鋼絞線斜拉索施工階段索力監測研究

毛建平，覃樂勤

（廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530011）

0 引言

拉索作為索結構橋梁的主要傳力及受力構件，一直是該類橋施工監控及運營期維護的關注重點，拉索索力的大小直接影響結構受力及安全。鋼絞線斜拉索近年來被廣泛應用于大型索結構橋梁，其具有安裝快捷、施工便利等優點，本文所依托的廣西來賓市永鑫大橋即采用了這種拉索形式。

鋼絞線斜拉索采用單根鋼絞線掛索單根張拉的施工方式，對該類索結構索力的控制包括兩方面：（1）每根鋼絞線受力的均勻性控制；（2）整索索力大小的控制。施工控制的前提為監測，鋼絞線斜拉索因其結構及施工的特殊性，在施工階段的索力監測過程，與傳統的成品拉索有所不同。

本文結合工程實踐，對該類索結構的索力監測進行了研究。

1 工程概況

來賓市永鑫大橋主橋為雙塔單索面預應力混凝土矮塔斜拉橋，采用塔、墩、梁固結體系，跨徑布置為（99＋180＋99）m，主橋全寬34.0m。見圖1。永鑫大橋斜拉索呈扇形布置，橫橋向布置在中央分隔帶上，共布置兩排。斜拉索采用55－φs15.2環氧全噴涂鋼絞線，鋼絞線股依次穿過索塔鞍座分絲管后錨固于主梁上，斜拉索構造及斷面圖見圖2。

圖2 斜拉索構造及斷面圖

2 斜拉索索力常用測試方法

常用的索力測試方法主要有：振動頻率法、油壓表讀數法和傳感器測試法，其優缺點分析如下：

振動頻率法主要通過測試索結構的振動，間接計算結構索力。該方法操作方便、適合長期監測。但由于是間接測試方法，其所測索力結果的準確性，受斜拉索的質量、剛度、長度、垂度等參數取值的影響。

油壓表讀數法主要通過標定儀表測試千斤頂油壓的方法來監測斜拉索張拉力。該方法適用于斜拉索施工階段。但由于受到錨具變形、千斤頂摩阻力及人為操作誤差等因素的影響，該方法也存在一定的誤差。

傳感器測試法主要通過錨下預埋壓力傳感器直接讀數獲取結構索力。該方法精度較高，適合長期監測。但其成本高，且需注意其長期穩定性。

3 鋼絞線斜拉索索力監測

3.1 基本思路

鋼絞線斜拉索由多根鋼絞線組成，其索力由組成索的各根鋼絞線拉力提供，因此對該類索的索力測試應該包括整索索力測試和單根鋼絞線的拉力測試兩方面。以上兩部分內容的測試，可準確把握鋼絞線斜拉索的索力狀態，為斜拉橋施工過程中的索力控制提供有效的控制手段。

來賓市永鑫大橋每根斜拉索由55根鋼絞線組成，拉索施工控制要求：（1）控制每根斜拉索各根鋼絞線的拉力離散誤差不大于理論值的±3%；（2）斜拉索整索索力誤差不大于設計索力的±5%。

3.2 單根鋼絞線拉力均勻性監測

鋼絞線斜拉索采用單根鋼絞線掛索單根張拉的施工方式，每根斜拉索的張拉均會導致塔、梁變形及錨具變形，從而導致先前張拉的鋼絞線松弛及索力變小。如每根鋼絞線按照總索力平均的等值張拉，勢必會造成實際施工索力與理論不符的情況，達不到控制精度要求。

為彌補后續張拉鋼筋線對已張拉鋼筋拉力的影響，可考慮對前期張拉的鋼絞線進行適當的超張拉。以保證其超張拉力在后期鋼絞線張拉過程逐漸抵消，直至最后一根鋼絞線張拉完成后，所有鋼絞線的拉力均勻且各鋼絞線合力與理論索力值基本相等。

根據以上思路，采用逆推法可算得每根鋼絞線的張拉力值，其計算原理為：最后一根鋼絞線索力值為平均索力，將鋼絞線張拉過程引起的塔、梁變形以及錨具變形等分配到每一次的張拉過程，通過多次迭代可計算出每根鋼絞線的張拉力。該方法初始化計算式如下：

P張拉力：實際單根控制初張力；

P平均：監控指令單根控制初張索力；

P1：夾片回縮影響索力；

P2：橋面位移影響索力；

P3：塔柱位移影響索力；

P4：錨具、混凝土壓縮影響索力；

P5：垂度差影響。

來賓市永鑫大橋斜拉索單根鋼絞線拉力均勻性監測依據上述方法進行，主要通過在拉索中選3根鋼絞線安裝壓力傳感器，測試其拉力值。結果見下頁表1。壓力傳感器安裝示意見下頁圖3。

表1 單根鋼絞線拉力均勻性分析表

圖3 壓力傳感器安裝示意圖

從表1可以看出，初張拉完成后索力均勻性較好。所取4根斜拉索中，同根索各鋼絞線最大相對誤差為1.98%。同根索單根鋼絞線拉力與目標值最大誤差為－1.87%，結果可以滿足施工控制的精度要求。

3.3 張拉完成后整索索力監測

單根鋼絞線張拉完，形成整束斜拉索后，整索的索力監測可采用振動頻率法，通過對影響振動頻率法測試精度的因素進行分析及修正可保證監測結果準確、可靠。其主要原理及應用如下。

3.3.1 頻率法測試斜拉索索力

假設斜拉索為兩端鉸支受拉直梁，且忽略索的垂度及阻尼效應，可得到索力與其自振頻率的關系：

兩端在鉸支情況下的斜拉索索力計算式：

式中：EI——斜拉索抗彎剛度；

m ——索的線密度；

L ——斜拉索的計算長度；

fn——斜拉索的第n階自振頻率。

對于柔性索，可簡化為：

3.3.2 頻率法測拉索索力的影響因素

由頻率法測定拉索索力的原理可知，拉索索力主要通過拉索固有頻率來估算，拉索固有頻率又受到抗彎剛度、邊界條件及垂度等因素的影響，故需對各影響因素進行分析，以達到降低誤差的目的。

（1）拉索抗彎剛度的影響

對于長度較短、剛度較大的鋼絞線斜拉索，其抗彎剛度的影響不宜忽略。由式（3）可知，剛度產生的誤差為：

由式（5）可知，當索的剛度及長度固定的情況下，誤差值與振動頻率的階數平方成正比，故要使誤差盡可能小，宜采用低階頻率，最好是第1階頻率。

另一種方法是通過迭代法消去公式中的EI，用兩階（下式中的n階和k階）固有頻率表示拉索索力，如式（6）所示：

消去EI可得：

（2）邊界條件的影響

上述公式推導建立在拉索兩端鉸支的基礎上，而實際施工過程，斜拉索通過錨固系統錨固于結構物，其受力狀態更接近于固結作用。當按固結作用分析時，其頻率方程為：

式（8）計算復雜，不能得到頻率的顯式，故一般均采用簡化公式計算。長索柔度大，可忽略邊界的影響。短索剛度大，不可忽略邊界的影響。對邊界條件的影響修正參數主要為拉索計算長度。扣除錨固區影響較大區段長度可作為拉索實際計算長度。一般采用索端錨固點距離與兩端連接筒長度之差作為索的振動長度，用簡化計算索力足以反映實際情況，可滿足現場施工精度要求。

（3）拉索垂度的影響

拉索垂度的影響主要由自重產生，國內外對拉索垂度對斜拉索索力的影響進行了大量研究，目前普遍認為拉索垂度對基頻的影響較大，對于4階及以上的振動頻率影響較小。故為了避免拉索垂度對測試結果的影響，可采用高階頻率換算基頻或通過偏差計算索力。

3.3.3 結果分析

采用索力動測儀對本橋每根拉索振動頻率進行測試，并按上述方法對索力計算影響因素進行分析及修正，得到本橋張拉完成后各索張拉索力值，與設計張拉索力值進行比較見表2。

表2 斜拉索張拉索力測試結果與理論值比較表

由表2可以看出：施工單位完成單根鋼絞線張拉后，整索索力與設計值相比，誤差最大為2.00%。滿足施工監控要求，達到了預期斜拉索索力控制目標。

在成橋后對全橋拉索索力進行了復測，其結果與理論值比較見表3。

表3 斜拉索成橋索力測試結果與理論值比較表

由表3可以看出：成橋后8＃墩處各斜拉索的索力實測值與理論值基本一致，最大偏差為3.49%，滿足施工質量控制要求。

4 結語

（1）針對鋼絞線斜拉索結構及施工特點，對該類斜拉索的監控應包括整索索力監測和單根鋼絞線的拉力監測兩方面。

（2）依托來賓市永鑫大橋施工監控項目，提出采用壓力傳感器測試單根鋼絞線張拉力的均勻性及采用頻率法測試整索索力大小的監控方法，并對頻率法測試拉索索力的影響因素進行了分析及修正，實際應用表明測試精度較高，能夠滿足施工質量控制要求，可為該類結構的斜拉索索力監測工作提供參考。

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