王志剛 費漢兵 單繼安

1 概述

現(xiàn)代斜拉索向輕質(zhì)、高強、操作簡便等方向發(fā)展，鋼絞線斜拉索具有:1)組成斜拉索的各根鋼絞線單根掛索、單根張拉;2)無需大型運輸和起吊設(shè)備;3)拉索安裝迅速、快捷、可靠度高;4)受施工環(huán)境、安裝時間限制小等特點，因此已被橋梁建設(shè)者們接受和認(rèn)可。

鋼絞線斜拉索掛索和張拉時，如鋼絞線束內(nèi)各絞線采用同一張拉索力，則后續(xù)張拉的鋼絞線使塔梁發(fā)生變形，使已張拉的鋼絞線索力發(fā)生變化，從而使各鋼絞線的索力產(chǎn)生偏差。美國PTI《斜拉索設(shè)計、試驗和安裝建議》中規(guī)定，各鋼絞線的最終索力和伸長值偏差應(yīng)控制在2.5%內(nèi)[1]。如何采取合適的控制措施，使鋼絞線單根張拉和調(diào)索后，整束拉索中各根鋼絞線內(nèi)力均勻，成為鋼絞線斜拉索施工中橋梁設(shè)計和建造者所關(guān)注的重要問題。

2 索力均衡控制的現(xiàn)有技術(shù)

國內(nèi)已成功應(yīng)用的鋼絞線斜拉索體系主要有VSL SSI 2000鋼絞線斜拉索體系、OVM250斜拉索體系等，其在索力均衡控制技術(shù)方面各有特點。

VSL SSI 2000鋼絞線斜拉索體系的核心SSI為Single Strand Installation的縮寫，即單根鋼絞線安裝。其核心思想為:根據(jù)事先編制好的軟件以及橋梁各參數(shù)值，計算出斜拉索中各鋼絞線的張拉力，軟件控制千斤頂進行逐根張拉。一般分兩階段進行:初張拉以索力控制為準(zhǔn)，二張以伸長值控制為準(zhǔn)，均采用單根鋼絞線張拉方式。

OVM250型鋼絞線斜拉索的施工方法，其主要分兩個步驟進行:采用單根張拉工藝進行初張拉，采用整體張拉工藝進行二張及后續(xù)的全橋調(diào)索[2-9]。

1)單根張拉。

對用于支撐HDPE護套管重量的幾根鋼絞線進行預(yù)張拉;在其后的一根鋼絞線上安裝傳感器，按設(shè)計張拉索力的平均值乘以計算的超張系數(shù)進行該鋼絞線的張拉;隨后的每根鋼絞線的張拉力按傳感器壓力變化差值進行控制。整束鋼絞線全部安裝完畢后，對預(yù)張拉和安裝傳感器的鋼絞線按傳感器最后顯示讀數(shù)進行補張拉。這種索力均衡控制方法被稱為“等張拉力法”或“等值張拉法”。

2)整體張拉。

在拉索的張拉端，依次安裝撐腳、連接套、張拉桿、穿心式千斤頂和螺母，按設(shè)計索力進行分級張拉。張拉到設(shè)計索力后，旋緊錨具螺母進行錨固。

3 索力均衡控制技術(shù)的關(guān)鍵問題

國內(nèi)鋼絞線斜拉索普遍采用“等張拉力法”進行索力均衡控制，對于其實際使用情況，存在以下幾點關(guān)鍵技術(shù)問題。

3.1 初張拉索力的確定

鋼絞線斜拉索采用單根張拉方式進行初張拉時，由于張拉后塔梁的位移，后張拉鋼絞線使同束中已張拉的鋼絞線索力呈非線性逐漸降低。為確保最后張拉的鋼絞線索力與設(shè)計張拉索力相同，必須對安裝傳感器的第一根鋼絞線(除為挺直HDPE護套管的數(shù)根預(yù)張拉鋼絞線外)確定其初張拉索力。一般，初張拉索力按設(shè)計張拉索力的平均值乘以超張系數(shù)來確定，即:

其中，Tm+1為第一根鋼絞線張拉力;k為超張拉系數(shù);Nn為整束鋼絞線張拉控制力;Nm為預(yù)張拉鋼絞線的張拉力之和;n為斜拉索中鋼絞線的總根數(shù);m為預(yù)張拉的鋼絞線根數(shù)。

式(1)中，m為挺直HDPE護套管而預(yù)張拉的鋼絞線根數(shù)，一般為1根～4根，視HDPE外套管尺寸和長度而定。其值可根據(jù)鋼絞線張拉至設(shè)計索力后的垂度fm1和鋼絞線預(yù)張拉后HDPE護套管的垂度fm2計算，使fm1≈fm2即可。fm可按式(2)計算求得:

其中，fm為鋼絞線或HDPE管的垂度;w為鋼絞線或外套HDPE管的鋼絞線的線密度;L為鋼絞線計算索長;T為鋼絞線的張拉力。

Nm為m根預(yù)張拉鋼絞線的張拉力之和，一般單根鋼絞線的預(yù)張拉力取設(shè)計索力的0.15倍～0.2倍。

式(1)中，k為超張拉系數(shù)。實際施工中，隨著鋼絞線的張拉，主梁和主塔分別產(chǎn)生豎向和水平位移，使塔梁兩錨點間鋼絞線長度變短，從而使鋼絞線索力發(fā)生變化。根據(jù)這一原理，推導(dǎo)k值計算公式。圖1為塔梁變位引起鋼絞線長度變化的示意圖。

圖1 鋼絞線長度變化示意圖

圖1中，A0和A1分別為拉索張拉前后梁上錨點位置;B0和B1分別為拉索張拉前后塔上錨點位置;L0和L1分別為拉索張拉前后長度;δA和δB分別為主梁豎向和主塔橫向位移;α和α'分別為張拉前后拉索仰角。

已知條件:L0，α，δA和δB，在不考慮溫度變化和垂度影響的條件下，采用幾何計算可推導(dǎo)出k值。

其中，δ=δAsinα +δBcosα;δA和 δB由監(jiān)控仿真計算給出;E 為鋼絞線的彈性模量;A為鋼絞線的截面面積;L0為鋼絞線計算索長;α為拉索的設(shè)計仰角。

需注意的是，所述“張拉力”實際上是張拉錨固后鋼絞線的內(nèi)力，即“錨固力”。對于索力較小的一張，夾片回縮損失較小，可認(rèn)為“張拉力”與“錨固力”相等;但對于索力較大的二張和調(diào)索，實際計算初張拉索力時，尚應(yīng)加上鋼絞線錨固過程中的夾片回縮損失。

3.2 “等張拉力法”中張拉力的控制

“等張拉力法”的重要指導(dǎo)思想是:在某根鋼絞線上安裝傳感器，當(dāng)后續(xù)鋼絞線張拉時，傳感器讀數(shù)下降，當(dāng)壓力表讀數(shù)與傳感器顯示變化值相同時，停止張拉并持荷錨固。采用此方法，在實際操作時有兩點需引起注意:

1)傳感器安裝于單孔工具錨和工作錨之間，其顯示的力值為鋼絞線的最終“錨固力”。而后續(xù)鋼絞線單根張拉時，配套油泵顯示的力值為鋼絞線的即時“張拉力”。當(dāng)鋼絞線錨固時，因鋼絞線和夾片內(nèi)縮的影響，“張拉力”與“錨固力”之間存在一定差值，該值對于索力較大、索長較短的拉索而言尤其明顯。

2)傳感器一般顯示單位為kN，在后續(xù)鋼絞線張拉時，其讀數(shù)在不斷變化。而千斤頂一般采用油壓表讀數(shù)，其顯示單位為MPa，張拉過程中其值也在不斷變化。對兩種儀表所反映的實際索力一致性的準(zhǔn)確判斷，是“等張拉力”法成功的關(guān)鍵。

3.3 二張和調(diào)索時的張拉方式

關(guān)于鋼絞線掛索初張拉后的二張及后續(xù)調(diào)索施工，是否有必要采用整體張拉工藝，一直是橋梁業(yè)主、設(shè)計者和施工單位關(guān)注的問題。采用整體張拉工藝進行二張和調(diào)索，其目的是:1)避免多次單根張拉影響夾片的錨固和夾持效果;2)避免影響各鋼絞線的索力均勻性。

工作夾片由合金鋼制作，在后張預(yù)應(yīng)力中所使用的工具錨夾片，在0.75σb的張拉應(yīng)力下，一般能重復(fù)使用100次以上;而斜拉索的張拉應(yīng)力一般僅為(0.4～0.5)σb，且夾片的反復(fù)夾持次數(shù)一般不超過10次。因此，若工作夾片設(shè)計合理、加工控制嚴(yán)格，應(yīng)不會產(chǎn)生因多次反復(fù)張拉而影響其錨固夾持效果的問題。

既然鋼絞線掛索時的初張拉采用“等張拉力法”，能使各鋼絞線索力偏差控制在規(guī)定范圍內(nèi)，并被認(rèn)可。那么二張和調(diào)索時，采取相同的索力控制方法，仍應(yīng)能保證各鋼絞線在單根張拉結(jié)束后的索力均勻性。因此，采用整體張拉工藝對鋼絞線斜拉索進行二張和調(diào)索，增加了設(shè)備和人力投入，與鋼絞線拉索施工快捷、輕便的原則相違背，是不經(jīng)濟和不必要的。

4 結(jié)語

通過對鋼絞線斜拉索的索力均衡控制的現(xiàn)有技術(shù)的分析，指出了目前國內(nèi)常用的索力均衡控制方法——“等張拉力法”的不足，對其關(guān)鍵問題進行了探討。

1)給出了單根鋼絞線張拉時初張拉索力的推導(dǎo)過程和計算公式;2)提出了對現(xiàn)有張拉設(shè)備的改造方案以更準(zhǔn)確地控制鋼絞線的張拉力;3)對斜拉索的二張和調(diào)索時采用整體張拉工藝的經(jīng)濟性和必要性提出質(zhì)疑，指出采用單根張拉方式可使斜拉索中各鋼絞線索力的均勻性達到設(shè)計和規(guī)范要求。

[1]美國后張協(xié)會，斜拉索的設(shè)計、測試和安裝指南[S].

[2]瞿曉華，韋福堂.安慶長江公路大橋斜拉索安裝施工工藝[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2006(5):28-31.

[3]瞿曉華，黎兆亮.灌河特大橋斜拉索安裝施工工藝[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2007(4):8-11.

[4]王 俊.金江金沙江大橋平行鋼絞線斜拉索安裝技術(shù)[J].工程科技，2007(1):15-20.

[5]冷雪浩，林樂強，黃偉東.平行鋼絞線斜拉索單根鋼絞線張拉過程中的索力控制[J].北方交通，2008(1):83-84.

[6]顧祥封.五河口特大橋鋼絞線斜拉索的設(shè)計與施工[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2006(2):51-54.

[7]王進軍.鐘樓大橋斜拉索施工方法[J].交通工程建設(shè)，2007(4):19，59-62.

[8]唐頂峰，陳雙慶.安康七里溝漢江大橋環(huán)氧鋼絞線斜拉索安裝工藝[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2009(2):23-27.

[9]方衛(wèi)東，謝志恒，甘 科，等.株洲湘江四橋部分斜拉橋拉索安裝工藝[J].公路與汽運，2008(3):159-161，182.