護(hù)套管的影響后，從第（m+1）根鋼絞線開始可采用線性關(guān)系的計(jì)算公式對(duì)拉力值進(jìn)行近似超張拉修正計(jì)算，并以修正后的張拉力作為鋼絞線的張拉控制力，張拉完成后再將第1～m根鋼絞線補(bǔ)拉至N/n即可。

但在實(shí)際運(yùn)用中考慮到，在鋼絞線穿索張拉時(shí)，隨著后續(xù)各股鋼絞線的張拉，第1～m根鋼絞線將不受力而下垂，造成后續(xù)鋼絞線穿索時(shí)交叉打結(jié)。所以第1～m根鋼絞線張拉至1.1～1.15倍設(shè)計(jì)張拉力：

待最后一根鋼絞線張拉完成后，如第1～m根鋼絞線索力衰減低于N/n，可對(duì)低于設(shè)計(jì)值的鋼絞線進(jìn)行補(bǔ)拉。

3.2 第（m+1）根鋼絞線張拉力

根據(jù)近年來有關(guān)平行鋼絞線斜拉索等值張拉法資料和論文，整束拉索索力平均之后由主梁及索塔的變形量進(jìn)行修正，第（m+1）根鋼絞線的張拉力采用如下計(jì)算公式確定[5]：

式中：N1m為第1～m根鋼絞線張拉力之和；δ為斜拉索張拉完成后梁端錨點(diǎn)與塔端錨點(diǎn)間斜拉索索長(zhǎng)理論變形值，通過MidasCivil軟件建立模型對(duì)橋梁施工過程的仿真計(jì)算得出；l為斜拉索索長(zhǎng)；Ec為鋼絞線彈性模量；A為鋼絞線截面面積；Tm+1為第（m+1）根鋼絞線的張拉力；K為鋼絞線張拉力超張拉系數(shù)。

3.2 等值張拉法求出其余鋼絞線張拉力

設(shè)已張拉鋼絞線索力值在后續(xù)每根鋼絞線張拉過程中平均衰減變化值為Δ。最后一根鋼絞線張拉完成后，第（m+1）根鋼絞線索力共衰減（n-m-1）次，依次類推，則最終各鋼絞線索力值為：

式中Fn為最后一根鋼絞線張拉完成后，第n根鋼絞線的衰減后索力值。第（m+1）根鋼絞線衰減后最終索力為N/n：

則平均衰減索力值Δ為：

最終各鋼絞線索力值均為N/n，即Fm+1=Fm+2...=Fn=N/n，則可求得各鋼絞線拉力值為：

東運(yùn)河橋左幅橋北側(cè)C1～C6#斜拉索張拉力 表1

東運(yùn)河橋左幅橋北側(cè)主跨C2#各鋼絞線張拉力 表2

4 應(yīng)用實(shí)例

鄭州鄭東新區(qū)北三環(huán)跨東運(yùn)河矮塔斜拉橋，為雙幅獨(dú)塔貫通式雙索面不對(duì)稱斜拉橋結(jié)構(gòu)，斜拉索橫橋向?qū)ΨQ布置在索區(qū)里，每個(gè)索面布置16對(duì)斜拉索。斜拉索規(guī)格共計(jì)5種，分別為250AT-73、250AT-61、250AT-55、250AT-43、250AT-37。斜拉索采用鋼絞線斜拉索體系，索體采用φS15.2mm環(huán)氧噴涂鋼絞線索。調(diào)索施工選擇小型設(shè)備YLDS160-150千斤頂和ZB400油泵進(jìn)行單根張拉調(diào)索，先通過單根等值張拉法進(jìn)行各單根鋼絞線張拉力計(jì)算，并以計(jì)算索力為張拉控制力。

經(jīng)監(jiān)控單位通過Midas Civil模型按施工方案和現(xiàn)場(chǎng)情況模擬計(jì)算施工過程，以設(shè)計(jì)索力為目標(biāo)索力，下達(dá)左幅橋第一次張拉調(diào)索監(jiān)控指令，提供斜拉索調(diào)索整索總張拉力，鄭東新區(qū)北三環(huán)跨東運(yùn)河橋左幅北側(cè)C1～C6#斜拉索張拉力如表1所示。

根據(jù)監(jiān)控指令提供的斜拉索整索力值，運(yùn)用等值張拉法計(jì)算出各單根鋼絞線張拉控制力值，如鄭東新區(qū)北三環(huán)跨東運(yùn)河橋左幅橋北側(cè)主跨側(cè)C2#共37根鋼絞線，由表1監(jiān)控指令可得主跨C2#整索索力值為3104.7kN。通過等值張拉法計(jì)算出C2各鋼絞線張拉控制應(yīng)力，如表2所示。

上表各單根鋼絞線張拉力值相加為3104.75kN，與監(jiān)控單位提供的左幅北側(cè)主跨C2#整索張拉力值相同，由上表可看出m值取1，平均衰減值Δ為0.18kN。

張拉標(biāo)準(zhǔn)為控制每根斜拉索各股鋼絞線的離散索力誤差不超過理論值的±2%；斜拉索索力誤差不超過理論值的±2%；橫橋向相同編號(hào)斜拉索之間差值不大于整索索力的1%。

5 總結(jié)分析

平行鋼絞線斜拉索采用等根張拉施工，運(yùn)用等值張拉法對(duì)各鋼絞線張拉力進(jìn)行超張拉修正計(jì)算，并以修正后的張拉力作為張拉控制力，可有效保證各股鋼絞線所持索力的均勻性及張拉完成后總索力滿足要求。

使用等值張拉法進(jìn)行施工，鋼絞線張拉力的計(jì)算和監(jiān)測(cè)是關(guān)鍵，實(shí)際應(yīng)用中不僅運(yùn)用線性計(jì)算公式擬合等值張拉法對(duì)單根鋼絞線張拉力值進(jìn)行計(jì)算，還要兼顧考慮混凝土收縮徐變、斜拉索垂度、工作夾片回縮量等非線性因素的影響，這些因素在一定程度上影響了等值張拉法計(jì)算的準(zhǔn)確性，使得修正后的鋼絞線張拉力值偏大，在實(shí)際運(yùn)用中，可通過分級(jí)張拉進(jìn)行精確度上的彌補(bǔ)，第一次張拉僅張拉設(shè)計(jì)索力的90%，再通過索力監(jiān)測(cè)，進(jìn)行二次微調(diào)進(jìn)行補(bǔ)拉，可有效減小非線性因素的影響。