矮塔斜拉桥施工控制中的索力监测方案研究
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摘要：矮塔斜拉桥是高次超静定结构，其设计与施工高度耦合，理想的几何线型与合理的内力状态不仅与设计有关，而且还依赖于科学合理的施工方法。如何通过施工过程中斜拉索索力的张拉控制以及主梁标高调整来获得预先设计的应力状态和几何线型，是斜拉桥施工中非常关键的问题。
关键词：矮塔斜拉桥施工控制索力监测
中图分类号： U448 文献标识码：A
近些年来，矮塔斜拉桥由于其造型优美、跨径布置灵活、施工简便、经济性好等优点，在新建桥梁特别是城市景观桥梁中得到广泛应用。矮塔斜拉桥施工阶段结构的受力变形过程属于一种复杂的随机过程，因此必须在矮塔斜拉桥施工过程中采集相关的数据，通过检测和计算分析，对斜拉桥的张拉索力及安装标高予以调整和控制，从而保证矮塔斜拉桥在施工过程中的受力和变形状态处于设计所要求的范围内，使成桥后主梁的线形符合设计期望。
一、工程概况
某矮塔斜拉桥设计为双向六车道，荷载等级为城―A。桥梁采用单塔双索面斜拉桥，塔、墩、梁固结，主梁为预应力混凝土箱梁，钢筋混凝土主塔。主跨78米，边跨为58米，主塔高度为50.0米。主梁采用单箱六室流线型等截面预应力混凝土箱梁。梁顶设置1.5%的横坡，箱梁在拉索处梁高2.5米，桥梁中心线处梁高2.7米。
二、索力监测
（一）测试方法
本桥采用频谱法与压力环法相结合的方法进行索力监测。频谱分析法利用临时紧固在斜拉索上的高灵敏传感器拾取缆索在环境激振下的脉动信号，经过滤波、放大、谱分析，根据频谱图来确定缆索的自振频率，进而求得索力。此方法所测索力值为脉动条件下的索力值，故应该避开风、雨引起的风振、雨振的影响，一般风力超过四级、下雨情况下不宜测量。
在张拉千斤顶下加锚索计（一种高精度的进口荷重压力传感器），利用锚索计的精确读数来标定确认同一批张拉索的索力值。
索力参数标定：频谱分析法索力公式推导时采用的是简化的计算模型，与实际情况存在一定的差异。为了减小测试误差，需要标定斜拉索的参数。对斜拉索按直径分类，每类挑选长、中、短三根索，根据缆索工作的索力范围，选择不同的吨位，进行标定，得出频率与索力的关系，以此对理论公式进行修正来换算索力。索力标定采用高精度的千斤顶及油压表，在施工现场进行。
最短的两对索采用压力环法，其余索采用频谱法。
具体做法是：施工单位分级张拉，每张拉一次，测试一次，一般进行四、五次张拉达到设计吨位，调整理论参数，使测试值与张拉值相吻合。要求张拉用的千斤顶必须严格标定，张拉过程严格按照技术员的要求进行。
（二）测试状态和频度
① 预应力混凝土箱梁满堂支架浇筑后，主梁压重、张拉斜拉索、斜拉索补张拉等施工工况下，测试已张拉的斜拉索的索力；
② 每张拉对称的两对索后，对所有已张拉的索力作一次统测，并进行相互的校验，分析数据准备下一阶段的张拉，此过程需要3~4人。
③ 在拆除临时支墩前后对全桥作一次统测，看变化是否显著，此过程需要3~4人。
④ 在施加二期恒载前后对全桥索力作一次统测，此过程需要3~4人。
（三）测试原理
索力动测仪的测试原理是频谱分析法，利用紧固在拉索上的高灵敏度传感器，拾取斜拉索在环境激励下的振动信号，经过滤波、放大、谱分析，得出拉索的自振频率，根据自振频率与索力的关系来确定索力，这是一种间接的测量方法。
索力与频率的关系，可以推导如下：
在拉索上取一微元，平衡方程为：
(1)
其中：EI――拉索的弯曲刚度；
P――索力；
m――拉索单元长度的质量；
y――拉索振幅；
x――沿拉索方向的坐标。
在斜拉索两端铰支的情况下，(1)式的解为：
(2)
其中：l――拉索的计算长度；
k――斜拉索自振频率阶数；
fk――斜拉索的第k阶自振频率。
对于大跨度斜拉桥而言，结构轻柔，斜拉索长而细，很小，(2)式即可简化为：
(3)
对于同一根斜拉索，P恒定时，是一恒值，则有：
(4)
亦有：
即：
反映在频谱图上，各阶频率是等间距单位，其间距值大小等于基频f1。在实际测量过程中，可以充分利用这个特性，来判断是否为斜拉索自振的频谱，凡与斜拉索振动的频谱特征一致的频谱图，才确认为拉索震动的频谱图，否则要分析原因，检查仪器，重新测量，这样才能保证测试结果的正确性。
三 结语
本文以某单塔双索面矮塔斜拉桥为依托工程，开展了施工控制中的索力监测研究，总结了频谱法与压力环法的测试原理及测试方法，制定了索力监测方案，确保了该桥施工中的安全及受力和变形状态处于设计所要求的范围内，使成桥后主梁的线形和内力符合要求，达到了桥梁施工控制的目的。
参考文献：
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