钢绞线斜拉索索力均衡控制技术的探讨

王志刚 费汉兵 单继安

1 概述

现代斜拉索向轻质、高强、操作简便等方向发展，钢绞线斜拉索具有:1)组成斜拉索的各根钢绞线单根挂索、单根张拉;2)无需大型运输和起吊设备;3)拉索安装迅速、快捷、可靠度高;4)受施工环境、安装时间限制小等特点，因此已被桥梁建设者们接受和认可。

钢绞线斜拉索挂索和张拉时，如钢绞线束内各绞线采用同一张拉索力，则后续张拉的钢绞线使塔梁发生变形，使已张拉的钢绞线索力发生变化，从而使各钢绞线的索力产生偏差。美国PTI《斜拉索设计、试验和安装建议》中规定，各钢绞线的最终索力和伸长值偏差应控制在2.5%内[1]。如何采取合适的控制措施，使钢绞线单根张拉和调索后，整束拉索中各根钢绞线内力均匀，成为钢绞线斜拉索施工中桥梁设计和建造者所关注的重要问题。

2 索力均衡控制的现有技术

国内已成功应用的钢绞线斜拉索体系主要有VSL SSI 2000钢绞线斜拉索体系、OVM250斜拉索体系等，其在索力均衡控制技术方面各有特点。

VSL SSI 2000钢绞线斜拉索体系的核心SSI为Single Strand Installation的缩写，即单根钢绞线安装。其核心思想为:根据事先编制好的软件以及桥梁各参数值，计算出斜拉索中各钢绞线的张拉力，软件控制千斤顶进行逐根张拉。一般分两阶段进行:初张拉以索力控制为准，二张以伸长值控制为准，均采用单根钢绞线张拉方式。

OVM250型钢绞线斜拉索的施工方法，其主要分两个步骤进行:采用单根张拉工艺进行初张拉，采用整体张拉工艺进行二张及后续的全桥调索[2-9]。

1)单根张拉。

对用于支撑HDPE护套管重量的几根钢绞线进行预张拉;在其后的一根钢绞线上安装传感器，按设计张拉索力的平均值乘以计算的超张系数进行该钢绞线的张拉;随后的每根钢绞线的张拉力按传感器压力变化差值进行控制。整束钢绞线全部安装完毕后，对预张拉和安装传感器的钢绞线按传感器最后显示读数进行补张拉。这种索力均衡控制方法被称为“等张拉力法”或“等值张拉法”。

2)整体张拉。

在拉索的张拉端，依次安装撑脚、连接套、张拉杆、穿心式千斤顶和螺母，按设计索力进行分级张拉。张拉到设计索力后，旋紧锚具螺母进行锚固。

3 索力均衡控制技术的关键问题

国内钢绞线斜拉索普遍采用“等张拉力法”进行索力均衡控制，对于其实际使用情况，存在以下几点关键技术问题。

3.1 初张拉索力的确定

钢绞线斜拉索采用单根张拉方式进行初张拉时，由于张拉后塔梁的位移，后张拉钢绞线使同束中已张拉的钢绞线索力呈非线性逐渐降低。为确保最后张拉的钢绞线索力与设计张拉索力相同，必须对安装传感器的第一根钢绞线(除为挺直HDPE护套管的数根预张拉钢绞线外)确定其初张拉索力。一般，初张拉索力按设计张拉索力的平均值乘以超张系数来确定，即:

其中，Tm+1为第一根钢绞线张拉力;k为超张拉系数;Nn为整束钢绞线张拉控制力;Nm为预张拉钢绞线的张拉力之和;n为斜拉索中钢绞线的总根数;m为预张拉的钢绞线根数。

式(1)中，m为挺直HDPE护套管而预张拉的钢绞线根数，一般为1根～4根，视HDPE外套管尺寸和长度而定。其值可根据钢绞线张拉至设计索力后的垂度fm1和钢绞线预张拉后HDPE护套管的垂度fm2计算，使fm1≈fm2即可。fm可按式(2)计算求得:

其中，fm为钢绞线或HDPE管的垂度;w为钢绞线或外套HDPE管的钢绞线的线密度;L为钢绞线计算索长;T为钢绞线的张拉力。

Nm为m根预张拉钢绞线的张拉力之和，一般单根钢绞线的预张拉力取设计索力的0.15倍～0.2倍。

式(1)中，k为超张拉系数。实际施工中，随着钢绞线的张拉，主梁和主塔分别产生竖向和水平位移，使塔梁两锚点间钢绞线长度变短，从而使钢绞线索力发生变化。根据这一原理，推导k值计算公式。图1为塔梁变位引起钢绞线长度变化的示意图。

图1 钢绞线长度变化示意图

图1中，A0和A1分别为拉索张拉前后梁上锚点位置;B0和B1分别为拉索张拉前后塔上锚点位置;L0和L1分别为拉索张拉前后长度;δA和δB分别为主梁竖向和主塔横向位移;α和α'分别为张拉前后拉索仰角。

已知条件:L0，α，δA和δB，在不考虑温度变化和垂度影响的条件下，采用几何计算可推导出k值。

其中，δ=δAsinα +δBcosα;δA和 δB由监控仿真计算给出;E 为钢绞线的弹性模量;A为钢绞线的截面面积;L0为钢绞线计算索长;α为拉索的设计仰角。

需注意的是，所述“张拉力”实际上是张拉锚固后钢绞线的内力，即“锚固力”。对于索力较小的一张，夹片回缩损失较小，可认为“张拉力”与“锚固力”相等;但对于索力较大的二张和调索，实际计算初张拉索力时，尚应加上钢绞线锚固过程中的夹片回缩损失。

3.2 “等张拉力法”中张拉力的控制

“等张拉力法”的重要指导思想是:在某根钢绞线上安装传感器，当后续钢绞线张拉时，传感器读数下降，当压力表读数与传感器显示变化值相同时，停止张拉并持荷锚固。采用此方法，在实际操作时有两点需引起注意:

1)传感器安装于单孔工具锚和工作锚之间，其显示的力值为钢绞线的最终“锚固力”。而后续钢绞线单根张拉时，配套油泵显示的力值为钢绞线的即时“张拉力”。当钢绞线锚固时，因钢绞线和夹片内缩的影响，“张拉力”与“锚固力”之间存在一定差值，该值对于索力较大、索长较短的拉索而言尤其明显。

2)传感器一般显示单位为kN，在后续钢绞线张拉时，其读数在不断变化。而千斤顶一般采用油压表读数，其显示单位为MPa，张拉过程中其值也在不断变化。对两种仪表所反映的实际索力一致性的准确判断，是“等张拉力”法成功的关键。

3.3 二张和调索时的张拉方式

关于钢绞线挂索初张拉后的二张及后续调索施工，是否有必要采用整体张拉工艺，一直是桥梁业主、设计者和施工单位关注的问题。采用整体张拉工艺进行二张和调索，其目的是:1)避免多次单根张拉影响夹片的锚固和夹持效果;2)避免影响各钢绞线的索力均匀性。

工作夹片由合金钢制作，在后张预应力中所使用的工具锚夹片，在0.75σb的张拉应力下，一般能重复使用100次以上;而斜拉索的张拉应力一般仅为(0.4～0.5)σb，且夹片的反复夹持次数一般不超过10次。因此，若工作夹片设计合理、加工控制严格，应不会产生因多次反复张拉而影响其锚固夹持效果的问题。

既然钢绞线挂索时的初张拉采用“等张拉力法”，能使各钢绞线索力偏差控制在规定范围内，并被认可。那么二张和调索时，采取相同的索力控制方法，仍应能保证各钢绞线在单根张拉结束后的索力均匀性。因此，采用整体张拉工艺对钢绞线斜拉索进行二张和调索，增加了设备和人力投入，与钢绞线拉索施工快捷、轻便的原则相违背，是不经济和不必要的。

4 结语

通过对钢绞线斜拉索的索力均衡控制的现有技术的分析，指出了目前国内常用的索力均衡控制方法——“等张拉力法”的不足，对其关键问题进行了探讨。

1)给出了单根钢绞线张拉时初张拉索力的推导过程和计算公式;2)提出了对现有张拉设备的改造方案以更准确地控制钢绞线的张拉力;3)对斜拉索的二张和调索时采用整体张拉工艺的经济性和必要性提出质疑，指出采用单根张拉方式可使斜拉索中各钢绞线索力的均匀性达到设计和规范要求。

[1]美国后张协会，斜拉索的设计、测试和安装指南[S].

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