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        獨(dú)塔不對(duì)稱斜拉橋拉索索力施工監(jiān)控研究

        2022-04-13 11:40:48劉陳韜李新生賈春鑫周蘇許佳偉
        公路與汽運(yùn) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:索索成橋索力

        劉陳韜, 李新生, 賈春鑫, 周蘇, 許佳偉

        (蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215011)

        斜拉橋?qū)儆诟叽纬o定結(jié)構(gòu),施工過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形不斷變化,為確保成橋后線形、內(nèi)力符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求,施工中必須對(duì)斜拉橋進(jìn)行全過程應(yīng)力、變形監(jiān)控。拉索索力大小直接影響橋塔、主梁等結(jié)構(gòu)內(nèi)力及主梁線形,索力測(cè)試是斜拉橋重要監(jiān)控項(xiàng)目之一。索力測(cè)量方法主要有油壓千斤頂法、壓力傳感器測(cè)定法、頻率法、磁通量法、光纖光柵法。油壓千斤頂法直接張拉拉索,其示值即為拉索索力,理論上是最準(zhǔn)確的方法。頻率法是目前工程中最常使用的方法,它根據(jù)拉索自振頻率與索力之間的關(guān)系推算索力,優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試方法簡(jiǎn)單、快速,不僅能用于拉索張拉過程索力測(cè)量,還可用于施工后復(fù)測(cè)等。這2種方法配合使用可使索力測(cè)試簡(jiǎn)化、測(cè)試結(jié)果趨于精準(zhǔn)。磁通量法、光纖光柵法也能較準(zhǔn)確地測(cè)量拉索索力,但大量應(yīng)用于工程實(shí)踐中還少見。運(yùn)用頻率法測(cè)試結(jié)果換算實(shí)際索力時(shí),需精確測(cè)得拉索的振動(dòng)頻率、識(shí)別拉索的計(jì)算長(zhǎng)度與抗彎剛度等特性參數(shù)。其中拉索計(jì)算長(zhǎng)度對(duì)索力計(jì)算結(jié)果的影響最大,需通過多次拉索錨下千斤頂張拉力與按頻率法換算索力值的對(duì)比,才能識(shí)別拉索的計(jì)算長(zhǎng)度,進(jìn)而剔除抗彎剛度對(duì)索力的影響。該文通過對(duì)蘇州市城北大道跨京杭大運(yùn)河的一座獨(dú)塔斜拉橋的施工監(jiān)控實(shí)踐,研究斜拉橋索力測(cè)試與監(jiān)測(cè)方法。

        1 工程概況

        蘇州城北路改建工程跨京杭大運(yùn)河的長(zhǎng)滸大橋輔道橋?yàn)楠?dú)塔不對(duì)稱單索面斜拉橋,主跨104 m,邊跨75 m。主梁為單箱雙室斜腹板箱梁截面,頂板寬19 m,設(shè)1.5%單向橫坡,主梁采用C50砼,縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。主跨采用復(fù)合牽索掛籃懸臂澆筑,邊跨采用滿堂支架整體現(xiàn)澆。索塔采用寶塔形結(jié)構(gòu),分為上塔柱、中塔柱、下塔柱和下橫梁,采用C50砼。索塔總高69.457 m,橋面以上高度為56 m,中、下塔柱橫橋向外側(cè)面的斜率分別為1/2.5、1/2.341。中、上塔柱采用空心箱形斷面,下塔柱采用實(shí)心斷面,上塔柱為單箱雙室截面,中、下塔柱為不對(duì)稱單箱單室截面。中塔柱與下塔柱相交處設(shè)置一道3 m×3 m橫梁。

        全橋共設(shè)置24對(duì)斜拉索,平行布置于中央分隔帶內(nèi),每對(duì)拉索由橫向間距為1.4 m的2根拉索組成。每對(duì)拉索均從索塔根部向兩側(cè)依次編號(hào),主跨拉索編號(hào)為C01~C12,邊跨拉索編號(hào)為C01′~C12′;邊跨拉索C06′~C12′在主梁上錨固點(diǎn)的間距為3.5 m,其余拉索均為7 m,在索塔上錨固點(diǎn)的豎向間距均為1.8 m(見圖1)。拉索采用雙層熱擠PE護(hù)套半平行鋼絲索體系,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa,彈性模量為1.95×105MPa。每根拉索兩端預(yù)埋鋼管內(nèi)均設(shè)置體內(nèi)減振器。

        圖1 斜拉橋拉索布置示意圖

        2 成橋索力與施工索力優(yōu)化

        2.1 成橋索力優(yōu)化

        根據(jù)文獻(xiàn)[3],可利用滿足結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)變能最小的原理得到斜拉橋拉索最優(yōu)成橋索力,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]為索力對(duì)單元左、右端彎矩的影響矩陣;[B]為彎矩影響系數(shù)矩陣;{T}為施調(diào)索力向量;[ML0]、[MR0]為調(diào)索前單元左、右端彎矩向量。

        選取斜拉索與主梁連接處單元的左右端彎矩為受調(diào)向量,依據(jù)式(1)得到索力優(yōu)化初步結(jié)果。優(yōu)化結(jié)果中存在部分索力不合理的現(xiàn)象,需再根據(jù)索塔頂端順橋向位移不超過10 mm的約束條件對(duì)索力結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果見表1。按照這一原則得到的最終索力與設(shè)計(jì)索力誤差均在±5%以內(nèi)。

        表1 長(zhǎng)滸大橋拉索成橋索力優(yōu)化結(jié)果

        2.2 施工索力優(yōu)化

        根據(jù)成橋索力優(yōu)化終值,結(jié)合擬定的施工順序,采用倒拆法確定施工過程初始索力終值(見表2)。

        表2 拉索施工過程初始索力終值

        3 施工過程索力分批張拉控制

        在節(jié)段砼懸臂施工中,由于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段砼自重過大,如果節(jié)段澆筑完后再?gòu)埨髁?,?huì)導(dǎo)致掛籃主要受力構(gòu)件應(yīng)力達(dá)到±334 MPa,遠(yuǎn)超材料的允許值,且掛籃前端變形達(dá)11.4 cm,大大超過變形控制要求,對(duì)成橋線形控制非常不利。

        為確保施工中掛籃結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、內(nèi)力符合規(guī)范要求、前端變形不過大(不超過2 cm),使主梁應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求、成橋線形盡可能平順,各節(jié)段砼(0#節(jié)段除外)分3個(gè)階段澆筑:1) 節(jié)段箱梁底板砼澆筑;2) 節(jié)段箱梁腹板和橫隔板砼澆筑;3) 節(jié)段箱梁頂板砼澆筑。每個(gè)階段砼澆筑前張拉1次索力,其中:第1次張拉為掛籃就位后;第2、第3、第4次張拉分別對(duì)應(yīng)3個(gè)階段砼澆筑結(jié)束之前,采取邊施工邊張拉的方式;第5次張拉為階段砼強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后。需合理確定張拉批次與索力大小,表3為施工過程初始索力終值。

        表3 斜拉索施工過程索力 kN

        4 施工過程索力參數(shù)識(shí)別與監(jiān)測(cè)

        4.1 索力測(cè)量公式

        目前斜拉橋拉索索力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量基本采用動(dòng)測(cè)法,索力計(jì)算公式采用兩端鉸支的索力測(cè)量公式:

        (2)

        式中:T為索力;m為拉索單位長(zhǎng)度質(zhì)量;l為拉索計(jì)算長(zhǎng)度;fn為拉索第n階自振頻率;n為拉索自振頻率的階數(shù);EI為拉索抗彎剛度。

        一般拉索實(shí)際錨固狀態(tài)處于鉸支與固支之間,采用式(2)計(jì)算的索力與實(shí)際索力存在一定誤差,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)拉索的自振頻率一般采用1階基頻,而索力計(jì)算公式中的其他參數(shù)需進(jìn)行一一識(shí)別,如拉索單位長(zhǎng)度質(zhì)量、拉索計(jì)算長(zhǎng)度及抗彎剛度對(duì)索力的影響等。為提高索力測(cè)試精度,引入修正系數(shù)k1,通過與千斤頂張拉時(shí)油壓表示值對(duì)比確定每根拉索的最終索力計(jì)算公式:

        (3)

        4.2 拉索單位長(zhǎng)度質(zhì)量識(shí)別

        對(duì)該項(xiàng)目涉及的5種型號(hào)成品索在工廠分別隨機(jī)截取長(zhǎng)度不小于0.5 m的3段進(jìn)行稱重,取其平均值,結(jié)果見表4。

        表4 拉索質(zhì)量

        4.3 張拉設(shè)備校驗(yàn)

        拉索張拉采用液壓穿心式拉伸設(shè)備,它由油壓千斤頂和配套的高壓油泵、壓力表及外接油管等組成。由于每臺(tái)千斤頂液壓配合面實(shí)際尺寸和表面粗糙度不同、密封圈和防塵圈松緊程度不同,不同千斤頂?shù)膬?nèi)摩阻力不同,而且摩阻會(huì)隨油壓高低和使用時(shí)間而改變,需定期對(duì)千斤頂和配套的油壓表、油管及油泵進(jìn)行校驗(yàn),減少累計(jì)誤差,提高張拉控制力精度。該橋共采用4臺(tái)YC400×200油壓配套千斤頂進(jìn)行拉索張拉,初次使用前采用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行校驗(yàn),根據(jù)千斤頂所測(cè)作用力和油壓進(jìn)行線性回歸,利用最小二乘法原理求得回歸方程(見表5)。

        表5 千斤頂校驗(yàn)回歸分析結(jié)果

        4.4 拉索索力計(jì)算參數(shù)識(shí)別

        由表6可知:索長(zhǎng)較小時(shí),實(shí)測(cè)修正系數(shù)k1較小,隨著索長(zhǎng)的增大,k1值逐漸增大,初始變化幅度較快,后期變化幅度變緩,總體呈冪函數(shù)曲線形式變化。故采用冪函數(shù)對(duì)k1值進(jìn)行擬合,結(jié)果見圖2,擬合公式見式(4)。相關(guān)性系數(shù)R2=0.992 3,擬合曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果有較高擬合度,式(4)可直接用于后續(xù)階段索力測(cè)試。

        表6 全橋拉索索力參數(shù)識(shí)別結(jié)果

        圖2 索力測(cè)試公式修正系數(shù)k1與無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)的擬合關(guān)系曲線

        (4)

        4.5 成橋階段索力監(jiān)測(cè)

        成橋階段索力調(diào)整中,以成橋索力為目標(biāo)值,按指定的張拉順序進(jìn)行拉索張拉,根據(jù)前述修正公式確定是否張拉到位,并以錨下張拉力進(jìn)行檢驗(yàn)。最終實(shí)測(cè)索力與目標(biāo)索力對(duì)比見表7。從表7可看出:實(shí)測(cè)索力與目標(biāo)索力的誤差均在±5%以內(nèi)。

        表7 成橋索力實(shí)測(cè)值與目標(biāo)索力對(duì)比

        續(xù)表7

        5 結(jié)論

        (1) 斜拉橋監(jiān)控中需對(duì)設(shè)計(jì)成橋索力、施工階段索力進(jìn)行復(fù)核與優(yōu)化。

        (2) 采用懸臂施工的預(yù)應(yīng)力砼斜拉橋,一般標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段較長(zhǎng),質(zhì)量較重,砼澆筑中應(yīng)進(jìn)行分階段分批索力張拉,以確保成橋線形符合設(shè)計(jì)要求。

        (3) 拉索索力監(jiān)測(cè)不能簡(jiǎn)單地套用理論公式進(jìn)行實(shí)橋測(cè)試,必須進(jìn)行索力公式中相關(guān)參數(shù)識(shí)別、修正,以提高測(cè)試精度。

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