独塔不对称斜拉桥拉索索力施工监控研究

刘陈韬， 李新生， 贾春鑫， 周苏， 许佳伟

(苏州科技大学 土木工程学院， 江苏 苏州 215011)

斜拉桥属于高次超静定结构，施工过程中结构应力、变形不断变化，为确保成桥后线形、内力符合设计和规范要求，施工中必须对斜拉桥进行全过程应力、变形监控。拉索索力大小直接影响桥塔、主梁等结构内力及主梁线形，索力测试是斜拉桥重要监控项目之一。索力测量方法主要有油压千斤顶法、压力传感器测定法、频率法、磁通量法、光纤光栅法。油压千斤顶法直接张拉拉索，其示值即为拉索索力，理论上是最准确的方法。频率法是目前工程中最常使用的方法，它根据拉索自振频率与索力之间的关系推算索力，优点是测试方法简单、快速，不仅能用于拉索张拉过程索力测量，还可用于施工后复测等。这2种方法配合使用可使索力测试简化、测试结果趋于精准。磁通量法、光纤光栅法也能较准确地测量拉索索力，但大量应用于工程实践中还少见。运用频率法测试结果换算实际索力时，需精确测得拉索的振动频率、识别拉索的计算长度与抗弯刚度等特性参数。其中拉索计算长度对索力计算结果的影响最大，需通过多次拉索锚下千斤顶张拉力与按频率法换算索力值的对比，才能识别拉索的计算长度，进而剔除抗弯刚度对索力的影响。该文通过对苏州市城北大道跨京杭大运河的一座独塔斜拉桥的施工监控实践，研究斜拉桥索力测试与监测方法。

1 工程概况

苏州城北路改建工程跨京杭大运河的长浒大桥辅道桥为独塔不对称单索面斜拉桥，主跨104 m，边跨75 m。主梁为单箱双室斜腹板箱梁截面，顶板宽19 m，设1.5%单向横坡，主梁采用C50砼，纵、横、竖三向预应力体系。主跨采用复合牵索挂篮悬臂浇筑，边跨采用满堂支架整体现浇。索塔采用宝塔形结构，分为上塔柱、中塔柱、下塔柱和下横梁，采用C50砼。索塔总高69.457 m，桥面以上高度为56 m，中、下塔柱横桥向外侧面的斜率分别为1/2.5、1/2.341。中、上塔柱采用空心箱形断面，下塔柱采用实心断面，上塔柱为单箱双室截面，中、下塔柱为不对称单箱单室截面。中塔柱与下塔柱相交处设置一道3 m×3 m横梁。

全桥共设置24对斜拉索，平行布置于中央分隔带内，每对拉索由横向间距为1.4 m的2根拉索组成。每对拉索均从索塔根部向两侧依次编号，主跨拉索编号为C01～C12，边跨拉索编号为C01′～C12′；边跨拉索C06′～C12′在主梁上锚固点的间距为3.5 m，其余拉索均为7 m，在索塔上锚固点的竖向间距均为1.8 m(见图1)。拉索采用双层热挤PE护套半平行钢丝索体系，设计标准强度为1 670 MPa，弹性模量为1.95×105MPa。每根拉索两端预埋钢管内均设置体内减振器。

图1 斜拉桥拉索布置示意图

2 成桥索力与施工索力优化

2.1 成桥索力优化

根据文献[3]，可利用满足结构弯曲应变能最小的原理得到斜拉桥拉索最优成桥索力，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]为索力对单元左、右端弯矩的影响矩阵；[B]为弯矩影响系数矩阵；{T}为施调索力向量；[ML0]、[MR0]为调索前单元左、右端弯矩向量。

选取斜拉索与主梁连接处单元的左右端弯矩为受调向量，依据式(1)得到索力优化初步结果。优化结果中存在部分索力不合理的现象，需再根据索塔顶端顺桥向位移不超过10 mm的约束条件对索力结果进行优化，结果见表1。按照这一原则得到的最终索力与设计索力误差均在±5%以内。

表1 长浒大桥拉索成桥索力优化结果

2.2 施工索力优化

根据成桥索力优化终值，结合拟定的施工顺序，采用倒拆法确定施工过程初始索力终值(见表2)。

表2 拉索施工过程初始索力终值

3 施工过程索力分批张拉控制

在节段砼悬臂施工中，由于一个标准节段砼自重过大，如果节段浇筑完后再张拉索力，会导致挂篮主要受力构件应力达到±334 MPa，远超材料的允许值，且挂篮前端变形达11.4 cm，大大超过变形控制要求，对成桥线形控制非常不利。

为确保施工中挂篮结构稳定、内力符合规范要求、前端变形不过大(不超过2 cm)，使主梁应力符合设计要求、成桥线形尽可能平顺，各节段砼(0#节段除外)分3个阶段浇筑：1) 节段箱梁底板砼浇筑；2) 节段箱梁腹板和横隔板砼浇筑；3) 节段箱梁顶板砼浇筑。每个阶段砼浇筑前张拉1次索力，其中：第1次张拉为挂篮就位后；第2、第3、第4次张拉分别对应3个阶段砼浇筑结束之前，采取边施工边张拉的方式；第5次张拉为阶段砼强度达到设计强度的80%后。需合理确定张拉批次与索力大小，表3为施工过程初始索力终值。

表3 斜拉索施工过程索力 kN

4 施工过程索力参数识别与监测

4.1 索力测量公式

目前斜拉桥拉索索力现场测量基本采用动测法，索力计算公式采用两端铰支的索力测量公式：

(2)

式中：T为索力；m为拉索单位长度质量；l为拉索计算长度；fn为拉索第n阶自振频率；n为拉索自振频率的阶数；EI为拉索抗弯刚度。

一般拉索实际锚固状态处于铰支与固支之间，采用式(2)计算的索力与实际索力存在一定误差，现场测试时拉索的自振频率一般采用1阶基频，而索力计算公式中的其他参数需进行一一识别，如拉索单位长度质量、拉索计算长度及抗弯刚度对索力的影响等。为提高索力测试精度，引入修正系数k1，通过与千斤顶张拉时油压表示值对比确定每根拉索的最终索力计算公式：

(3)

4.2 拉索单位长度质量识别

对该项目涉及的5种型号成品索在工厂分别随机截取长度不小于0.5 m的3段进行称重，取其平均值，结果见表4。

表4 拉索质量

4.3 张拉设备校验

拉索张拉采用液压穿心式拉伸设备，它由油压千斤顶和配套的高压油泵、压力表及外接油管等组成。由于每台千斤顶液压配合面实际尺寸和表面粗糙度不同、密封圈和防尘圈松紧程度不同，不同千斤顶的内摩阻力不同，而且摩阻会随油压高低和使用时间而改变，需定期对千斤顶和配套的油压表、油管及油泵进行校验，减少累计误差，提高张拉控制力精度。该桥共采用4台YC400×200油压配套千斤顶进行拉索张拉，初次使用前采用压力试验机进行校验，根据千斤顶所测作用力和油压进行线性回归，利用最小二乘法原理求得回归方程(见表5)。

表5 千斤顶校验回归分析结果

4.4 拉索索力计算参数识别

由表6可知：索长较小时，实测修正系数k1较小，随着索长的增大，k1值逐渐增大，初始变化幅度较快，后期变化幅度变缓，总体呈幂函数曲线形式变化。故采用幂函数对k1值进行拟合，结果见图2，拟合公式见式(4)。相关性系数R2=0.992 3，拟合曲线与实测结果有较高拟合度，式(4)可直接用于后续阶段索力测试。

表6 全桥拉索索力参数识别结果

图2 索力测试公式修正系数k1与无应力索长的拟合关系曲线

(4)

4.5 成桥阶段索力监测

成桥阶段索力调整中，以成桥索力为目标值，按指定的张拉顺序进行拉索张拉，根据前述修正公式确定是否张拉到位，并以锚下张拉力进行检验。最终实测索力与目标索力对比见表7。从表7可看出：实测索力与目标索力的误差均在±5%以内。

表7 成桥索力实测值与目标索力对比

续表7

5 结论

(1) 斜拉桥监控中需对设计成桥索力、施工阶段索力进行复核与优化。

(2) 采用悬臂施工的预应力砼斜拉桥，一般标准节段较长，质量较重，砼浇筑中应进行分阶段分批索力张拉，以确保成桥线形符合设计要求。

(3) 拉索索力监测不能简单地套用理论公式进行实桥测试，必须进行索力公式中相关参数识别、修正，以提高测试精度。