斜拉橋拉索整體同步張拉設計理論探索與工程實踐

任國紅

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海 200437）

1 引言

當斜拉橋采用一次落架成橋的施工方案時，拉索張拉、梁體落架、成橋體系轉換就成為該座橋梁施工中的關鍵點之一。常規支架法施工完成的斜拉橋調索通常采用以橋塔為中心，縱向、橫向兩側對稱張拉，先期張拉的拉索索力受后期拉索張拉的影響，一直處于動態卸荷變化中，故需要超張拉方可達到成橋索力，但拉索規格已定，梁、塔局部承受能力已定，超張拉的力是有限的[1]，故往往是初始張拉的拉索最終達不到成橋索力，需要二次補張。由于目前常用的頻譜法索力測試設備的測量誤差通常為5%~10%，多根索力誤差疊加的情況下，最終結果難以得到驗證和控制。因此，傳統的拉索張拉面臨著工序多、耗時長，容易出現張拉力和位移的現場結果與理論計算不符的問題，很多橋梁最終只能按照成橋線形控制和調整索力，不合理的成橋索力“吃掉”橋梁安全富裕度，降低結構對外部荷載的承受能力，為后期橋梁使用埋下隱患[2]。故現有常規的張拉方式主要有以下兩大缺點：

1）最終斜拉索索力與理論最優成橋索力很難完全一致。受索力檢測設備精度的限制，最終張拉完成后的成橋索力值只能按照誤差比例控制，同時傳統張拉過程中也無法實現對彈性模量、重量等敏感因素的校準以及對最優成橋索力進行修正，故以梁體線形控制的索力的狀態可能導致橋梁對外荷載承載力降低的先天不足。

2）費時費力。常規張拉方式可能需要對拉索多次張拉，施工周期長，工程脫架時間晚，導致臨時措施費用的增加。

當今，數控智能化機械設備已經應用于工程界的各種領域，多臺千斤頂連接同一臺油壓設備同時供油，利用傳感器通過計算機系統對千斤頂油壓及其行程的控制，已經可以達到多個千斤頂按設定的目標值共同完成工作的狀態，如工程界的同步張拉預應力鋼束[3]；此外，利用同步控制設備在建筑體同步頂推及同步頂升等領域也已經有較多案例，如上海音樂廳的平移頂升工程、上海市玉佛禪寺大雄寶殿移位工程[2]等，均采用幾十套千斤頂將建筑物同步頂起，利用計算機系統對千斤頂的油壓輸入進行控制，多個千斤頂同步工作。因此，筆者提出將數控同步技術移植到斜拉索張拉過程中，即將所有落架斜拉索同步張拉至成橋索力，一次性精準到達理論成橋索力。

2 斜拉索同步張拉實現方法與理論

本文提出的同步張拉理論是一套分解分批張拉數據方案，讓拉索精準、快捷、安全地到達最優成橋索力。該套同步張拉理論設有兩條主線，一條主線為現場張拉及觀測，另一條主線為理論數據的提供、推演及預測。具體分為以下11 個步驟：

1）根據現場橋梁實際重量、彈性模量等參數，計算最優成橋索力作為整個張拉過程的最終基準值，該套基準值以滿足梁、塔受力最為合理、相鄰各索索力較均勻。

2）調試現場整個數控設備系統的操控性和數據傳輸功能。整套張拉設備由一臺電腦總體控制，由主控電腦、油壓設備、千斤頂、數據采集盒等幾個關鍵構件組成，通過系統液壓鏈路和系統數據鏈路將它們連在一起，主控電腦可自動控制各個千斤頂的運行狀態，確保張拉過程中所有千斤頂的張拉力和位移量都可以反饋到電腦總控中心直觀地展示。

設定每根拉索以最終成橋索力的20%進行預張緊，拆除橋梁所有下部結構的臨時支架與主梁之間的固結約束，梁體形成無豎向約束狀態擱置在支架上。

3）按照先粗后細的原則，根據最終成橋索力進行同步張拉的單批次張拉力力值的確定，初期分批次標準可參考0%—20%—60%—85%—95%—100%的原則進行張拉，用理論數據模擬整個張拉過程，確保每個階段完成張拉索力后，整體梁體應力、拉索應力、梁體上撓位移，塔體偏位、梁體端部支座反力等的變化都在安全范圍內。

設定位移允許絕對值誤差小于20%。油壓千斤頂讀取的數據可以做到小于5 kN 的精度，為張拉過程的主控數據，頻譜法測量拉索誤差較大仍可作為張拉力的校驗數據；梁體、塔體位移為校準對比數據。每個過程必須達到梁、塔理論位移與現場實測數據趨勢一致，檢查應變片反應的梁體應力無異常后進行下個階段的工作。

4）第一個階段，檢查完成60%拉索張拉力后的橋梁基本狀態，核準現場總控電腦控制的張拉數據與千斤頂油壓設備的數據一致，持荷2 h 后，用頻譜法拉索力數據檢驗儀進行索力檢驗，這也是對自身儀器設備的基準校準，記錄現場張拉力數據；測量并記錄現場塔體兩側的梁體上撓的位移量、塔體縱向位移偏移量，查驗反應梁體應力的應變片數據，記錄當時天氣溫度及日照狀況。

5）將現場位移數據與電腦上模擬的塔體兩側梁體上撓位移量、塔體縱向位移偏移量數據進行對比，如梁體未脫架則以塔縱向偏位數據為主分析，核驗并分析數據偏差的原因，尋找可能引起數據偏差的變量，對數據偏差進行關鍵因素敏感性分析，如混凝土彈性模量、梁體重度和重量的模擬偏差及日照溫差等，調整敏感變量使理論計算貼近實際梁體及塔體的位移變化。

6）第二個階段，拉索完成85%張拉力，現場檢查與記錄重復第一階段操作過程，索力以現場總控電腦張拉數據為準，頻譜法測得索力校驗，對偏差較大的數據進行二次核查；采集位移和溫度數據。

7）將第二階段現場數據與提供的電腦計算的位移數據進行對比，分析第二階段完成后理論數據與實際數據的偏差結果，分析增加的索力產生的梁體位移量及塔體位移量理論與現場進行對比，根據增量數據結果，再次修正理論混凝土彈性模量、混凝土重度及鋼材重度及基準溫度等可能存在的敏感性數據。

8）第一天完成以上兩個階段后收工，密切記錄日夜間溫度變化對塔、梁位移的影響，并將該溫度變化影響與電腦模擬中的溫度變化影響進行對比。

9）第二天完成第三階段拉索95%張拉力，現場觀測重復上述外業步驟進行。

10）將3 次張拉現場數據與修正模型的理論計算數據進行對比，繪制力與位移的關系圖表、拉索力增量變化導致的位移增量變化圖表，設定每個階段的權重，進行張拉力從95%到100%時的位移數據推演，隨著參數調整將有更優的最終成橋索力取值，計算和記錄該數值作為最后一個階段成橋索力的張拉值。如過程中力與位移的變化情況推演離散性過大，應及時查找原因，可適當增加中間步驟獲取力與位移間的增量關系，進一步核驗橋梁剛度，輔助理論計算的推演，提高最優成橋索力的精度。

11）按最終最優成橋索力張拉到位，最終拉索張拉力數據為千斤頂油壓表中直接讀取，確保與理論數據一致的精準，現場張拉及觀測重復上述外業步驟進行，持荷24 h 進行觀測無異常則認為整個張拉過程完成，記錄、謄寫梳理最終張拉報告，總結經驗；整個張拉過程2~3 d 內完成。

斜拉索同步張拉流程圖如圖1 所示。

圖1 斜拉索同步張拉流程圖

3 實際工程案例

上海奉賢區金莊公路跨金匯港大橋位于五級航道上，該斜拉橋主跨一跨過河，主橋跨徑布置為120 m+85 m，橋寬33.2 m，景觀主塔塔體結構置于中央分隔帶，截面為八邊形斷面，塔身向邊跨側傾斜8°，塔身采用鋼-混組合橋塔；主跨主梁為鋼結構，邊跨主梁為混凝土結構；全橋共設56 根斜拉索，塔兩側均采用造型優美的空間網狀索面設計，不對稱的斜塔斜拉橋塔體設計輕盈靈動，但塔體較柔也使得斜拉索的索力敏感度較高，加上采用空間網狀索面設計，一次落架后調索難度較大。因此，在施工過程中，拉索張拉方案采用同步張拉技術，將斜拉索力一次性精準張拉到位，這也是本套新型斜拉索同步張拉技術在國內乃至國際斜拉橋上的首次實踐。

成功的張拉結果證明，借助現代發展的數控技術，56 根斜拉索按照預定的索力同步張拉是可行和高效的。這套同步張拉方法大大提高了張拉索力的精度，實現了現場梁、塔線形與理論計算的吻合，真正意義實現了索力與線形對橋梁安全的雙控；縮短了調索周期，加快了工程進度。

4 結語

本文所述斜拉索的同步張拉技術實現了以下3 方面的優勢：

1）該種張拉方案區別于以往的單根依次張拉，最終成橋索力無法準確知曉的尷尬，該方法最終拉索張拉力數據為千斤頂油壓表中直接讀取，可以精確地獲得與理論值一致的最優成橋索力。

2）大大縮短拉索張拉的周期，利用現代化手段提高工作效率，整個拉索張拉一氣呵成，一步到位。

3）改善張拉過程中梁、塔等構件的受力模式，整體同步張拉對主體構件張拉過程中的受力狀態更為友好和安全。

從傳統拉索張拉方案到同步張拉拉索每個過程的理論數據計算，關鍵控制要素是有本質上的區別的，采用該套張拉方法并結合現代化的數控施工技術，讓斜拉索索力的精度達到了前所未有的高度；隨著斜拉橋同步張拉技術的成功，后續可以將該項技術推廣和拓展到橋梁界各種索類橋梁的拉索張拉和調索。