斜拉橋拉索整體同步張拉設(shè)計理論探索與工程實踐

任國紅

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海 200437）

1 引言

當斜拉橋采用一次落架成橋的施工方案時，拉索張拉、梁體落架、成橋體系轉(zhuǎn)換就成為該座橋梁施工中的關(guān)鍵點之一。常規(guī)支架法施工完成的斜拉橋調(diào)索通常采用以橋塔為中心，縱向、橫向兩側(cè)對稱張拉，先期張拉的拉索索力受后期拉索張拉的影響，一直處于動態(tài)卸荷變化中，故需要超張拉方可達到成橋索力，但拉索規(guī)格已定，梁、塔局部承受能力已定，超張拉的力是有限的[1]，故往往是初始張拉的拉索最終達不到成橋索力，需要二次補張。由于目前常用的頻譜法索力測試設(shè)備的測量誤差通常為5%~10%，多根索力誤差疊加的情況下，最終結(jié)果難以得到驗證和控制。因此，傳統(tǒng)的拉索張拉面臨著工序多、耗時長，容易出現(xiàn)張拉力和位移的現(xiàn)場結(jié)果與理論計算不符的問題，很多橋梁最終只能按照成橋線形控制和調(diào)整索力，不合理的成橋索力“吃掉”橋梁安全富裕度，降低結(jié)構(gòu)對外部荷載的承受能力，為后期橋梁使用埋下隱患[2]。故現(xiàn)有常規(guī)的張拉方式主要有以下兩大缺點：

1）最終斜拉索索力與理論最優(yōu)成橋索力很難完全一致。受索力檢測設(shè)備精度的限制，最終張拉完成后的成橋索力值只能按照誤差比例控制，同時傳統(tǒng)張拉過程中也無法實現(xiàn)對彈性模量、重量等敏感因素的校準以及對最優(yōu)成橋索力進行修正，故以梁體線形控制的索力的狀態(tài)可能導致橋梁對外荷載承載力降低的先天不足。

2）費時費力。常規(guī)張拉方式可能需要對拉索多次張拉，施工周期長，工程脫架時間晚，導致臨時措施費用的增加。

當今，數(shù)控智能化機械設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于工程界的各種領(lǐng)域，多臺千斤頂連接同一臺油壓設(shè)備同時供油，利用傳感器通過計算機系統(tǒng)對千斤頂油壓及其行程的控制，已經(jīng)可以達到多個千斤頂按設(shè)定的目標值共同完成工作的狀態(tài)，如工程界的同步張拉預(yù)應(yīng)力鋼束[3]；此外，利用同步控制設(shè)備在建筑體同步頂推及同步頂升等領(lǐng)域也已經(jīng)有較多案例，如上海音樂廳的平移頂升工程、上海市玉佛禪寺大雄寶殿移位工程[2]等，均采用幾十套千斤頂將建筑物同步頂起，利用計算機系統(tǒng)對千斤頂?shù)挠蛪狠斎脒M行控制，多個千斤頂同步工作。因此，筆者提出將數(shù)控同步技術(shù)移植到斜拉索張拉過程中，即將所有落架斜拉索同步張拉至成橋索力，一次性精準到達理論成橋索力。

2 斜拉索同步張拉實現(xiàn)方法與理論

本文提出的同步張拉理論是一套分解分批張拉數(shù)據(jù)方案，讓拉索精準、快捷、安全地到達最優(yōu)成橋索力。該套同步張拉理論設(shè)有兩條主線，一條主線為現(xiàn)場張拉及觀測，另一條主線為理論數(shù)據(jù)的提供、推演及預(yù)測。具體分為以下11 個步驟：

1）根據(jù)現(xiàn)場橋梁實際重量、彈性模量等參數(shù)，計算最優(yōu)成橋索力作為整個張拉過程的最終基準值，該套基準值以滿足梁、塔受力最為合理、相鄰各索索力較均勻。

2）調(diào)試現(xiàn)場整個數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)的操控性和數(shù)據(jù)傳輸功能。整套張拉設(shè)備由一臺電腦總體控制，由主控電腦、油壓設(shè)備、千斤頂、數(shù)據(jù)采集盒等幾個關(guān)鍵構(gòu)件組成，通過系統(tǒng)液壓鏈路和系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路將它們連在一起，主控電腦可自動控制各個千斤頂?shù)倪\行狀態(tài)，確保張拉過程中所有千斤頂?shù)膹埨臀灰屏慷伎梢苑答伒诫娔X總控中心直觀地展示。

設(shè)定每根拉索以最終成橋索力的20%進行預(yù)張緊，拆除橋梁所有下部結(jié)構(gòu)的臨時支架與主梁之間的固結(jié)約束，梁體形成無豎向約束狀態(tài)擱置在支架上。

3）按照先粗后細的原則，根據(jù)最終成橋索力進行同步張拉的單批次張拉力力值的確定，初期分批次標準可參考0%—20%—60%—85%—95%—100%的原則進行張拉，用理論數(shù)據(jù)模擬整個張拉過程，確保每個階段完成張拉索力后，整體梁體應(yīng)力、拉索應(yīng)力、梁體上撓位移，塔體偏位、梁體端部支座反力等的變化都在安全范圍內(nèi)。

設(shè)定位移允許絕對值誤差小于20%。油壓千斤頂讀取的數(shù)據(jù)可以做到小于5 kN 的精度，為張拉過程的主控數(shù)據(jù)，頻譜法測量拉索誤差較大仍可作為張拉力的校驗數(shù)據(jù)；梁體、塔體位移為校準對比數(shù)據(jù)。每個過程必須達到梁、塔理論位移與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)趨勢一致，檢查應(yīng)變片反應(yīng)的梁體應(yīng)力無異常后進行下個階段的工作。

4）第一個階段，檢查完成60%拉索張拉力后的橋梁基本狀態(tài)，核準現(xiàn)場總控電腦控制的張拉數(shù)據(jù)與千斤頂油壓設(shè)備的數(shù)據(jù)一致，持荷2 h 后，用頻譜法拉索力數(shù)據(jù)檢驗儀進行索力檢驗，這也是對自身儀器設(shè)備的基準校準，記錄現(xiàn)場張拉力數(shù)據(jù)；測量并記錄現(xiàn)場塔體兩側(cè)的梁體上撓的位移量、塔體縱向位移偏移量，查驗反應(yīng)梁體應(yīng)力的應(yīng)變片數(shù)據(jù)，記錄當時天氣溫度及日照狀況。

5）將現(xiàn)場位移數(shù)據(jù)與電腦上模擬的塔體兩側(cè)梁體上撓位移量、塔體縱向位移偏移量數(shù)據(jù)進行對比，如梁體未脫架則以塔縱向偏位數(shù)據(jù)為主分析，核驗并分析數(shù)據(jù)偏差的原因，尋找可能引起數(shù)據(jù)偏差的變量，對數(shù)據(jù)偏差進行關(guān)鍵因素敏感性分析，如混凝土彈性模量、梁體重度和重量的模擬偏差及日照溫差等，調(diào)整敏感變量使理論計算貼近實際梁體及塔體的位移變化。

6）第二個階段，拉索完成85%張拉力，現(xiàn)場檢查與記錄重復(fù)第一階段操作過程，索力以現(xiàn)場總控電腦張拉數(shù)據(jù)為準，頻譜法測得索力校驗，對偏差較大的數(shù)據(jù)進行二次核查；采集位移和溫度數(shù)據(jù)。

7）將第二階段現(xiàn)場數(shù)據(jù)與提供的電腦計算的位移數(shù)據(jù)進行對比，分析第二階段完成后理論數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的偏差結(jié)果，分析增加的索力產(chǎn)生的梁體位移量及塔體位移量理論與現(xiàn)場進行對比，根據(jù)增量數(shù)據(jù)結(jié)果，再次修正理論混凝土彈性模量、混凝土重度及鋼材重度及基準溫度等可能存在的敏感性數(shù)據(jù)。

8）第一天完成以上兩個階段后收工，密切記錄日夜間溫度變化對塔、梁位移的影響，并將該溫度變化影響與電腦模擬中的溫度變化影響進行對比。

9）第二天完成第三階段拉索95%張拉力，現(xiàn)場觀測重復(fù)上述外業(yè)步驟進行。

10）將3 次張拉現(xiàn)場數(shù)據(jù)與修正模型的理論計算數(shù)據(jù)進行對比，繪制力與位移的關(guān)系圖表、拉索力增量變化導致的位移增量變化圖表，設(shè)定每個階段的權(quán)重，進行張拉力從95%到100%時的位移數(shù)據(jù)推演，隨著參數(shù)調(diào)整將有更優(yōu)的最終成橋索力取值，計算和記錄該數(shù)值作為最后一個階段成橋索力的張拉值。如過程中力與位移的變化情況推演離散性過大，應(yīng)及時查找原因，可適當增加中間步驟獲取力與位移間的增量關(guān)系，進一步核驗橋梁剛度，輔助理論計算的推演，提高最優(yōu)成橋索力的精度。

11）按最終最優(yōu)成橋索力張拉到位，最終拉索張拉力數(shù)據(jù)為千斤頂油壓表中直接讀取，確保與理論數(shù)據(jù)一致的精準，現(xiàn)場張拉及觀測重復(fù)上述外業(yè)步驟進行，持荷24 h 進行觀測無異常則認為整個張拉過程完成，記錄、謄寫梳理最終張拉報告，總結(jié)經(jīng)驗；整個張拉過程2~3 d 內(nèi)完成。

斜拉索同步張拉流程圖如圖1 所示。

圖1 斜拉索同步張拉流程圖

3 實際工程案例

上海奉賢區(qū)金莊公路跨金匯港大橋位于五級航道上，該斜拉橋主跨一跨過河，主橋跨徑布置為120 m+85 m，橋?qū)?3.2 m，景觀主塔塔體結(jié)構(gòu)置于中央分隔帶，截面為八邊形斷面，塔身向邊跨側(cè)傾斜8°，塔身采用鋼-混組合橋塔；主跨主梁為鋼結(jié)構(gòu)，邊跨主梁為混凝土結(jié)構(gòu)；全橋共設(shè)56 根斜拉索，塔兩側(cè)均采用造型優(yōu)美的空間網(wǎng)狀索面設(shè)計，不對稱的斜塔斜拉橋塔體設(shè)計輕盈靈動，但塔體較柔也使得斜拉索的索力敏感度較高，加上采用空間網(wǎng)狀索面設(shè)計，一次落架后調(diào)索難度較大。因此，在施工過程中，拉索張拉方案采用同步張拉技術(shù)，將斜拉索力一次性精準張拉到位，這也是本套新型斜拉索同步張拉技術(shù)在國內(nèi)乃至國際斜拉橋上的首次實踐。

成功的張拉結(jié)果證明，借助現(xiàn)代發(fā)展的數(shù)控技術(shù)，56 根斜拉索按照預(yù)定的索力同步張拉是可行和高效的。這套同步張拉方法大大提高了張拉索力的精度，實現(xiàn)了現(xiàn)場梁、塔線形與理論計算的吻合，真正意義實現(xiàn)了索力與線形對橋梁安全的雙控；縮短了調(diào)索周期，加快了工程進度。

4 結(jié)語

本文所述斜拉索的同步張拉技術(shù)實現(xiàn)了以下3 方面的優(yōu)勢：

1）該種張拉方案區(qū)別于以往的單根依次張拉，最終成橋索力無法準確知曉的尷尬，該方法最終拉索張拉力數(shù)據(jù)為千斤頂油壓表中直接讀取，可以精確地獲得與理論值一致的最優(yōu)成橋索力。

2）大大縮短拉索張拉的周期，利用現(xiàn)代化手段提高工作效率，整個拉索張拉一氣呵成，一步到位。

3）改善張拉過程中梁、塔等構(gòu)件的受力模式，整體同步張拉對主體構(gòu)件張拉過程中的受力狀態(tài)更為友好和安全。

從傳統(tǒng)拉索張拉方案到同步張拉拉索每個過程的理論數(shù)據(jù)計算，關(guān)鍵控制要素是有本質(zhì)上的區(qū)別的，采用該套張拉方法并結(jié)合現(xiàn)代化的數(shù)控施工技術(shù)，讓斜拉索索力的精度達到了前所未有的高度；隨著斜拉橋同步張拉技術(shù)的成功，后續(xù)可以將該項技術(shù)推廣和拓展到橋梁界各種索類橋梁的拉索張拉和調(diào)索。