京沪高速铁路矮塔斜拉桥拉索施工中的索力控制

京沪高速铁路矮塔斜拉桥拉索施工中的索力控制摘要:研究目的在矮塔斜拉桥施工过程中,拉索的索力控制至关重要。

为保证京沪高速铁路工程天津枢纽津沪联络线斜拉桥索力张拉施工的顺利进行,本文采用了修正的索力计算公式、影响矩阵法两种理论计算方法指导斜拉索的初张拉、终张拉。

研究结论实践证明,理论计算方法科学、合理,计算值与实测值之间的误差控制在±5%以内,且满足索力控制要求,对类似结构的施工及过程控制有着较大的借鉴作用。

关键词:矮塔斜拉桥拉索索力控制
1 工程概况
京沪高速铁路工程天津枢纽津沪联络线特大桥采用三塔双索面预应力混凝土矮塔斜拉桥(见图1),计算跨度(64.6+115+115+64.6)m,主梁宽度14.4m。

中塔采用墩塔梁固结形式,边塔采用塔梁固结、塔墩分离、桥墩上设置支座的形式。

索塔横向间距13.4m,采用钢筋混凝土结构,实心截面,梁顶面以上高度为14.0m,高跨比约为1/8.1,塔柱横向宽度均为2.0m,竖向从塔顶3.0m变宽为梁顶面3.71m,塔柱横向不设横联。

主梁采用变高度预应力混凝土刚构连续梁,边梁采用连续梁形式。

斜拉索为横向双索面体系,立面采用半扇形布置,每个索塔设7对斜拉索,拉索规格为31-7φ5,抗拉强度标准值为1860MPa,允许疲劳应力幅为250MPa,外部采用热挤压PE护套,在塔端通过鞍座锚固于塔身,两
侧对称锚固于梁体,梁上索距4.0m,塔上索距70cm。

拉索索力的大小,不仅直接关系到拉索的受力,同时还会影响主梁、桥塔的受力,故在施工阶段及全桥合拢后,准确测定拉索的索力并将其调整到设计允许误差以内,对保证施工安全及桥梁的受力是非常重要的;同时施工过程中的索力控制和量测,也为日后桥梁的养护维修工作提供了科学依据。

根据设计要求斜拉桥拉索张拉分两次进行:初张拉力为2000kN;全桥合拢后,根据监控数据进行调索,至3200kN。

2 斜拉桥拉索初张拉施工及控制
为保证拉索初张拉施工的顺利进行,使用频率法进行索力测试,该法是目前测量斜拉桥索力的应用最广泛的一种间接测量方法,通过环境振动或者人工激励使拉索发生振动,传感器记录下时程数据,并由此识别出索的振动频率。

然后由索力与固有频率之间的特定关系确定索的拉力。

频率法测索力分3步进行:(1)在环境激励下利用加速度传感器拾取斜拉索的随机振动信号,然后通过频域分析获取斜拉索的频谱图,据此识别出斜拉索的各阶振动固有频率;(2)通过理论分析(解析法与有限元法)与现场标定,获取斜拉索索力与振动固有频率之间的对应关系;(3)把实测频率代入上述关系中,得到实测索力。

可见,频率法测索力是一种间接方法,频率法的精度取决于高灵敏度拾振技术以及准确的索力、频率对应关系,索力测试采用JMM-268型双通道动测仪。

采用频率法测索力,做了主要三方面假设。

(1)两端约束为铰接,实际工程中由于索两端锚固于梁和桥塔,边界条件介于铰接与固结之间,且更接近于固结;(2)索在自重作用下,会产生垂度,而上式忽略了垂度的影响;(3)本桥为矮塔斜拉桥,索长较短,因此需要考虑抗弯刚度对频率的影响。

动测仪中使用的索力与频率的关系式:
上式假设边界条件为固结,且考虑了抗弯刚度影响,首先求的参数A和B,即可得yn,然后根据已知参数可得索力T。

根据本桥施工图及监控内容,在第6～12号块安装斜拉索,安装后将索力初张拉到2000kN,通过油压表和单根压力传感器来控制张拉力,保证了张拉控制精度。

张拉完成后由监控根据所测频率计算初张拉索
力,校核索力张拉精度。

根据设计要求制定了索力控制目标:①控制每根斜拉索各股钢绞线的离散误差不大于理论值的±3％;②一对斜拉索两根间的差值不大于整体索力理论值的±1％;③斜拉索的整体索力误差不大于理论值的±5％。

张拉精度根据以上所述控制。

设施工控制的张拉力为T0,即由油压表和单根压力传感器确定的张拉力。

从59～61号墩初张拉结果可知,从表1～表3可知,初张拉结果误差均控制在了±5％以内。

3 索力终张拉和二次调索
全桥合拢后,要对拉索索力进行二次调整,即将全部拉索索力张拉到3200kN。

索力调整的计算方法很多,主要有最小二乘法、弯曲能量最小法、弯矩最小法、影响矩阵法。

最小二乘法是使误差平方和达到最小,但需要反复迭代计算;弯曲能量最小法是用结构的弯曲余能作为目标函数,弯矩最小法是以弯矩平方和作为目标函数,这两种方法都要在计算中改变结构的模式;影响矩阵法将优化的目标函数统一用索力变量与广义影响矩阵表示,可同时对多种目标函数进行优化,实现程序化计算非常方便。

本文以影响矩阵理论为基础,采用约束最优方法求解施调索力。

某截面上,m个独立元素所组成的列向量。

这些元素一般由构件中的截面内力、应力或位移组成。

它们在调值过程中接受调整,以期
达到某种期望状态。

受调向量记为:
在影响矩阵中,元素可能是内力、应力、位移等力学向量中的一个,影响矩阵是这些力学元素混合组成的。

从理论上讲,只要将单位施调向量逐一加到结构上,分别求出相应的影响向量,就能形成结构的影响矩阵。

但当受调向量为内力时,由于内力无法直接加在结构上,一般是通过先将相应构件从结构中“断开”,并在断开处施以一对大小相等方向相反的单位力来进行计算的。

显然,这样做破坏了原有的结构形式。

用有限元方法计算,则每计算一个影响向量,就要形成和分解一次结构刚度矩阵,是很不经济的。

为了减小形成影响矩阵的计算量,可先将内力元素的影响向量用相应位置和方向上杆件的单位强迫变形影响向量来代替,这样就不必将构件断开,而可以在同一力学模型上进行影响向量的计算。

受调向量与施调向量的元素相等,这种调值计算称为等变量的调值计算。

当结构满足线性叠加时,有:
津沪联络线特大桥在全桥合拢后,进行索力二次调整,其二次调整值按影响矩阵法进行计算,首先用有限元软件桥梁博士建立全桥正装
仿真模型,施工阶段完全按实际模拟,调索顺序按先长索后短索原则,先调59墩再调60墩最后是61墩的顺序进行。

本桥的受调向量及施调向量均为拉索内力,根据有限元模型可求出索力的影响矩阵,根据上节介绍的影响矩阵法理论,可得施调索力,如表4所示。

成桥后二次调索过程中调索组根据油压表和单根压力传感器来控制张拉力,每张拉一束由监控组测量张拉后索的频率,根据频率与索力的关系,求的张拉后的索力,对索力进行校核,以确保拉索二次调整的精确。

表5～表7中所示索力目标值3200kN,基频为全桥二次调整完成后全桥拉索通测频率,计算值即频率法计算结果,误差为计算值与目标值之间误差。

从测试结果可以看出,本桥索力二次调整结果误差控制在了±5％以内。

4 结语
矮塔斜拉桥是近20年来刚刚出现的,瑞士、日本、韩国等一些国家率先修建了多座此种类型的桥梁。

矮塔斜拉桥是介于刚构连续梁和斜拉桥之间的一种新梁型,结构受力由梁和索共同分担,结构合理,承载性能优越。

一般地,矮塔斜拉桥不作二次调索,在京沪高速铁路天津枢纽津沪联络线斜拉桥索力张拉施工过程中,为达到精确控制的目的,深入研究了斜拉索张拉控制的理论及计算方法,最终采用了修正的索力计算公式和影响矩阵法,成功指导了索力张拉,并得到结论如下。

(1)由于本桥吊杆直径较大,L/D相对较小,杆件抗弯刚度的影响不
能忽略,传统的吊杆索力公式不能适用于本桥吊杆,在本桥的监测中对索力计算公式进行了修正。

(2)为精确控制,在二次调索之前,针对目标索力根据影响矩阵法确定了各索的索力张拉值。

实践证明,上述理论计算方法科学、合理,计算值与实测值之间的误差控制在±5%以内,且满足索力控制要求。

参考文献
[1] 段丰军,贾卫中.矮塔斜拉桥缆索挂设施工技术[J].世界桥梁,2008(增1).
[2] 李保明.矮塔斜拉桥索塔施工技术[J].山西交通科技,2004(12).
[3] 胡传超.矮塔斜拉桥斜拉索施工工艺及应用[J].西部探矿工程,2008(4).
[4] 邓秦峰,周敏娟.龙门黄河大桥矮塔斜拉桥斜拉索施工工艺[J].石家庄铁道学院学报,2006(5).。