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悬索桥索夹螺杆张拉施工控制技术研究与应用

时间:2020年08月24日 所属分类:科学技术论文 点击次数:

摘 要:为提高悬索桥索夹螺杆张拉施工的质量与效率,在传统螺杆张拉工艺基础上,提出增加螺母转角作为额外的辅助控 制参量,优先考虑同步张拉工艺,采用超声技术测量螺杆的张拉回缩损失进而修正施工荷载再完成张拉,以及适度增加有效 稳压持荷时间的索夹螺杆

  摘 要:为提高悬索桥索夹螺杆张拉施工的质量与效率,在传统螺杆张拉工艺基础上,提出增加螺母转角作为额外的辅助控 制参量,优先考虑同步张拉工艺,采用超声技术测量螺杆的张拉回缩损失进而修正施工荷载再完成张拉,以及适度增加有效 稳压持荷时间的索夹螺杆张拉施工控制技术。将该技术在五峰山长江大桥进行验证测试和应用,现场结果表明:采用转角辅 助张拉能够有效提高螺杆紧固质量,螺杆平均轴力提高到941.0kN;同步张拉避免了轴力重分配造成的轴力损失;修正施工 荷载使得螺杆轴力控制偏差不超过5%;稳压持荷大幅加快了主缆的收缩速度;采用该技术进行吊装主梁前的全桥螺杆张拉, 抽检轴力均值达到940kN,超出设计轴力170kN,实现了悬索桥索夹螺杆的高质量、高效率紧固施工。

  关键词:悬索桥;索夹螺杆;转角;同步张拉;超声检测;回缩损失;稳压持荷;施工控制

桥梁建设

  1 引 言

  索夹是悬索桥“生命线”———主缆与吊索连接的 关键构件[1],以高强度螺杆[2]预紧抱箍在主缆上,传 递大桥荷载。索夹螺杆预紧力不足将导致索夹在主 缆上发生滑移[2-4],导致结构体系改变进而使得吊索 缺载的风险。 索夹螺杆的传统张拉方式为采用千斤顶(通常 采用单顶或多顶分组张拉)和特制张拉器将螺杆张 拉至设计施工荷载时持荷,然后人工用短拨杆手动 拨紧螺母,最后千斤顶回油卸载完成施工。这种工 艺控制参量单一,张拉效果差,不同螺杆轴力差别 大,并且存在同一索夹上后张拉螺杆导致先张拉螺 杆轴力降低的问题[5-7]。

  同时,在索夹抱紧力的作用 下,主缆内部会发生镀锌钢丝重新排列和镀锌层蠕 变等现象[8-9],使主缆直径出现一定的收缩,导致索 夹螺杆轴力衰减。在悬索桥建设期间,索夹螺杆轴 力的衰减最为迅速和严重,施工单位需反复多次张 拉以保障结构与施工安全,消耗了大量的人力、物力 与时间成本。这种情况甚至持续到大桥通车数年之 后,如日本关门桥在通车1200d后螺杆轴力下降 约40%,部分索夹抗滑安全系数在2.0以下。

  针对传统索夹螺杆张拉施工中存在的张拉控制 参量单一、螺杆紧固力不足且离散性大,以及主缆收 紧缓慢、施工中反复多次张拉等问题,为实现索夹螺杆高效和高精度张拉施工,在传统张拉工艺基础上, 提出一套悬索桥索夹螺杆施工控制技术,并在五峰 山长江大桥进行了验证测试和应用。

  2 索夹螺杆张拉施工控制技术

  2.1 螺母转角辅助张拉

  由于传统张拉工艺仅以千斤顶输出荷载作为控 制参量,因此在螺杆张拉过程中增加螺母转角作为 参量,辅助控制螺杆张拉施工。 当螺杆轴力从 F1 增加至设计施工荷载 Fn 时 (弹性 阶 段),张 拉 侧 的 螺 母 相 对 螺 杆 转 动 的 角 度 θ(°)为: θ=360× (Fn -F1)× (l+d) Ehπd2/4 (1) 式中,E 为螺杆材料的弹性模量;h为螺纹的螺距;d 为螺杆的公称直径;l为螺杆张拉时的两侧螺母内 间距。

  螺杆张拉施工时,当千斤顶张拉荷载从 F1 增 加至 Fn 时,拨动张拉器,此时螺杆螺母(认为千斤 顶荷载为F1 时已有效旋紧)若能有效转动与张拉 荷载增量值相当的转角θ,则认为螺杆在该过程中 可以获得Fn-F1 的有效轴力。当短拨杆不能用手 拨动,即螺母不能有效旋紧时,可以考虑采用小锤适 度敲击完成。首次张拉时,F1 一般考虑为设计施工荷载Fn 的10%~20%。

  2.2 同步张拉

  国内悬索桥索夹螺杆张拉工艺经历了单顶张 拉、多顶分组张拉和同步张拉方式的演变。单顶或 多顶分组张拉时,单个索夹上螺杆存在高强度螺栓 轴力重分配问题,而且由于主缆的松散性,此问题愈 发严重,因此工程中建议优先选用同步张拉方式进 行施工。若因特殊情况不能进行同步张拉,则尽量 间隔分2组进行张拉,并且先张拉螺杆组需要进行 第2次张拉。单顶和多顶张拉可以作为在张拉完成 后,对轴力偏低的少量螺杆进行补拉的方式。

  2.3 修正施工荷载张拉

  索夹螺杆张拉时,经常出现不同螺杆轴力均匀 性差的问题,而单个索夹上螺杆轴力随时间的衰减 相对一致(单个索夹处的主缆随时间收紧程度基本 均匀)。这是由不同螺杆张拉时的回缩损失偏差较 大造成的。回缩损失受螺杆和螺母加工公差,螺母 与垫圈、垫圈与索夹表面粗糙度,以及工人拨紧螺母 有效程度等影响。转角辅助控制技术在一定程度上 改善了这一问题。为进一步提高索夹螺杆的精度, 将超声检测技术与传统张拉法结合,通过测量每根 螺杆张拉时产生的回缩损失,修正设计施工荷载,完 成螺杆的精细化施工。

  在操作过程中,假定90%设计施工荷载张拉后 的回缩损失与设计施工荷载张拉后的回缩损失基本 一致。当进行索夹螺杆的最后一级张拉时,首先将 千斤顶加载至90%设计施工荷载,按照正常操作拨 紧螺母。然后将千斤顶回油卸载,卸载前、后使用超 声检测 得 到 张 拉 引 起 的 螺 杆 轴 力 实 际 回 缩 损 失 ΔF,并结合设计要求的螺杆成桥轴力 F,将该螺杆 的设计施工轴力调整修正为F+ΔF。最后,以修正 后的施工荷载进行张拉,按照正常操作拨紧螺母,然 后千斤顶回油卸载,完成螺杆张拉施工。

  2.4 增加有效稳压持荷时间

  悬索桥主缆受索夹抱紧而缓慢地发生钢丝重新 排列、镀锌层部分蠕变等现象使得主缆收缩,导致螺 杆轴力衰减,直至主缆达到某种密实状态,此时主缆 径向的抵抗力与衰减后的索夹抱紧力(基本对应螺 杆轴力和的一半)达到平衡;同时,主缆受索夹抱紧 逐渐收紧密实,收紧速度与索夹抱紧力相关,抱紧力 越大主缆收紧速度越快。据此提出增加有效稳压持 荷时间的索夹螺杆高效施工方法:在同步张拉工艺 下增加千斤顶输出最大施工荷载时的稳压持荷时 间,控制设定时间段内螺母可转动角度的阈值(如持荷10min螺母转角低于8°),以大幅加速主缆在施 工过程中的有效收紧程度。该方式能够显著减少螺 杆张拉施工量,并降低成桥运营期螺杆轴力的衰减 速度。

  3 工程应用测试

  五峰山长江大桥为(84+84+1092+84+84) m 公铁两用钢桁梁悬索桥,加劲梁采用板桁结合钢 桁梁结构。大桥主跨上、下游各77个索夹,均为左 右抱合式,全桥共有吊索索夹螺杆1534根。所用 螺杆的螺纹规格为 M52,缩腰形设计,长度为1380 mm,材质为40CrNiMoA。成桥螺杆轴力要求770 kN 以上,设计施工荷载为1100kN,对应所用张拉 千斤顶的标定油压为84.5MPa。

  在现场进行验证测试时,随机选取靠近镇江侧 下游3/8处索夹作为测试对象,该索夹左、右侧各9 根螺杆。索夹螺杆轴力 检测的传统方法———“拔出法”检测精度较低,采用 超声技术测量索夹螺杆轴力[10-11]。

  3.1 转角辅助张拉测试

  为验证转角辅助张拉的有效性,进行转角辅助 张拉和手动拨紧拔杆的张拉测试,并将2种测试结 果进行对比。采用手动拨紧拔杆的方式张拉1~3 号螺杆,当千斤顶加载至84.5 MPa(相当于施工荷 载1100kN)后拨紧螺母卸载回油,然后测量螺杆 轴力。采用转角辅助张拉测试时,千斤顶分2级张 拉,第一级千斤顶油压加载至50 MPa,第二级千斤 顶油压 加 载 至 84.5 MPa。

  当 千 斤 顶 加 载 至 50 MPa,用小锤适度敲击拨杆确保锁紧螺母,再加载至 84.5MPa。根据公式(1)计算得到螺母需要转动的 角度为158°,若螺母转角未达到158°,则采用小锤 适度敲击拨杆直至螺母不再转动时停止敲击,然后 千斤顶回油,最后测量螺杆轴力。与手动拨紧相 比,采用转角辅助张拉,螺杆平均轴力从672.4kN 提高到941.0kN,提高了268.6kN,相当于螺杆成 桥设计轴力的35%,表明转角辅助张拉控制在一定 程度上改进了螺杆施工质量。

  3.2 同步张拉测试

  为明确索夹螺杆同步张拉的必要性以及研究分 组张拉存在的问题,在工程现场进行2种方法对比 测试。被测试索夹有左、右2排螺杆,各9根。分组 张拉测试时,螺杆在首次张拉完成4周之后再次张 拉,先张拉1号、3号、5号、7号、9号的5对螺杆,再 张拉2号、4号、6号、8号的4对螺杆,利用超声测 量技术测量索夹右侧9根螺杆的轴力。

  后张拉4对螺杆时,对先张拉5对 螺杆的轴力产生了较大的影响,因轴力重分配因素 导致先张拉的5根螺杆轴力损失均值为229.7kN, 其设计轴力为770kN,损失了29.8%。原因在于建 设期主缆的松散性,在后张拉4对螺杆时,索夹抱紧 力叠加先张拉5对螺杆的剩余轴力,对主缆产生了 更大的抱紧力,使其进一步收缩。张拉完成后的螺 杆轴力均值为774.0kN,刚刚超过设计轴力,若仅 考虑回缩损失,平均回缩198.4kN。

  分组张拉10d后,对该索夹进行同步张拉测 试。同步张拉方式避免了轴力重分配 的问题,同步张拉后轴力均值为928.5kN,与分2 组张拉的均值774.0kN 相比,提高了 154.5kN。 仅考虑回缩损失均值为171.5kN,相比分2组张拉 的损失均值198.4kN,减少了26.9kN。可见,在 实桥建设过程中,宜采用同步张拉方式,若因现场情 况不能同步张拉时,尽量分2组进行张拉,并且先张 拉螺杆组需要进行第2次张拉以弥补损失。

  3.3 修正施工荷载张拉测试

  为验证修正施工荷载张拉螺杆的效果,在现场 进行了相应测试。螺杆分50 MPa、84.5 MPa两级 张拉,在第2级张拉时先将千斤顶输出荷载调整至 90%设计施工荷载对应的数值,即990kN(对应千 斤顶油压76.1MPa),螺杆拨紧后千斤顶卸载回油, 测量此时的螺杆轴力,可得到此次张拉的回缩损失值。该回缩损失与设计施工荷载对应的回缩损失基 本相当,在此基础上加上成桥设计轴力770kN,得 到修正后的施工荷载。为简便测试,采用单顶对单 根螺杆进行超声张拉测试。由于考虑了每根螺杆的实际回缩 损失,并以修正后的施工荷载完成张拉的最后阶段, 使得张拉后的螺杆轴力与设计轴力的偏差绝对值不 超过5%,相比传统张拉工艺的施工质量大幅度提 升。由于螺杆轴力的衰减问题,实桥工程中应该根 据实际情况调整。

  3.4 增加有效稳压持荷时间测试

  荷载张拉持荷时,单个索夹上所有螺杆索夹抱 紧力最大。此时主缆的收紧速度最快,因此采用同 步张拉方式是增加有效稳压持荷时间以达到高效施 工的前提条件。 在同步张拉方式下,千斤顶加载至设计施工荷 载时增加持荷时间,以加快主缆的收缩速度,降低后 期螺杆轴力的损失。首先将千斤顶逐渐加载至设计 施工荷载,有效锁紧螺母;然后千斤顶稳压持荷(即 保证千斤顶压力表一直处在84.5 MPa位置,降低 时即可补压),以10min为1个时间段,10min时以 同 样方式有效锁紧螺母,并测量此时螺母的转动角度。该测试持续60min,60min时螺母基本不再转 动。

  千 斤 顶 稳 压 持 荷 3 个 阶 段 (30 min),持荷过程中螺母累计转动角度均值为345°, 根据公式(1)计算出对应螺杆轴力增量为977kN, 该轴力增量全部被主缆收紧变细的因素所抵消,超 过螺杆设计轴力 770kN 约 27%;第 4 个阶段(10 min)内螺母转动角度均值已减少至15°;最后1个 阶段(10min)只有5°。

  考虑施工时间成本,在实际 操作时,设置10min内螺母转动10°~15°的停止持 荷阈值。如果在张拉时不进行稳压持荷或是稳压持 荷时间很短,则需要在后面的张拉工作中将这977 kN 对应的主缆收紧程度完成,验证了张拉时增加 稳压持荷30min(或根据转动阈值控制停止持荷) 的必要性。 综上所述,在全桥螺杆同步张拉时按照控制条 件进行稳压持荷,索夹处主缆的收紧速度将大幅加 快,降低后期螺杆轴力的损失,可减少张拉次数。另 外,增加持荷时间也能够缩短主缆收紧至最终稳定 的时间,利于大桥运营期的管养质量和安全。

  3.5 实桥张拉控制效果

  吊装主梁是悬索桥施工过程中的重要阶段,此 时需要严格保证索夹螺杆的紧固质量,防止在吊装 主梁过程中出现索夹滑移问题。因此,在该桥吊装 主梁之前的索夹螺杆张拉工作中采取了螺母转角辅 助张拉、同步张拉、增加有效持荷时间等技术手段, 并在张拉完成后,采用超声检测技术对全桥索夹螺 杆轴力进行了抽检。在大桥上游抽检螺杆中,轴力最小 为745kN、最大为 1090kN,轴力均值为940kN, 相比设计要求轴力770kN 超出170kN,为后期吊 装 工期内的螺杆轴力随主缆略微收缩,以及吊装主梁后主缆承载变细引起螺杆轴力损失储备了充足的 空间。

  4 结 语

  悬索桥索夹螺杆的传统张拉工艺难以有效地保 证螺杆施工质量和效率,存在轴力不足且离散性大, 施工期间反复多次张拉等问题。本文在传统张拉工 艺基础上,提出一套索夹螺杆施工控制技术。该技 术采取增加螺母转角作为除千斤顶油压以外的控制 参量;优先采用同步张拉方式进行螺杆张拉施工;采 用超声技术测量张拉回缩损失,修正每根螺杆的施 工荷载再完成张拉;增加千斤顶输出设计施工荷载 时的稳压持荷时间,控制设定时间内螺母转动的角 度阈值。

  建筑工程师论文投稿刊物:《桥梁建设》现由中国铁路工程总公司主管,中铁大桥局集团有限公司主办,中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司出版。

  通过五峰山长江大桥的现场测试和应用表 明:转角辅助张拉能够将紧固后的螺杆平均轴力从 672.4kN 提高到941.0kN;同步张拉避免了轴力 重分配造成的229.7kN轴力损失;修正施工荷载使得 螺杆轴力控制偏差不超过5%;稳压持荷加快了主缆 的 收 缩 速 度 ,在30min内 完 成 了977kN螺 杆 轴 力对应的主缆收紧程度,使得全桥张拉次数比预计减少 2次以上;吊装主梁前抽检的螺杆轴力均值达到940 kN,比设计要求轴力超出170kN,证实了该张拉控制 技术的有效性。该技术有效提高了现场索夹螺杆张 拉的质量和效率,能够为悬索桥索夹螺杆施工提供 技术指导,具有较好的工程推广应用价值。

  参 考 文 献:

  [1]陈国红,刘 文,宋晓莉,等.某悬索桥索夹空间受力分 析[J].世界桥梁,2015,43(5):58-62.

  [2]伊建军,彭旭民,王 波,等.悬索桥索夹螺杆轴力超声 检测技术[J].桥梁建设,2019,49(S1):68-73.

  [3]罗改霞.某悬索桥索夹滑移原因分析与处理对策[J]. 交通科技,2016(3):73-75.

  [4]沈锐利,何 恺,苗如松.基于多尺度模型的销接式索 夹极限抗滑摩阻力分析[J].桥 梁 建 设,2018,48(5): 16-20.

  [5]曹昌玉.悬索桥索夹螺杆拉力检测及索夹补偿轴施工技 术探讨[J].交通世界,2019(17):82-84,90.

  作者:陈 明1,伊建军2,3,钟继卫2,3,荆国强2,3,汪正兴2,3

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