基于大跨度斜拉桥超长斜拉索下料控制技术

熊佳雯 1 张国强 2 韦妮采 3

1.柳州欧维姆工程有限公司 广西 柳州 545005； 2.河北中交远洲工程试验检测有限公司 河北 石家庄 050000； 3. 柳州众希工程管理有限公司 广西 柳州 545001

摘 要：在大跨度斜拉桥的拉索安装过程中，钢绞线拉索的下料精度控制是关键环节之一。本文采用解析法，综合考虑拉索索力、垂度影响以及环境温差等因素，分析计算钢绞线拉索的精确下料长度以及PE护套剥除长度，解决了大跨度超长钢绞线拉索下料误差导致废料及PE剥除过长影响拉索防腐效果的问题。

关键词：斜拉桥；钢绞线拉索；索长计算；下料控制；斜拉索防腐；

1 前言

平行钢绞线拉索因施工便捷、施工过程安全性高，其结构在经济性、耐久性和后期维护方面都优于平行钢丝拉索的特性，在斜拉桥设计中，特别是大跨径斜拉桥的设计中得到越来越广泛的应用。钢绞线斜拉索在制造和安装过程中，下料控制是关键控制环节之一。钢绞线下料控制包括两方面内容：①钢绞线的下料长度控制；②钢绞线两端PE护套剥除长度控制。若钢绞线下料长度控制不精确，则会造成原材料损耗量过大，而且还会影响到两端PE护套剥除长度的准确度；而钢绞线两端PE护套剥除长度控制不精确，则会直接影响到施工质量。剥除过长，会导致钢绞线暴露在自然环境中，严重影响拉索体系的防腐性能、降低了耐久性；剥除过短，会导致PE护套进入锚孔，降低拉索体系的锚固性能，留下安全隐患。在大跨径超长钢绞线拉索体系的应用中，受各种因素的影响，上述问题尤为突出，因此，在超长钢绞线拉索体系中，钢绞线的下料精度控制需要从拉索索力、垂度影响、施工误差以及环境温差等多个方面综合考虑计算。

2 斜拉索钢绞线下料长度计算

钢绞线拉索锚具分为张拉端锚具和固定端锚具两类，张拉端锚具由锚板、支撑筒、密封桶、密封装置、螺母组成；固定端由锚板、密封桶、密封装置组成。在钢绞线下料长度计算时，通常以设计给定的张拉端和锚固端两锚垫板端面中心连线作为基础数据展开计算，该长度定义为两锚点间距L₀。斜拉索挂索施工时前几根挂设的钢绞线拉索需要承担HDPE外护套管的重量，因此其受力状况不同于其他拉索，该拉索称为加长辅助索。随着共同承担HDPE外护套管重量的拉索增多，HDPE外护套管自重对钢绞线的垂度影响逐渐降低至可忽略不计，此时，可根据斜拉索成桥线性计算钢绞线长度，称为普通索。

图1 斜拉索钢绞线下料长度示意图

在中小跨径斜拉桥中，选用第一根挂设的钢绞线作为加长辅助索。但，在超长斜拉索施工中，加长辅助索的数量可以根据实际工况增加。

2.1 普通索钢绞线下料长度计算

普通索钢绞线下料长度按下式：

（公式1）

式中：

L——单根钢绞线下料长度；

L₀——设计斜拉索两锚点间距离；

L₁——张拉端工作长度，见公式4；

L₂——固定端工作长度，见公式5；

L₃——塔梁施工误差（根据实测结果）；

——成桥后斜拉索的垂度影响，见公式3。

2.2 成桥后斜拉索垂度影响计算

在设计图纸上设计师往往给出斜拉索两端锚点的三维坐标，通过坐标可以求出两点之间的直线段长度，即：L₀。而实际上，拉索在索力和自重共同作用，呈现的是曲线状态，该曲线段长度为S。拉索垂度影响 就等于曲线长度S与锚点间距L_O之差。

图2 斜拉索垂度影响示意图

垂度影响公式，推导如下：

如图2所示， 为斜索每延米自重， 为斜索跨中 的径向挠度。拉索为受拉杆件，不产生弯矩，因此得到：

（公式2）

拉索理论形态为悬链线，但是在索力作用下，拉索形态可近似地按抛物线计算，索的长度为：

（公式3）

其中：

——成桥后斜拉索的垂度影响；

L₀——设计斜拉索两锚点间距离；

q——斜拉索每延米自重；

α——拉索仰角，单位为°；

T——斜拉索成桥索力。

2.3 张拉工作长度计算

钢绞线的张拉工作长度是钢绞线进行张拉施工时根据施工工具及设备所需要的空间而决定的，可根据实际工作情况按下式计算。

图3 钢绞线张拉工作示意图

钢绞线张拉工作长度如上图所示：

（公式4）

式中：

L₁——张拉工作长度；

D₁——锚具厚度；

H₁——张拉撑脚高度；

H₂——千斤顶高度；

D₂——传感器厚度；

D₃——单孔锚厚度；

H₃——钢绞线预留长度， H₃≥50mm；

H₄——钢绞线牵引段长度。

2.4 固定端工作长度计算

图4 固定端结构示意图

钢绞线体系斜拉索固定端结构示意图如图4所示，固定端工作长度包括固定端预留长度、锚板厚度以及垫板厚度。

固定端工作长度如上图所示：

（公式5）

式中：

L₂——固定端工作长度；

A₂——固定端预留长度；

E₂——固定端锚板厚度；

T₃——垫板厚度。

2.5 加长索钢绞线下料长度计算

加长索钢绞线下料长度按下式：

（公式6）

式中：

L_j——加长索钢绞线下料长度；

L₀——设计斜拉索两锚点间距离；

L₁——张拉端工作长度，见公式；

L₂——固定端工作长度，见公式；

L₃——塔梁施工误差（根据实测结果）；

——挂设HDPE外护套管垂度影响，见公式3。

3 钢绞线PE护套剥除长度计算

钢绞线斜拉索通常采用“单根无黏结环氧涂层（镀锌）+PE护套+管内填充油脂+整束外套HDPE外护套管”的多重防腐体系。而锚固钢绞线时必须要剥除外包PE护套，并清洗填充的油脂。现有的钢绞线拉索锚固体系均设置有一定长度的密封筒，剥除PE护套后的钢绞线应进入到密封筒内，最后填充油脂防护。如果下料长度和PE护套剥除长度控制不准确，导致误差超过了密封筒的极限容量，无论PE护套剥长剥短都会造成质量问题，严重的还会影响到斜拉索的使用寿命和运行安全。因此，PE护套的剥除计算和施工控制都非常重要。

3.1 张拉端PE护套剥除长度计算

如图5所示，钢绞线在单根张拉到位后的状态必须是保证PE护套剥除面在密封装置与锚板之间才能起到防腐作用。若剥除长度过短，钢绞线张拉后剥除面会与锚板接触，若PE护套未进入锚孔，则会因挤压形成鼓包挡住周围的锚孔导致周围拉索无法安装；若PE护套进入锚孔，则会影响到夹片的锚固效果，甚至引发坠索，造成重大损失。PE管剥除长度过长，钢绞线张拉后PE剥除面仍处于密封装置之外，钢绞线失去了PE护套和防腐油脂的保护，其防腐性能大大减弱，且该薄弱环节通常位于塔端索导管内，无论常规检测还是专项检查均不是检测项目，隐患长期存在，严重缩短斜拉索的使用寿命。

图5 张拉端结构示意图

密封装置至锚板间距离为L_m，计算公式如下：

（公式7）

式中：

L_m——密封装置至锚板间的距离；

Z₁——张拉端支承筒长度；

M₀——密封筒长度；

M₁——密封装置厚度；

M₂——密封装置安装余量；

——密封筒承插长度。

钢绞线拉索采用的聚乙烯护套与钢绞线间的抗摩擦力大于3000N/m，即包裹长度为300mm试件的抗摩擦力应大于1000N。对于斜拉桥而言，斜拉索长度普遍大于30m，护套与钢绞线间的抗摩擦力大于100kN，因此钢绞线在张拉过程中，PE护套管会随钢绞线一并伸长，即：PE护套管在钢绞线张拉过程中伸长量等于钢绞线张拉伸长量。

钢绞线张拉伸长量计算公式如下：

（公式8）

式中：

——钢绞线伸长量；

L₀——设计斜拉索两锚点间距离；

T_e——钢绞线张拉力，根据施工过程中单根张拉力计算；

E——钢绞线弹性模量, ；

A——钢绞线截面积，A=140mm²。

3.2 张拉端PE护套剥除长度判定

张拉端PE护套剥除长度计算分为两种情况：

当 时，即：钢绞线张拉至成桥索力时的伸长量小于密封装置至锚板间距离。该情况下，张拉端PE护套剥除长度公式如下：

（公式9）

式中：

L_张剥——张拉端PE剥除长度；

A₁——张拉作业长度，即L₁-D₁；

E₁——张拉端锚板厚度；

L_m——密封装置到锚板间的距离，见公式7。

当 时，即：钢绞线张拉至成桥索力时的伸长量大于密封装置至锚板间距离，该情况下，张拉端PE护套剥除长度公式如下：

（公式10）

3.3 固定端剥除PE护套长度计算

如图4所示，固定端钢绞线PE护套的剥除长度仅需要考虑钢绞线剥除PE段能够完全进入密封筒区间又不会超过锚板即可，所以固定端PE护套剥除长度应为固定端预留长度、锚板厚度以及垫板厚度之和，即固定端工作长度。

固定端PE护套剥除长度公式如下：

（公式11）

其中：

L_固剥——固定端PE护套剥除长度；

L₂——固定端工作长度。

4 计算示例

鸭池河特大桥位于贵州省贵阳至黔西高速公路上，桥梁全长1466.5m，主桥布置为（220+800+220）m的双塔双索面混合梁斜拉索桥。鸭池河大桥全桥钢绞线计划用量为3276t。以鸭池河大桥边跨最长的斜拉索S24作为计算示例。

4.1 斜拉索下料计算基本参数

表1 鸭池河大桥S24斜拉索下料计算基本参数

序号	参 数	符号	单位	数值
1	两锚点间距（空间索长）	L0	M	263.93
2	斜拉索仰角	α	°	39.81
3	成桥索力	T	kN	6368
4	塔梁施工误差	L3	m	0.1
5	锚具厚度	D1	m	0.35
6	张拉撑脚高度	H1	m	0.40
7	千斤顶高度	H2	m	0.65
8	传感器厚度	D2	m	0.10
9	单孔锚厚度	D3	m	0.07
10	钢绞线预留长度	H3	m	0.05
11	墩头长度	H4	m	0.13
12	固定端预留长度	A2	m	0.57
13	固定端锚板厚度	E2	m	0.175
14	垫板厚度	T3	m	0.06
15	张拉端工作长度	L1	m	1.75
16	固定端工作长度	L2	m	0.805
17	斜拉索的垂度影响		m	0.205
18	HDPE管的垂度影响		m	7.314
19	密封装置至锚板间距离	Lm	m	0.525
20	钢绞线张拉伸长量		m	0.732

4.2普通索下料计算示例

根据公式1计算该斜拉索普通索钢绞线下料长度如下：

由于， ，因此，根据公式10计算该斜拉索普通索钢绞线张拉端PE管剥除长度如下：

根据公式11计算该斜拉索普通索钢绞线固定端PE管剥除长度如下：

4.3加长索下料计算示例

根据公式6计算该斜拉索加长索钢绞线下料长度如下：

加长索张拉端PE护套剥除长度计算如下：

L_jb= =（2.307+7.314）m=9.621m

5 结论

该下料控制技术已经成功地应用于贵州鸭池河特大桥、贵州北盘江特大桥、贵州六广河特大桥等大跨度斜拉桥工程中。其中，鸭池河特大桥位于贵州省贵阳至黔西高速公路上，桥梁全长1466.5m，主桥布置为（220+800+220）m的双塔双索面混合梁斜拉索桥。鸭池河大桥全桥钢绞线计划用量为3276t，实际用量为3372t，钢绞线损耗率仅为2.94%；经专项检查，全桥斜拉索防腐性能效果良好。该钢绞线索长下料控制技术有效精确地计算出下料索长，结合施工现场下料控制能有效的降低钢绞线拉索损耗率，同时，通过精确计算钢绞线外包裹PE的剥除长度，能有效地建立斜拉索体系的第二道防线，确保在工作状态下斜拉索的使用寿命。

参考文献：

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[2] .项海帆． 高等桥梁结构理论 [M]． 北京 ： 人民交通出版社，2001

[3] .严国敏． 现代斜拉桥 [M]．成都 ：西南交通大学出版社 ， 1995．

[4] .苑仁安，秦顺全，等, 无应力状态法在钢绞线斜拉索施工中的应用[J]. 桥梁建设 ，2012，43（3）:75-79.

作者简介：

熊佳雯（1989），女，主要从事桥梁工程预应力施工技术研究工作；

张国强（1985），男，主要从事工程结构检测、试验及监控控制技术等研究工作；

韦妮采（1994），女，主要从事工程造价及管理等方面工作。