钢绞线斜拉索施工阶段索力监测研究

毛建平，覃乐勤

（广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530011）

0 引言

拉索作为索结构桥梁的主要传力及受力构件，一直是该类桥施工监控及运营期维护的关注重点，拉索索力的大小直接影响结构受力及安全。钢绞线斜拉索近年来被广泛应用于大型索结构桥梁，其具有安装快捷、施工便利等优点，本文所依托的广西来宾市永鑫大桥即采用了这种拉索形式。

钢绞线斜拉索采用单根钢绞线挂索单根张拉的施工方式，对该类索结构索力的控制包括两方面：（1）每根钢绞线受力的均匀性控制；（2）整索索力大小的控制。施工控制的前提为监测，钢绞线斜拉索因其结构及施工的特殊性，在施工阶段的索力监测过程，与传统的成品拉索有所不同。

本文结合工程实践，对该类索结构的索力监测进行了研究。

1 工程概况

来宾市永鑫大桥主桥为双塔单索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，采用塔、墩、梁固结体系，跨径布置为（99＋180＋99）m，主桥全宽34.0m。见图1。永鑫大桥斜拉索呈扇形布置，横桥向布置在中央分隔带上，共布置两排。斜拉索采用55－φs15.2环氧全喷涂钢绞线，钢绞线股依次穿过索塔鞍座分丝管后锚固于主梁上，斜拉索构造及断面图见图2。

图2 斜拉索构造及断面图

2 斜拉索索力常用测试方法

常用的索力测试方法主要有：振动频率法、油压表读数法和传感器测试法，其优缺点分析如下：

振动频率法主要通过测试索结构的振动，间接计算结构索力。该方法操作方便、适合长期监测。但由于是间接测试方法，其所测索力结果的准确性，受斜拉索的质量、刚度、长度、垂度等参数取值的影响。

油压表读数法主要通过标定仪表测试千斤顶油压的方法来监测斜拉索张拉力。该方法适用于斜拉索施工阶段。但由于受到锚具变形、千斤顶摩阻力及人为操作误差等因素的影响，该方法也存在一定的误差。

传感器测试法主要通过锚下预埋压力传感器直接读数获取结构索力。该方法精度较高，适合长期监测。但其成本高，且需注意其长期稳定性。

3 钢绞线斜拉索索力监测

3.1 基本思路

钢绞线斜拉索由多根钢绞线组成，其索力由组成索的各根钢绞线拉力提供，因此对该类索的索力测试应该包括整索索力测试和单根钢绞线的拉力测试两方面。以上两部分内容的测试，可准确把握钢绞线斜拉索的索力状态，为斜拉桥施工过程中的索力控制提供有效的控制手段。

来宾市永鑫大桥每根斜拉索由55根钢绞线组成，拉索施工控制要求：（1）控制每根斜拉索各根钢绞线的拉力离散误差不大于理论值的±3%；（2）斜拉索整索索力误差不大于设计索力的±5%。

3.2 单根钢绞线拉力均匀性监测

钢绞线斜拉索采用单根钢绞线挂索单根张拉的施工方式，每根斜拉索的张拉均会导致塔、梁变形及锚具变形，从而导致先前张拉的钢绞线松弛及索力变小。如每根钢绞线按照总索力平均的等值张拉，势必会造成实际施工索力与理论不符的情况，达不到控制精度要求。

为弥补后续张拉钢筋线对已张拉钢筋拉力的影响，可考虑对前期张拉的钢绞线进行适当的超张拉。以保证其超张拉力在后期钢绞线张拉过程逐渐抵消，直至最后一根钢绞线张拉完成后，所有钢绞线的拉力均匀且各钢绞线合力与理论索力值基本相等。

根据以上思路，采用逆推法可算得每根钢绞线的张拉力值，其计算原理为：最后一根钢绞线索力值为平均索力，将钢绞线张拉过程引起的塔、梁变形以及锚具变形等分配到每一次的张拉过程，通过多次迭代可计算出每根钢绞线的张拉力。该方法初始化计算式如下：

P张拉力：实际单根控制初张力；

P平均：监控指令单根控制初张索力；

P1：夹片回缩影响索力；

P2：桥面位移影响索力；

P3：塔柱位移影响索力；

P4：锚具、混凝土压缩影响索力；

P5：垂度差影响。

来宾市永鑫大桥斜拉索单根钢绞线拉力均匀性监测依据上述方法进行，主要通过在拉索中选3根钢绞线安装压力传感器，测试其拉力值。结果见下页表1。压力传感器安装示意见下页图3。

表1 单根钢绞线拉力均匀性分析表

图3 压力传感器安装示意图

从表1可以看出，初张拉完成后索力均匀性较好。所取4根斜拉索中，同根索各钢绞线最大相对误差为1.98%。同根索单根钢绞线拉力与目标值最大误差为－1.87%，结果可以满足施工控制的精度要求。

3.3 张拉完成后整索索力监测

单根钢绞线张拉完，形成整束斜拉索后，整索的索力监测可采用振动频率法，通过对影响振动频率法测试精度的因素进行分析及修正可保证监测结果准确、可靠。其主要原理及应用如下。

3.3.1 频率法测试斜拉索索力

假设斜拉索为两端铰支受拉直梁，且忽略索的垂度及阻尼效应，可得到索力与其自振频率的关系：

两端在铰支情况下的斜拉索索力计算式：

式中：EI——斜拉索抗弯刚度；

m ——索的线密度；

L ——斜拉索的计算长度；

fn——斜拉索的第n阶自振频率。

对于柔性索，可简化为：

3.3.2 频率法测拉索索力的影响因素

由频率法测定拉索索力的原理可知，拉索索力主要通过拉索固有频率来估算，拉索固有频率又受到抗弯刚度、边界条件及垂度等因素的影响，故需对各影响因素进行分析，以达到降低误差的目的。

（1）拉索抗弯刚度的影响

对于长度较短、刚度较大的钢绞线斜拉索，其抗弯刚度的影响不宜忽略。由式（3）可知，刚度产生的误差为：

由式（5）可知，当索的刚度及长度固定的情况下，误差值与振动频率的阶数平方成正比，故要使误差尽可能小，宜采用低阶频率，最好是第1阶频率。

另一种方法是通过迭代法消去公式中的EI，用两阶（下式中的n阶和k阶）固有频率表示拉索索力，如式（6）所示：

消去EI可得：

（2）边界条件的影响

上述公式推导建立在拉索两端铰支的基础上，而实际施工过程，斜拉索通过锚固系统锚固于结构物，其受力状态更接近于固结作用。当按固结作用分析时，其频率方程为：

式（8）计算复杂，不能得到频率的显式，故一般均采用简化公式计算。长索柔度大，可忽略边界的影响。短索刚度大，不可忽略边界的影响。对边界条件的影响修正参数主要为拉索计算长度。扣除锚固区影响较大区段长度可作为拉索实际计算长度。一般采用索端锚固点距离与两端连接筒长度之差作为索的振动长度，用简化计算索力足以反映实际情况，可满足现场施工精度要求。

（3）拉索垂度的影响

拉索垂度的影响主要由自重产生，国内外对拉索垂度对斜拉索索力的影响进行了大量研究，目前普遍认为拉索垂度对基频的影响较大，对于4阶及以上的振动频率影响较小。故为了避免拉索垂度对测试结果的影响，可采用高阶频率换算基频或通过偏差计算索力。

3.3.3 结果分析

采用索力动测仪对本桥每根拉索振动频率进行测试，并按上述方法对索力计算影响因素进行分析及修正，得到本桥张拉完成后各索张拉索力值，与设计张拉索力值进行比较见表2。

表2 斜拉索张拉索力测试结果与理论值比较表

由表2可以看出：施工单位完成单根钢绞线张拉后，整索索力与设计值相比，误差最大为2.00%。满足施工监控要求，达到了预期斜拉索索力控制目标。

在成桥后对全桥拉索索力进行了复测，其结果与理论值比较见表3。

表3 斜拉索成桥索力测试结果与理论值比较表

由表3可以看出：成桥后8＃墩处各斜拉索的索力实测值与理论值基本一致，最大偏差为3.49%，满足施工质量控制要求。

4 结语

（1）针对钢绞线斜拉索结构及施工特点，对该类斜拉索的监控应包括整索索力监测和单根钢绞线的拉力监测两方面。

（2）依托来宾市永鑫大桥施工监控项目，提出采用压力传感器测试单根钢绞线张拉力的均匀性及采用频率法测试整索索力大小的监控方法，并对频率法测试拉索索力的影响因素进行了分析及修正，实际应用表明测试精度较高，能够满足施工质量控制要求，可为该类结构的斜拉索索力监测工作提供参考。

［1］王荣辉，薛礼建.矮塔斜拉桥索力测试方法研究［J］.中外公路，2011（2）：116－120.

［2］Hiroshi zui et al.Practical Formulas for Esti－ mation of CableTension by Vibration Method［J］.Journal of Structural Engineering，1996，122（6）：651－657.