摘 要：為提高懸索橋索夾螺桿張拉施工的質(zhì)量與效率，在傳統(tǒng)螺桿張拉工藝基礎(chǔ)上，提出增加螺母轉(zhuǎn)角作為額外的輔助控 制參量，優(yōu)先考慮同步張拉工藝，采用超聲技術(shù)測(cè)量螺桿的張拉回縮損失進(jìn)而修正施工荷載再完成張拉，以及適度增加有效 穩(wěn)壓持荷時(shí)間的索夾螺桿張拉施工控制技術(shù)。將該技術(shù)在五峰山長(zhǎng)江大橋進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試和應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果表明：采用轉(zhuǎn)角輔 助張拉能夠有效提高螺桿緊固質(zhì)量，螺桿平均軸力提高到941.0kN;同步張拉避免了軸力重分配造成的軸力損失;修正施工 荷載使得螺桿軸力控制偏差不超過5%;穩(wěn)壓持荷大幅加快了主纜的收縮速度;采用該技術(shù)進(jìn)行吊裝主梁前的全橋螺桿張拉， 抽檢軸力均值達(dá)到940kN，超出設(shè)計(jì)軸力170kN，實(shí)現(xiàn)了懸索橋索夾螺桿的高質(zhì)量、高效率緊固施工。

　　關(guān)鍵詞：懸索橋;索夾螺桿;轉(zhuǎn)角;同步張拉;超聲檢測(cè);回縮損失;穩(wěn)壓持荷;施工控制

　　1 引 言

　　索夾是懸索橋“生命線”———主纜與吊索連接的 關(guān)鍵構(gòu)件[1]，以高強(qiáng)度螺桿[2]預(yù)緊抱箍在主纜上，傳 遞大橋荷載。索夾螺桿預(yù)緊力不足將導(dǎo)致索夾在主 纜上發(fā)生滑移[2-4]，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系改變進(jìn)而使得吊索 缺載的風(fēng)險(xiǎn)。 索夾螺桿的傳統(tǒng)張拉方式為采用千斤頂(通常 采用單頂或多頂分組張拉)和特制張拉器將螺桿張 拉至設(shè)計(jì)施工荷載時(shí)持荷，然后人工用短撥桿手動(dòng) 撥緊螺母，最后千斤頂回油卸載完成施工。這種工 藝控制參量單一，張拉效果差，不同螺桿軸力差別 大，并且存在同一索夾上后張拉螺桿導(dǎo)致先張拉螺 桿軸力降低的問題[5-7]。

　　同時(shí)，在索夾抱緊力的作用 下，主纜內(nèi)部會(huì)發(fā)生鍍鋅鋼絲重新排列和鍍鋅層蠕 變等現(xiàn)象[8-9]，使主纜直徑出現(xiàn)一定的收縮，導(dǎo)致索 夾螺桿軸力衰減。在懸索橋建設(shè)期間，索夾螺桿軸 力的衰減最為迅速和嚴(yán)重，施工單位需反復(fù)多次張 拉以保障結(jié)構(gòu)與施工安全，消耗了大量的人力、物力 與時(shí)間成本。這種情況甚至持續(xù)到大橋通車數(shù)年之 后，如日本關(guān)門橋在通車1200d后螺桿軸力下降 約40%，部分索夾抗滑安全系數(shù)在2.0以下。

　　針對(duì)傳統(tǒng)索夾螺桿張拉施工中存在的張拉控制 參量單一、螺桿緊固力不足且離散性大，以及主纜收 緊緩慢、施工中反復(fù)多次張拉等問題，為實(shí)現(xiàn)索夾螺桿高效和高精度張拉施工，在傳統(tǒng)張拉工藝基礎(chǔ)上， 提出一套懸索橋索夾螺桿施工控制技術(shù)，并在五峰 山長(zhǎng)江大橋進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試和應(yīng)用。

　　2 索夾螺桿張拉施工控制技術(shù)

　　2.1 螺母轉(zhuǎn)角輔助張拉

　　由于傳統(tǒng)張拉工藝僅以千斤頂輸出荷載作為控 制參量，因此在螺桿張拉過程中增加螺母轉(zhuǎn)角作為 參量，輔助控制螺桿張拉施工。 當(dāng)螺桿軸力從 F1 增加至設(shè)計(jì)施工荷載 Fn 時(shí) (彈性 階 段)，張 拉 側(cè) 的 螺 母 相 對(duì) 螺 桿 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的 角 度 θ(°)為： θ=360× (Fn -F1)× (l+d) Ehπd2/4 (1) 式中，E 為螺桿材料的彈性模量;h為螺紋的螺距;d 為螺桿的公稱直徑;l為螺桿張拉時(shí)的兩側(cè)螺母內(nèi) 間距。

　　螺桿張拉施工時(shí)，當(dāng)千斤頂張拉荷載從 F1 增 加至 Fn 時(shí)，撥動(dòng)張拉器，此時(shí)螺桿螺母(認(rèn)為千斤 頂荷載為F1 時(shí)已有效旋緊)若能有效轉(zhuǎn)動(dòng)與張拉 荷載增量值相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)角θ，則認(rèn)為螺桿在該過程中 可以獲得Fn-F1 的有效軸力。當(dāng)短撥桿不能用手 撥動(dòng)，即螺母不能有效旋緊時(shí)，可以考慮采用小錘適 度敲擊完成。首次張拉時(shí)，F(xiàn)1 一般考慮為設(shè)計(jì)施工荷載Fn 的10%～20%。

　　2.2 同步張拉

　　國(guó)內(nèi)懸索橋索夾螺桿張拉工藝經(jīng)歷了單頂張 拉、多頂分組張拉和同步張拉方式的演變。單頂或 多頂分組張拉時(shí)，單個(gè)索夾上螺桿存在高強(qiáng)度螺栓 軸力重分配問題，而且由于主纜的松散性，此問題愈 發(fā)嚴(yán)重，因此工程中建議優(yōu)先選用同步張拉方式進(jìn) 行施工。若因特殊情況不能進(jìn)行同步張拉，則盡量 間隔分2組進(jìn)行張拉，并且先張拉螺桿組需要進(jìn)行 第2次張拉。單頂和多頂張拉可以作為在張拉完成 后，對(duì)軸力偏低的少量螺桿進(jìn)行補(bǔ)拉的方式。

　　2.3 修正施工荷載張拉

　　索夾螺桿張拉時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)不同螺桿軸力均勻 性差的問題，而單個(gè)索夾上螺桿軸力隨時(shí)間的衰減 相對(duì)一致(單個(gè)索夾處的主纜隨時(shí)間收緊程度基本 均勻)。這是由不同螺桿張拉時(shí)的回縮損失偏差較 大造成的。回縮損失受螺桿和螺母加工公差，螺母 與墊圈、墊圈與索夾表面粗糙度，以及工人撥緊螺母 有效程度等影響。轉(zhuǎn)角輔助控制技術(shù)在一定程度上 改善了這一問題。為進(jìn)一步提高索夾螺桿的精度， 將超聲檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)張拉法結(jié)合，通過測(cè)量每根 螺桿張拉時(shí)產(chǎn)生的回縮損失，修正設(shè)計(jì)施工荷載，完 成螺桿的精細(xì)化施工。

　　在操作過程中，假定90%設(shè)計(jì)施工荷載張拉后 的回縮損失與設(shè)計(jì)施工荷載張拉后的回縮損失基本 一致。當(dāng)進(jìn)行索夾螺桿的最后一級(jí)張拉時(shí)，首先將 千斤頂加載至90%設(shè)計(jì)施工荷載，按照正常操作撥 緊螺母。然后將千斤頂回油卸載，卸載前、后使用超 聲檢測(cè) 得 到 張 拉 引 起 的 螺 桿 軸 力 實(shí) 際 回 縮 損 失 ΔF，并結(jié)合設(shè)計(jì)要求的螺桿成橋軸力 F，將該螺桿 的設(shè)計(jì)施工軸力調(diào)整修正為F+ΔF。最后，以修正 后的施工荷載進(jìn)行張拉，按照正常操作撥緊螺母，然 后千斤頂回油卸載，完成螺桿張拉施工。

　　2.4 增加有效穩(wěn)壓持荷時(shí)間

　　懸索橋主纜受索夾抱緊而緩慢地發(fā)生鋼絲重新 排列、鍍鋅層部分蠕變等現(xiàn)象使得主纜收縮，導(dǎo)致螺 桿軸力衰減，直至主纜達(dá)到某種密實(shí)狀態(tài)，此時(shí)主纜 徑向的抵抗力與衰減后的索夾抱緊力(基本對(duì)應(yīng)螺 桿軸力和的一半)達(dá)到平衡;同時(shí)，主纜受索夾抱緊 逐漸收緊密實(shí)，收緊速度與索夾抱緊力相關(guān)，抱緊力 越大主纜收緊速度越快。據(jù)此提出增加有效穩(wěn)壓持 荷時(shí)間的索夾螺桿高效施工方法：在同步張拉工藝 下增加千斤頂輸出最大施工荷載時(shí)的穩(wěn)壓持荷時(shí) 間，控制設(shè)定時(shí)間段內(nèi)螺母可轉(zhuǎn)動(dòng)角度的閾值(如持荷10min螺母轉(zhuǎn)角低于8°)，以大幅加速主纜在施 工過程中的有效收緊程度。該方式能夠顯著減少螺 桿張拉施工量，并降低成橋運(yùn)營(yíng)期螺桿軸力的衰減 速度。

　　3 工程應(yīng)用測(cè)試

　　五峰山長(zhǎng)江大橋?yàn)?84+84+1092+84+84) m 公鐵兩用鋼桁梁懸索橋，加勁梁采用板桁結(jié)合鋼 桁梁結(jié)構(gòu)。大橋主跨上、下游各77個(gè)索夾，均為左 右抱合式，全橋共有吊索索夾螺桿1534根。所用 螺桿的螺紋規(guī)格為 M52，縮腰形設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度為1380 mm，材質(zhì)為40CrNiMoA。成橋螺桿軸力要求770 kN 以上，設(shè)計(jì)施工荷載為1100kN，對(duì)應(yīng)所用張拉 千斤頂?shù)臉?biāo)定油壓為84.5MPa。

　　在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試時(shí)，隨機(jī)選取靠近鎮(zhèn)江側(cè) 下游3/8處索夾作為測(cè)試對(duì)象，該索夾左、右側(cè)各9 根螺桿。索夾螺桿軸力 檢測(cè)的傳統(tǒng)方法———“拔出法”檢測(cè)精度較低，采用 超聲技術(shù)測(cè)量索夾螺桿軸力[10-11]。

　　3.1 轉(zhuǎn)角輔助張拉測(cè)試

　　為驗(yàn)證轉(zhuǎn)角輔助張拉的有效性，進(jìn)行轉(zhuǎn)角輔助 張拉和手動(dòng)撥緊拔桿的張拉測(cè)試，并將2種測(cè)試結(jié) 果進(jìn)行對(duì)比。采用手動(dòng)撥緊拔桿的方式張拉1～3 號(hào)螺桿，當(dāng)千斤頂加載至84.5 MPa(相當(dāng)于施工荷 載1100kN)后撥緊螺母卸載回油，然后測(cè)量螺桿 軸力。采用轉(zhuǎn)角輔助張拉測(cè)試時(shí)，千斤頂分2級(jí)張 拉，第一級(jí)千斤頂油壓加載至50 MPa，第二級(jí)千斤 頂油壓 加 載 至 84.5 MPa。

　　當(dāng) 千 斤 頂 加 載 至 50 MPa，用小錘適度敲擊撥桿確保鎖緊螺母，再加載至 84.5MPa。根據(jù)公式(1)計(jì)算得到螺母需要轉(zhuǎn)動(dòng)的 角度為158°，若螺母轉(zhuǎn)角未達(dá)到158°，則采用小錘 適度敲擊撥桿直至螺母不再轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)停止敲擊，然后 千斤頂回油，最后測(cè)量螺桿軸力。與手動(dòng)撥緊相 比，采用轉(zhuǎn)角輔助張拉，螺桿平均軸力從672.4kN 提高到941.0kN，提高了268.6kN，相當(dāng)于螺桿成 橋設(shè)計(jì)軸力的35%，表明轉(zhuǎn)角輔助張拉控制在一定 程度上改進(jìn)了螺桿施工質(zhì)量。

　　3.2 同步張拉測(cè)試

　　為明確索夾螺桿同步張拉的必要性以及研究分 組張拉存在的問題，在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行2種方法對(duì)比 測(cè)試。被測(cè)試索夾有左、右2排螺桿，各9根。分組 張拉測(cè)試時(shí)，螺桿在首次張拉完成4周之后再次張 拉，先張拉1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、9號(hào)的5對(duì)螺桿，再 張拉2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、8號(hào)的4對(duì)螺桿，利用超聲測(cè) 量技術(shù)測(cè)量索夾右側(cè)9根螺桿的軸力。

　　后張拉4對(duì)螺桿時(shí)，對(duì)先張拉5對(duì) 螺桿的軸力產(chǎn)生了較大的影響，因軸力重分配因素 導(dǎo)致先張拉的5根螺桿軸力損失均值為229.7kN， 其設(shè)計(jì)軸力為770kN，損失了29.8%。原因在于建 設(shè)期主纜的松散性，在后張拉4對(duì)螺桿時(shí)，索夾抱緊 力疊加先張拉5對(duì)螺桿的剩余軸力，對(duì)主纜產(chǎn)生了 更大的抱緊力，使其進(jìn)一步收縮。張拉完成后的螺 桿軸力均值為774.0kN，剛剛超過設(shè)計(jì)軸力，若僅 考慮回縮損失，平均回縮198.4kN。

　　分組張拉10d后，對(duì)該索夾進(jìn)行同步張拉測(cè) 試。同步張拉方式避免了軸力重分配 的問題，同步張拉后軸力均值為928.5kN，與分2 組張拉的均值774.0kN 相比，提高了 154.5kN。 僅考慮回縮損失均值為171.5kN，相比分2組張拉 的損失均值198.4kN，減少了26.9kN。可見，在 實(shí)橋建設(shè)過程中，宜采用同步張拉方式，若因現(xiàn)場(chǎng)情 況不能同步張拉時(shí)，盡量分2組進(jìn)行張拉，并且先張 拉螺桿組需要進(jìn)行第2次張拉以彌補(bǔ)損失。

　　3.3 修正施工荷載張拉測(cè)試

　　為驗(yàn)證修正施工荷載張拉螺桿的效果，在現(xiàn)場(chǎng) 進(jìn)行了相應(yīng)測(cè)試。螺桿分50 MPa、84.5 MPa兩級(jí) 張拉，在第2級(jí)張拉時(shí)先將千斤頂輸出荷載調(diào)整至 90%設(shè)計(jì)施工荷載對(duì)應(yīng)的數(shù)值，即990kN(對(duì)應(yīng)千 斤頂油壓76.1MPa)，螺桿撥緊后千斤頂卸載回油， 測(cè)量此時(shí)的螺桿軸力，可得到此次張拉的回縮損失值。該回縮損失與設(shè)計(jì)施工荷載對(duì)應(yīng)的回縮損失基 本相當(dāng)，在此基礎(chǔ)上加上成橋設(shè)計(jì)軸力770kN，得 到修正后的施工荷載。為簡(jiǎn)便測(cè)試，采用單頂對(duì)單 根螺桿進(jìn)行超聲張拉測(cè)試。由于考慮了每根螺桿的實(shí)際回縮 損失，并以修正后的施工荷載完成張拉的最后階段， 使得張拉后的螺桿軸力與設(shè)計(jì)軸力的偏差絕對(duì)值不 超過5%，相比傳統(tǒng)張拉工藝的施工質(zhì)量大幅度提 升。由于螺桿軸力的衰減問題，實(shí)橋工程中應(yīng)該根 據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

　　3.4 增加有效穩(wěn)壓持荷時(shí)間測(cè)試

　　荷載張拉持荷時(shí)，單個(gè)索夾上所有螺桿索夾抱 緊力最大。此時(shí)主纜的收緊速度最快，因此采用同 步張拉方式是增加有效穩(wěn)壓持荷時(shí)間以達(dá)到高效施 工的前提條件。 在同步張拉方式下，千斤頂加載至設(shè)計(jì)施工荷 載時(shí)增加持荷時(shí)間，以加快主纜的收縮速度，降低后 期螺桿軸力的損失。首先將千斤頂逐漸加載至設(shè)計(jì) 施工荷載，有效鎖緊螺母;然后千斤頂穩(wěn)壓持荷(即 保證千斤頂壓力表一直處在84.5 MPa位置，降低 時(shí)即可補(bǔ)壓)，以10min為1個(gè)時(shí)間段，10min時(shí)以 同 樣方式有效鎖緊螺母，并測(cè)量此時(shí)螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。該測(cè)試持續(xù)60min，60min時(shí)螺母基本不再轉(zhuǎn) 動(dòng)。

　　千 斤 頂 穩(wěn) 壓 持 荷 3 個(gè) 階 段 (30 min)，持荷過程中螺母累計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度均值為345°， 根據(jù)公式(1)計(jì)算出對(duì)應(yīng)螺桿軸力增量為977kN， 該軸力增量全部被主纜收緊變細(xì)的因素所抵消，超 過螺桿設(shè)計(jì)軸力 770kN 約 27%;第 4 個(gè)階段(10 min)內(nèi)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)角度均值已減少至15°;最后1個(gè) 階段(10min)只有5°。

　　考慮施工時(shí)間成本，在實(shí)際 操作時(shí)，設(shè)置10min內(nèi)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)10°～15°的停止持 荷閾值。如果在張拉時(shí)不進(jìn)行穩(wěn)壓持荷或是穩(wěn)壓持 荷時(shí)間很短，則需要在后面的張拉工作中將這977 kN 對(duì)應(yīng)的主纜收緊程度完成，驗(yàn)證了張拉時(shí)增加 穩(wěn)壓持荷30min(或根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)閾值控制停止持荷) 的必要性。 綜上所述，在全橋螺桿同步張拉時(shí)按照控制條 件進(jìn)行穩(wěn)壓持荷，索夾處主纜的收緊速度將大幅加 快，降低后期螺桿軸力的損失，可減少張拉次數(shù)。另 外，增加持荷時(shí)間也能夠縮短主纜收緊至最終穩(wěn)定 的時(shí)間，利于大橋運(yùn)營(yíng)期的管養(yǎng)質(zhì)量和安全。

　　3.5 實(shí)橋張拉控制效果

　　吊裝主梁是懸索橋施工過程中的重要階段，此 時(shí)需要嚴(yán)格保證索夾螺桿的緊固質(zhì)量，防止在吊裝 主梁過程中出現(xiàn)索夾滑移問題。因此，在該橋吊裝 主梁之前的索夾螺桿張拉工作中采取了螺母轉(zhuǎn)角輔 助張拉、同步張拉、增加有效持荷時(shí)間等技術(shù)手段， 并在張拉完成后，采用超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)全橋索夾螺 桿軸力進(jìn)行了抽檢。在大橋上游抽檢螺桿中，軸力最小 為745kN、最大為 1090kN，軸力均值為940kN， 相比設(shè)計(jì)要求軸力770kN 超出170kN，為后期吊 裝 工期內(nèi)的螺桿軸力隨主纜略微收縮，以及吊裝主梁后主纜承載變細(xì)引起螺桿軸力損失儲(chǔ)備了充足的 空間。

　　4 結(jié) 語

　　懸索橋索夾螺桿的傳統(tǒng)張拉工藝難以有效地保 證螺桿施工質(zhì)量和效率，存在軸力不足且離散性大， 施工期間反復(fù)多次張拉等問題。本文在傳統(tǒng)張拉工 藝基礎(chǔ)上，提出一套索夾螺桿施工控制技術(shù)。該技 術(shù)采取增加螺母轉(zhuǎn)角作為除千斤頂油壓以外的控制 參量;優(yōu)先采用同步張拉方式進(jìn)行螺桿張拉施工;采 用超聲技術(shù)測(cè)量張拉回縮損失，修正每根螺桿的施 工荷載再完成張拉;增加千斤頂輸出設(shè)計(jì)施工荷載 時(shí)的穩(wěn)壓持荷時(shí)間，控制設(shè)定時(shí)間內(nèi)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)的角 度閾值。

　　建筑工程師論文投稿刊物：《橋梁建設(shè)》現(xiàn)由中國(guó)鐵路工程總公司主管，中鐵大橋局集團(tuán)有限公司主辦，中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司出版。

　　通過五峰山長(zhǎng)江大橋的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和應(yīng)用表 明：轉(zhuǎn)角輔助張拉能夠?qū)⒕o固后的螺桿平均軸力從 672.4kN 提高到941.0kN;同步張拉避免了軸力 重分配造成的229.7kN軸力損失;修正施工荷載使得 螺桿軸力控制偏差不超過5%;穩(wěn)壓持荷加快了主纜 的 收 縮 速 度 ，在30min內(nèi) 完 成 了977kN螺 桿 軸 力對(duì)應(yīng)的主纜收緊程度，使得全橋張拉次數(shù)比預(yù)計(jì)減少 2次以上;吊裝主梁前抽檢的螺桿軸力均值達(dá)到940 kN，比設(shè)計(jì)要求軸力超出170kN，證實(shí)了該張拉控制 技術(shù)的有效性。該技術(shù)有效提高了現(xiàn)場(chǎng)索夾螺桿張 拉的質(zhì)量和效率，能夠?yàn)閼宜鳂蛩鲓A螺桿施工提供 技術(shù)指導(dǎo)，具有較好的工程推廣應(yīng)用價(jià)值。

　　參 考 文 獻(xiàn)：

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　　作者：陳 明1，伊建軍2，3，鐘繼衛(wèi)2，3，荊國(guó)強(qiáng)2，3，汪正興2，3