獨塔不對稱斜拉橋拉索索力施工監控研究

劉陳韜， 李新生， 賈春鑫， 周蘇， 許佳偉

(蘇州科技大學 土木工程學院， 江蘇 蘇州 215011)

斜拉橋屬于高次超靜定結構，施工過程中結構應力、變形不斷變化，為確保成橋后線形、內力符合設計和規范要求，施工中必須對斜拉橋進行全過程應力、變形監控。拉索索力大小直接影響橋塔、主梁等結構內力及主梁線形，索力測試是斜拉橋重要監控項目之一。索力測量方法主要有油壓千斤頂法、壓力傳感器測定法、頻率法、磁通量法、光纖光柵法。油壓千斤頂法直接張拉拉索，其示值即為拉索索力，理論上是最準確的方法。頻率法是目前工程中最常使用的方法，它根據拉索自振頻率與索力之間的關系推算索力，優點是測試方法簡單、快速，不僅能用于拉索張拉過程索力測量，還可用于施工后復測等。這2種方法配合使用可使索力測試簡化、測試結果趨于精準。磁通量法、光纖光柵法也能較準確地測量拉索索力，但大量應用于工程實踐中還少見。運用頻率法測試結果換算實際索力時，需精確測得拉索的振動頻率、識別拉索的計算長度與抗彎剛度等特性參數。其中拉索計算長度對索力計算結果的影響最大，需通過多次拉索錨下千斤頂張拉力與按頻率法換算索力值的對比，才能識別拉索的計算長度，進而剔除抗彎剛度對索力的影響。該文通過對蘇州市城北大道跨京杭大運河的一座獨塔斜拉橋的施工監控實踐，研究斜拉橋索力測試與監測方法。

1 工程概況

蘇州城北路改建工程跨京杭大運河的長滸大橋輔道橋為獨塔不對稱單索面斜拉橋，主跨104 m，邊跨75 m。主梁為單箱雙室斜腹板箱梁截面，頂板寬19 m，設1.5%單向橫坡，主梁采用C50砼，縱、橫、豎三向預應力體系。主跨采用復合牽索掛籃懸臂澆筑，邊跨采用滿堂支架整體現澆。索塔采用寶塔形結構，分為上塔柱、中塔柱、下塔柱和下橫梁，采用C50砼。索塔總高69.457 m，橋面以上高度為56 m，中、下塔柱橫橋向外側面的斜率分別為1/2.5、1/2.341。中、上塔柱采用空心箱形斷面，下塔柱采用實心斷面，上塔柱為單箱雙室截面，中、下塔柱為不對稱單箱單室截面。中塔柱與下塔柱相交處設置一道3 m×3 m橫梁。

全橋共設置24對斜拉索，平行布置于中央分隔帶內，每對拉索由橫向間距為1.4 m的2根拉索組成。每對拉索均從索塔根部向兩側依次編號，主跨拉索編號為C01～C12，邊跨拉索編號為C01′～C12′；邊跨拉索C06′～C12′在主梁上錨固點的間距為3.5 m，其余拉索均為7 m，在索塔上錨固點的豎向間距均為1.8 m(見圖1)。拉索采用雙層熱擠PE護套半平行鋼絲索體系，設計標準強度為1 670 MPa，彈性模量為1.95×105MPa。每根拉索兩端預埋鋼管內均設置體內減振器。

圖1 斜拉橋拉索布置示意圖

2 成橋索力與施工索力優化

2.1 成橋索力優化

根據文獻[3]，可利用滿足結構彎曲應變能最小的原理得到斜拉橋拉索最優成橋索力，公式如下：

([CL]T[B][CL]+[CR]T[B][CR]){T}=

-[CR]T[B][MR0]-[CL]T[B][ML0]

(1)

式中：[CL]、[CR]為索力對單元左、右端彎矩的影響矩陣；[B]為彎矩影響系數矩陣；{T}為施調索力向量；[ML0]、[MR0]為調索前單元左、右端彎矩向量。

選取斜拉索與主梁連接處單元的左右端彎矩為受調向量，依據式(1)得到索力優化初步結果。優化結果中存在部分索力不合理的現象，需再根據索塔頂端順橋向位移不超過10 mm的約束條件對索力結果進行優化，結果見表1。按照這一原則得到的最終索力與設計索力誤差均在±5%以內。

表1 長滸大橋拉索成橋索力優化結果

2.2 施工索力優化

根據成橋索力優化終值，結合擬定的施工順序，采用倒拆法確定施工過程初始索力終值(見表2)。

表2 拉索施工過程初始索力終值

3 施工過程索力分批張拉控制

在節段砼懸臂施工中，由于一個標準節段砼自重過大，如果節段澆筑完后再張拉索力，會導致掛籃主要受力構件應力達到±334 MPa，遠超材料的允許值，且掛籃前端變形達11.4 cm，大大超過變形控制要求，對成橋線形控制非常不利。

為確保施工中掛籃結構穩定、內力符合規范要求、前端變形不過大(不超過2 cm)，使主梁應力符合設計要求、成橋線形盡可能平順，各節段砼(0#節段除外)分3個階段澆筑：1) 節段箱梁底板砼澆筑；2) 節段箱梁腹板和橫隔板砼澆筑；3) 節段箱梁頂板砼澆筑。每個階段砼澆筑前張拉1次索力，其中：第1次張拉為掛籃就位后；第2、第3、第4次張拉分別對應3個階段砼澆筑結束之前，采取邊施工邊張拉的方式；第5次張拉為階段砼強度達到設計強度的80%后。需合理確定張拉批次與索力大小，表3為施工過程初始索力終值。

表3 斜拉索施工過程索力 kN

4 施工過程索力參數識別與監測

4.1 索力測量公式

目前斜拉橋拉索索力現場測量基本采用動測法，索力計算公式采用兩端鉸支的索力測量公式：

(2)

式中：T為索力；m為拉索單位長度質量；l為拉索計算長度；fn為拉索第n階自振頻率；n為拉索自振頻率的階數；EI為拉索抗彎剛度。

一般拉索實際錨固狀態處于鉸支與固支之間，采用式(2)計算的索力與實際索力存在一定誤差，現場測試時拉索的自振頻率一般采用1階基頻，而索力計算公式中的其他參數需進行一一識別，如拉索單位長度質量、拉索計算長度及抗彎剛度對索力的影響等。為提高索力測試精度，引入修正系數k1，通過與千斤頂張拉時油壓表示值對比確定每根拉索的最終索力計算公式：

(3)

4.2 拉索單位長度質量識別

對該項目涉及的5種型號成品索在工廠分別隨機截取長度不小于0.5 m的3段進行稱重，取其平均值，結果見表4。

表4 拉索質量

4.3 張拉設備校驗

拉索張拉采用液壓穿心式拉伸設備，它由油壓千斤頂和配套的高壓油泵、壓力表及外接油管等組成。由于每臺千斤頂液壓配合面實際尺寸和表面粗糙度不同、密封圈和防塵圈松緊程度不同，不同千斤頂的內摩阻力不同，而且摩阻會隨油壓高低和使用時間而改變，需定期對千斤頂和配套的油壓表、油管及油泵進行校驗，減少累計誤差，提高張拉控制力精度。該橋共采用4臺YC400×200油壓配套千斤頂進行拉索張拉，初次使用前采用壓力試驗機進行校驗，根據千斤頂所測作用力和油壓進行線性回歸，利用最小二乘法原理求得回歸方程(見表5)。

表5 千斤頂校驗回歸分析結果

4.4 拉索索力計算參數識別

由表6可知：索長較小時，實測修正系數k1較小，隨著索長的增大，k1值逐漸增大，初始變化幅度較快，后期變化幅度變緩，總體呈冪函數曲線形式變化。故采用冪函數對k1值進行擬合，結果見圖2，擬合公式見式(4)。相關性系數R2=0.992 3，擬合曲線與實測結果有較高擬合度，式(4)可直接用于后續階段索力測試。

表6 全橋拉索索力參數識別結果

圖2 索力測試公式修正系數k1與無應力索長的擬合關系曲線

(4)

4.5 成橋階段索力監測

成橋階段索力調整中，以成橋索力為目標值，按指定的張拉順序進行拉索張拉，根據前述修正公式確定是否張拉到位，并以錨下張拉力進行檢驗。最終實測索力與目標索力對比見表7。從表7可看出：實測索力與目標索力的誤差均在±5%以內。

表7 成橋索力實測值與目標索力對比

續表7

5 結論

(1) 斜拉橋監控中需對設計成橋索力、施工階段索力進行復核與優化。

(2) 采用懸臂施工的預應力砼斜拉橋，一般標準節段較長，質量較重，砼澆筑中應進行分階段分批索力張拉，以確保成橋線形符合設計要求。

(3) 拉索索力監測不能簡單地套用理論公式進行實橋測試，必須進行索力公式中相關參數識別、修正，以提高測試精度。