大跨度懸索橋索夾螺桿張力檢測與思考

何少陽

（中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京100088）

1 引言

隨著人們對橋梁養(yǎng)護(hù)工作重視程度的提高，橋梁構(gòu)件中一些隱含參數(shù)的檢測工作得到廣泛關(guān)注，索夾螺桿張力就是其中的一項。索夾螺桿張力出現(xiàn)嚴(yán)重的損失后，會導(dǎo)致主纜索夾不能有效抵抗吊索拉力引起的下滑力，最終導(dǎo)致索夾出現(xiàn)滑移。索夾滑移是懸索橋一項非常嚴(yán)重的病害，其會導(dǎo)致主纜線形發(fā)生變化，恢復(fù)難度極大，且索夾出現(xiàn)滑移后，會給主纜涂裝和吊索錨固系統(tǒng)帶來新的一系列問題。

《公路纜索結(jié)構(gòu)體系橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（征求意見稿）中指出，索夾螺桿軸力進(jìn)入運營期后，會因為車輛等荷載引起的纜索體系受力及線形變化、主纜內(nèi)鍍鋅鋼絲受壓蠕變或重新排列等原因持續(xù)下降，其損失最終將會導(dǎo)致索夾松動甚至滑移。索夾滑移會導(dǎo)致主纜內(nèi)力重分配，引起主體結(jié)構(gòu)線形變化，降低滑移處主纜密封性等病害，對懸索橋的結(jié)構(gòu)受力安全帶來嚴(yán)重影響。因此，加強(qiáng)索夾螺桿張力測試工作對于橋梁工程質(zhì)量有著重要的意義。

2 索夾滑移的典型病害及原因分析

2.1 索夾滑移典型病害

索夾出現(xiàn)不同程度的滑移現(xiàn)象，即索夾位置較原設(shè)計位置出現(xiàn)明顯移位，索夾與主纜涂層之間出現(xiàn)明顯的縫隙。如圖1所示。

圖1 索夾滑移

2.2 索夾滑移成因分析

根據(jù)目前的經(jīng)驗來講，索夾滑移的主要原因是螺桿力的損失。具體來講有如下原因：（1）橋梁通車后，車輛荷載逐步增加，主纜受力增大，纜徑變細(xì)；（2）懸索橋通車后，隨著荷載增大，主纜鋼絲進(jìn)行重新排布，孔隙率發(fā)生變化；（3）主纜纏絲形式不同會導(dǎo)致纏絲的緊密程度存在差異，導(dǎo)致索夾與主纜的實際接觸面積和壓緊程度不同，阻止索夾滑移的摩擦力未完全發(fā)揮效果；（4）索夾的構(gòu)造形式為左右對合和上下對合式，兩半索夾之間由橡膠密封帶來保證索夾的對合效果，密封帶的蠕變或老化也會導(dǎo)致螺桿力損失[1]。

除此之外，一些主觀的因素也不可忽略，如扶手繩立柱擋住了部分螺桿，導(dǎo)致其無法進(jìn)行測試補張；主纜上安裝的一些監(jiān)測通信設(shè)備導(dǎo)致索夾測試操作空間不足；人為測試補張施工的質(zhì)量差異大，也給懸索橋運營帶來了一些初始風(fēng)險。

3 索夾螺桿張力測試工藝

目前，索夾螺桿的測試主要是采用超聲波法，補張是采用手提式千斤頂進(jìn)行，主纜索夾螺桿的張拉步驟如下：

（1）首先對千斤頂進(jìn)行校驗，取得校驗報告，根據(jù)報告上的回歸方程分別計算出100 t噸位千斤頂?shù)?0%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%的壓力表的讀數(shù)；（2）拆除待張拉的螺桿端部的防護(hù)螺帽，在拆除的過程中注意防護(hù)螺桿的螺紋不能受到損傷；（3）清理干凈索夾表面的臟物后將墊板套入待張拉的螺桿；（4）套入螺母調(diào)節(jié)器，旋轉(zhuǎn)適宜角度，確保在調(diào)節(jié)螺母的過程中順利進(jìn)行；（5）將撐腳套入且保證撐腳處于螺桿的中心位置，不能有任何一邊碰到墊片和螺母，且調(diào)整撐腳的開口位置，保證其和螺母調(diào)節(jié)器一致；（6）將千斤頂套入后再將拉桿螺母旋進(jìn)且擰緊，保證其和千斤頂?shù)慕佑|緊密無縫隙；（7）將螺桿應(yīng)力測試儀的探頭放在螺桿端部的平面上，調(diào)整位置直至測試儀器信號顯示滿格為止；（8）接駁油泵和千斤頂之間的供油管和回油管，先試張拉確保油管不漏油，卸壓；（9）再次檢查（1）～（8）的安裝步驟，確保上述步驟正確無誤；（10）啟動油泵，按照10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%的10個級數(shù)緩慢供油，同時測試方也從0%起開始采集傳感器的數(shù)據(jù)；（11）在張拉到固定級數(shù)時記錄好螺桿應(yīng)力測試儀的讀數(shù)，每一級記錄一個讀數(shù)，直至達(dá)到設(shè)計夾緊力；（12）待張拉到設(shè)計張拉力并完成數(shù)據(jù)采集后，調(diào)整螺母進(jìn)行錨固；（13）拆除傳感器和張拉設(shè)備，重復(fù)上述步驟，進(jìn)行下一個螺桿的張拉；（14）對測試后螺桿的防護(hù)螺帽恢復(fù)到位且擰緊，擰緊的過程不能僅用人力扭動扳手，這樣很難達(dá)到補張效果，建議在人工擰緊的情況下用錘子敲擊扳手最外緣，使補張效果達(dá)到最佳[2]。

實際測試過程中采用超聲測試設(shè)備測試不同張拉噸位下超聲波在螺桿中傳播的聲時，從而得到不同張拉噸位下螺桿的長度，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到拐點位置，即螺桿現(xiàn)存張拉力值。

4 測試精度影響因素分析

目前，最常用的索夾螺桿張力測試方法是超聲法。超聲法測試過程中涉及的參數(shù)主要有測試頻率、測試波速和測試溫度，這些需要在測試之前進(jìn)行設(shè)定。除此之外，螺桿本身的應(yīng)力值、螺桿端部的出廠構(gòu)造都會對測試精度造成影響，具體分析如下。

4.1 測試頻率

在超聲法測螺桿長度時，所用探頭一般為縱波探頭，激發(fā)超聲頻率范圍一般為1～5 MHz，對應(yīng)超聲波長約在1～6 mm范圍內(nèi)，比螺桿直徑50 mm要低一個數(shù)量級。因此，在螺桿中傳播的超聲波無法形成導(dǎo)波，而以縱波的形式傳播。在此頻率范圍內(nèi)，低頻超聲能量傳播距離較遠(yuǎn)，但能量相對不聚焦，且易受噪聲干擾，反射波形可能會受到影響而不易識別。相比之下，高頻超聲能量相對聚焦，傳播的直線性強(qiáng)，因此其反射波形變形小，受噪聲干擾也小，但高頻超聲波衰減較快，傳播距離相對較近。在實際工程應(yīng)用中，超聲波的傳播距離還與激發(fā)設(shè)備的功率有關(guān)，通常現(xiàn)場設(shè)備均可保證2～3 m內(nèi)的檢測長度。

4.2 波速

螺桿長度的測量精度與2個因素相關(guān)：一是發(fā)射信號與回波信號的時間差Δt0，該參數(shù)取決于設(shè)備內(nèi)部的定時器，一般均可提供納秒級的時間精度，與波速相乘后，一般達(dá)到10-7m的分辨率；二是波速的設(shè)定，波速由材料彈性參數(shù)決定，而實際螺桿材料的彈性參數(shù)一般根據(jù)生產(chǎn)廠商提供的鋼材型號來確定，因各種原因，這些參數(shù)并不一定十分精確，導(dǎo)致無法精確估算螺桿中的超聲波速，從而導(dǎo)致螺桿的測量長度存在或大或小的誤差：波速估算過大，測量值比真實長度要大，波速估算過小，測量值比真實長度要小。實際測試過程中，通常根據(jù)測試構(gòu)件的材料特征調(diào)整波速大小，使誤差盡可能小[3]。

4.3 溫度

溫度在2個方面影響基于超聲的螺桿長度測量精度。其一，溫度變化會導(dǎo)致螺桿的物理長度伸長或縮短，假設(shè)測量時的溫度比參考溫度高，則測量的長度會比預(yù)期增大。其二，材料的彈性參數(shù)受溫度影響，會導(dǎo)致超聲波速變化，如溫度升高，鋼材的彈性模量降低，從而波速降低，超聲波走時變長。此時，還按原波速考慮，測量的長度也會比預(yù)期長度要長。因此，在實際工程檢測中不同測試時間時如果溫度不同，需要考慮溫度影響，進(jìn)行溫度補償。

4.4 螺桿端部影響

對于螺桿的精確長度測量，螺桿端部有如下影響：（1）端部平面與螺桿長度方向應(yīng)嚴(yán)格垂直，否則會導(dǎo)致超聲波傳播方向與螺桿長度方向存在夾角，一方面會使超聲波傳播距離變長，另一方面會導(dǎo)致超聲波在螺桿側(cè)面發(fā)生折射，影響信號質(zhì)量；（2）探頭在端部的放置位置需避開孔洞、不平位置，以達(dá)到超聲波能量最大傳遞率；（3）耦合劑的厚度也會對測量結(jié)果產(chǎn)生亞毫米級的影響，通常可以忽略。

綜合以上影響因素，實際測量過程中需要對測試設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，測試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而得到更加準(zhǔn)確的測試結(jié)果。

5 工程案例

目前，國內(nèi)橋梁養(yǎng)護(hù)工作者普遍開始重視索夾螺桿張力的測試和補張工作，對運營期橋梁定期開展索夾螺桿張力的測試工作，對于不滿足抗滑移要求的螺桿及時進(jìn)行補張工作；對建設(shè)期橋梁在不同的施工階段開展螺桿張力測試工作，一方面掌握施工期螺桿張力的損失規(guī)律，同時達(dá)到對施工過程中螺桿張力監(jiān)控的目的。如圖2所示。

圖2 某懸索橋施工期單根螺桿張力跟蹤測試結(jié)果

國內(nèi)某懸索橋，主跨900 m，索夾為左右對合式，2000年建成通車。橋梁建設(shè)階段就開展了部分索夾螺桿張力的跟蹤監(jiān)測工作，橋梁進(jìn)入運營期后一直未開展索夾螺桿測試工作，檢查過程中未發(fā)現(xiàn)索夾滑移情況，2020年橋梁運營滿20年后，運營單位開展了一次全橋索夾螺桿測試補張工作，并進(jìn)行了跟蹤復(fù)測。如圖3所示。

圖3 國內(nèi)某懸索橋運營期索夾螺桿初測和補張后復(fù)測結(jié)果對比

根據(jù)測試結(jié)果，上游索夾螺桿張拉力最大值299.2 kN，最小值182.8 kN，平均值237.0 kN；下游最大值282.4 kN，最小值173.1 kN，平均值223.5 kN。張拉力整體損失超過50%，嚴(yán)重的達(dá)到65%，未補張前索夾抗滑移存在安全隱患。

根據(jù)復(fù)測結(jié)果，復(fù)測索夾中張拉力最大值351.8 kN，最小值282.7 kN，平均值311.0 kN，補張后螺桿張力提升明顯，測試效果良好。

6 結(jié)語

根據(jù)測試結(jié)果，運營橋梁均出現(xiàn)明顯的索夾螺桿張力損失，嚴(yán)重的張力損失率超過50%。開展索夾張力測試及補張工作后，螺桿張力的損失速率明顯降低。不同橋梁由于索夾類型及主纜線形的不同，螺桿張力的損失規(guī)律存在一定的差異。

建議開通運營2年內(nèi)對索夾螺桿進(jìn)行分批定期抽測，跟蹤測試索夾螺桿的現(xiàn)存張拉力，掌握運營期橋梁螺桿張拉力損失的長期規(guī)律，指導(dǎo)運營期索夾養(yǎng)護(hù)。運營初期結(jié)束后，每5年進(jìn)行一次索夾螺桿力全面檢測，并對張拉力不滿足要求的索夾進(jìn)行補張。根據(jù)現(xiàn)場測試經(jīng)驗，施工單位在橋梁建設(shè)期開展索夾螺桿張拉工作時，存在很多的不確定因素，這些因素都為橋梁的運營埋下隱患，因此，開展建設(shè)期橋梁螺桿張力測試工作是很有必要的，一方面有利于建立全橋螺桿張力的初始軸力檔案，另一方面達(dá)到對施工過程螺桿張拉的監(jiān)控目的。建議交通運輸部門在橋梁建設(shè)相關(guān)文件中明確建設(shè)期索夾螺桿張力測試工作開展的必要性以及測試頻率，規(guī)范建設(shè)期橋梁索夾螺桿的張拉工作。