矮塔斜拉橋索力增量的精準測試方法

摘 要：針對目前拉索索力測試存在的問題，以鶴大高速佳木斯松花江特大橋為工程背景，利用一種新型的拉索索力增量測量裝置測試了矮塔斜拉橋施工過程中的拉索索力變化，并與數值仿真結果進行對比分析，驗證了該方法測試拉索索力增量的適用性。

關鍵詞：矮塔斜拉橋；索力測試；應變

中圖分類號：U448.27" " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2024）04-0001-03

0 引言

斜拉索是矮塔斜拉橋的重要組成部分，拉索的工作狀態是決定結構是否處于正常狀態的主要因素，精確測量拉索索力對矮塔斜拉橋的施工和運營至關重要[1]。

目前常用的索力測試方法主要有頻率法、磁通量法和壓力環法[2-4]。其中，頻率法是最廣泛被使用的方法，它通過索力和拉索的振動頻率存在對應關系間接測量索力。該方法測試索力時，具有快速、方便、實用、可重復測試的特點，對于中長索精確度較高。然而，對于短索，現階段頻率法的理論還不夠完善，測試精度較差，特別是對于拉索較短的矮塔斜拉橋，索力測試精度無法準確測試出索力的變化[5，6]。

壓力表法依據拉索張拉時千斤頂的張拉力測定拉索索力，該方法簡單易行，比較直觀、可靠，是施工中控制索力最常用的方法，但不適用已張拉好的拉索索力測試。壓力傳感器法是利用壓力傳感器并配合使用千斤頂張拉拉索測定拉索索力，該方法僅限于施工階段使用，且壓力傳感器售價昂貴，使用場合受限。

磁通量法是一種無損傷索力測試方法，在國外有較多應用，但在國內的應用實例非常少。目前磁通量法在技術上還不夠成熟，尚不能用于橋梁拉索索力增量的測試。壓力環法具備高精度的測試能力，可以滿足索力增量的測試需求，但價格昂貴，無法普及應用。因此，尋找一種更精確、經濟實用的索力測試方法，對保障矮塔斜拉橋的施工控制精度和正常運營具有重要意義。

1 工程概況

鶴大高速佳木斯松花江特大橋主橋為預應力混凝土箱梁塔斜拉橋，是塔梁固結、梁分離的六跨連續體系。主橋跨徑布置為（110+4×200+110） m，五塔單索面，橋長1 020 m，橋面寬度28 m。主梁上部結構為預應力混凝土變截面箱梁，采用單箱三室變高度預應力箱梁，混凝土標號C55。

箱梁頂板寬28 m，設置2%雙向橫坡，頂板中間2.5 m 寬度為斜拉索區，單側懸臂長4 m。箱梁中跨跨中42 m范圍梁段及邊跨梁段28.2 m范圍梁段采用等截面，梁高4.0 m，其他梁段梁高由4.0 m按1.8次拋物線變至0號塊梁段7 m高。

橋面按雙向4車道布局，索塔主體高度26.5 m，為單桿式橋塔，布在中央分隔帶上，并與主梁固結。斜拉索采取單索面雙排布索，利用中央分隔帶作為拉索的錨固區。全橋共設5×14對斜拉索，斜拉索采用Φs15.2的高強度低松弛矮塔斜拉橋配套體系環氧鋼絞線，抗拉強度標準值fpk為1 860 MPa。斜拉索張拉端設在箱梁上，塔上斜拉索通過分絲管貫通，塔端采取抗滑措施。橋梁布置如圖1所示。

鶴大高速佳木斯松花江特大橋主橋是塔梁固結體系，主梁采用掛籃懸臂現澆施工，單個中跨共劃分51個節段，其施工階段的劃分如表1所示。

2 索力測試方法

本文采用的索力測量裝置如圖2所示，該索力增量測量裝置通過連接桿變形和拉索變形一致的關系，將傳統的直接測試拉索變形轉化為測試連接桿變形，通過測試連接桿應變片的應變變化進而得到拉索的應變變化，然后通過簡單的拉索力學關系直接求出拉索索力[7]。

索力測試時，將索力測試儀的上、下夾緊環與待測拉索夾緊。由于傳力桿抗拉剛度遠大于變形桿，當拉索變形時，只有變形桿產生變形。若拉索索力增量為ΔF，計算公式如式（1）所示。

ΔF=EAεc" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中，EA為拉索的抗拉剛度，εc為拉索應變。

此時，變形桿應變εd和拉索應變εc計算公式如式（2）所示。

索力測試儀夾緊拉索后，通過測量應變片的應變值εi以及溫度補償應變片的應變值εa，依據式（3）和式（4），可得到變形桿的應變εd，進而通過式（2）得到拉索應變εc，若待測拉索的抗拉剛度EA已知，則可依據式（1）得到拉索的索力增量ΔF。

由式（2）可以看出，由于Ld遠小于Lc，變形桿上的應變將遠大于拉索上的應變，從而實現應變放大，可以顯著提高測試精度。

3 索力測試結果與分析

3.1 索力測試方案

佳木斯松花江特大橋主橋根據拉索索力的不同，采用了3種類型的平行鋼絞線拉索，拉索斷面布置形式如圖3所示。其中，1-5#拉索由43根?s15.2鋼絞線組成，6-11#拉索由55根?s15.2鋼絞線組成，12-14#拉索由61根?s15.2鋼絞線組成，拉索特征參數如表2所示。

本文采用的索力測試裝置變形桿長度Ld為4 cm，上、下夾緊環間距離Lc為20 cm。為了驗證本文索力測試裝置的可行性，在實橋中選取了3根拉索（第一索塔小樁號側拉索T2-1、T2-6、T2-12）測試其在施工過程中的索力變化。實橋測試中，為了方便安裝和測試，將索力測試裝置安裝在拉索梁端的防水罩裸露部位，而不需要在橋梁施工過程中進行特殊的保護措施。

3.2 測試結果分析

待測試拉索安裝完成后，將索力測試裝置安裝于拉索梁端的防水罩裸露部位，記錄此時變形桿的應變讀數為初始值，然后每一個施工階段記錄變形桿的應變讀數，依據式（3）和（4）得到變形桿的應變平均值，進而通過式（2）得到當前施工階段相對前一施工階段的拉索應變增量，并依據式（1）得到拉索的索力增量，最后將各施工階段的拉索索力變化測量結果與數值仿真結果比較，計算結果如表3～5和圖4所示。

從表3～5和圖4可以看到，索力增量實測值與索力增量理論值的誤差在整個施工階段均小于5%，表明本文采用的索力增量測試方法精度高，能夠精確地測量不同狀態下拉索的索力變化，可用于橋梁施工階段及運營階段的拉索索力狀態監測。需注意：本方法只能測試拉索的索力增量，而不能測量拉索的實際索力。

4 結束語

本文采用一種新型的拉索索力增量測量裝置測試了矮塔斜拉橋施工過程中的拉索索力變化，并與數值仿真結果進行對比分析，得到以下結論：①該裝置構造簡單，可以方便地在拉索任意部位安裝，不影響測試結果，且可以重復利用。②該索力增量測試方法原理簡單，測試精度高，已在依托工程中取得良好的應用效果。③本文方法可用于橋梁施工階段及運營階段的拉索索力狀態監測。

參考文獻

[1] 方志，張志勇.斜拉橋的索力測試[J].中國公路學報，1997，10 （1）：18-21.

[2] 張華平，魏良軍，汪劭.斜拉橋索力測試方法及原理綜述[J].公路交通科技：應用技術版，2011（10）：268-269.

[3] 唐堂，張永水.斜拉橋索力測試分析[J].昆明理工大學學報：理工版，2008，33（2）：38-42.

[4] 段波，曾德榮，盧江.關于斜拉橋索力測定的分析[J].重慶交通學院學報，2005，24（4）：6-12.

[5] 盛宏玉，王國紅.短吊桿索力檢測中的若干問題及測試誤差分析[C].//中國力學學會結構工程專業委員會.第22屆全國結構工程學術會議論文集.第1冊.北京：工程力學雜志社， 2013：288-291.

[6] 張運波，林玉森，高偉.部分斜拉橋的索力測試與分析[J].鐵道標準設計，2005（5）：63-65.

[7] 王華，王龍林，施培華.一種橋梁拉索索力增量精確測量裝置：中國，202021535969.6[P].2020-07-29.

收稿日期：2023-10-30

作者簡介：劉開來（1980—），男，吉林松原人，本科，高級工程師，研究方向：道橋施工技術。