矮塔斜拉橋索力增量的精準(zhǔn)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?yàn)楣こ瘫尘埃靡环N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(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了該方法測試?yán)魉髁υ隽康倪m用性。

關(guān)鍵詞：矮塔斜拉橋；索力測試；應(yīng)變

中圖分類號：U448.27" " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)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(tài)是決定結(jié)構(gòu)是否處于正常狀態(tài)的主要因素，精確測量拉索索力對矮塔斜拉橋的施工和運(yùn)營至關(guān)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(huán)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(yīng)關(guān)系間接測量索力。該方法測試索力時(shí)，具有快速、方便、實(shí)用、可重復(fù)測試的特點(diǎn)，對于中長索精確度較高。然而，對于短索，現(xiàn)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(zhǔn)確測試出索力的變化[5，6]。

壓力表法依據(jù)拉索張拉時(shí)千斤頂?shù)膹埨y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(jià)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(yīng)用，但在國內(nèi)的應(yīng)用實(shí)例非常少。目前磁通量法在技術(shù)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(huán)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(jià)格昂貴，無法普及應(yīng)用。因此，尋找一種更精確、經(jīng)濟(jì)實(shí)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(yùn)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?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土箱梁塔斜拉橋，是塔梁固結(jié)、梁分離的六跨連續(xù)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(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，采用單箱三室變高度預(yù)應(yīng)力箱梁，混凝土標(biāo)號C55。

箱梁頂板寬28 m，設(shè)置2%雙向橫坡，頂板中間2.5 m 寬度為斜拉索區(qū)，單側(cè)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(jié)。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(qū)。全橋共設(shè)5×14對斜拉索，斜拉索采用Φs15.2的高強(qiáng)度低松弛矮塔斜拉橋配套體系環(huán)氧鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk為1 860 MPa。斜拉索張拉端設(shè)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(jié)體系，主梁采用掛籃懸臂現(xiàn)澆施工，單個(gè)中跨共劃分51個(gè)節(jié)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(guān)系，將傳統(tǒng)的直接測試?yán)髯冃无D(zhuǎn)化為測試連接桿變形，通過測試連接桿應(yīng)變片的應(yīng)變變化進(jìn)而得到拉索的應(yīng)變變化，然后通過簡單的拉索力學(xué)關(guān)系直接求出拉索索力[7]。

索力測試時(shí)，將索力測試儀的上、下夾緊環(huán)與待測拉索夾緊。由于傳力桿抗拉剛度遠(yuǎn)大于變形桿，當(dāng)拉索變形時(shí)，只有變形桿產(chǎn)生變形。若拉索索力增量為ΔF，計(jì)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(yīng)變。

此時(shí)，變形桿應(yīng)變εd和拉索應(yīng)變εc計(jì)算公式如式（2）所示。

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

由式（2）可以看出，由于Ld遠(yuǎn)小于Lc，變形桿上的應(yīng)變將遠(yuǎn)大于拉索上的應(yīng)變，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變放大，可以顯著提高測試精度。

3 索力測試結(jié)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(jù)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(shù)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(huán)間距離Lc為20 cm。為了驗(yàn)證本文索力測試裝置的可行性，在實(shí)橋中選取了3根拉索（第一索塔小樁號側(cè)拉索T2-1、T2-6、T2-12）測試其在施工過程中的索力變化。實(shí)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(jìn)行特殊的保護(hù)措施。

3.2 測試結(jié)果分析

待測試?yán)靼惭b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(shí)變形桿的應(yīng)變讀數(shù)為初始值，然后每一個(gè)施工階段記錄變形桿的應(yīng)變讀數(shù)，依據(jù)式（3）和（4）得到變形桿的應(yīng)變平均值，進(jìn)而通過式（2）得到當(dāng)前施工階段相對前一施工階段的拉索應(yīng)變增量，并依據(jù)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(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果比較，計(jì)算結(jié)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(shí)測值與索力增量理論值的誤差在整個(gè)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(tài)下拉索的索力變化，可用于橋梁施工階段及運(yùn)營階段的拉索索力狀態(tài)監(jiān)測。需注意：本方法只能測試?yán)鞯乃髁υ隽浚荒軠y量拉索的實(shí)際索力。

4 結(jié)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(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，得到以下結(jié)論：①該裝置構(gòu)造簡單，可以方便地在拉索任意部位安裝，不影響測試結(jié)果，且可以重復(fù)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(yīng)用效果。③本文方法可用于橋梁施工階段及運(yùn)營階段的拉索索力狀態(tài)監(jiān)測。

參考文獻(xiàn)

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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(shù)。