北京市五环路斜拉桥的索力测试和分析
2008年第1期
铁 道 建 筑Railway Engineering
文章编号:100321995(2008)0120013203
北京市五环路斜拉桥的索力测试和分析
马 林,魏 峰
(铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京 100081)
摘要:简述频率法测量斜拉桥索力的基本原理及测试方法,并分析影响测量精度的要素。提出了斜拉索
等效计算长度的概念,介绍了标定索力动测仪、确定测量时间、计入锚头回缩等一系列减小测量误差的措施,保证了索力的测量结果。关键词:斜拉索 索力 测试中图分类号:U448127;U446 文献标识码:B 收稿日期:2007208221;修回日期:2007210225
作者简介:马林(1966—),男,吉林长春人,副研究员。
北京市五环路斜拉桥为(45+65+95+40)m 四跨连续,独塔单索面预应力混凝土斜拉桥。塔、梁、墩固结体系,桥面宽度29m ,按6车道设计。全桥位于平曲线半径为1900m 、竖曲线半径为16000m 的曲线上,线形比较复杂。索塔高度与主跨的比例为01389。
本斜拉桥共设6组斜拉索,每组2根,每根斜拉索由451丝<7钢丝组成。单根斜拉索的设计初张力为10100kN ,并有二次调索方案,成桥后的最大索力达11180kN 。如此大吨位的斜拉索在国内应用还比较
少见。张拉后的索力是否符合设计要求,将直接影响到主梁的线形、截面内力的分布以及塔身的弯曲和扭转,索的张拉施工是斜拉桥施工过程中的关键工序之一,准确测量索力十分重要。
1 测试方法
111 测试方法的选择
目前在斜拉索的各种索力测试方法中,只有压力传感器法和频率法具有较高的精度。其中压力传感器精度最高,可达到所测力值的015%,而且可随时读取索力数据。但使用时必须在每根斜拉索的固定端安装一台压力传感器,且不可拆卸,费用比较昂贵。同时由于传感器在长度上占据一定的结构空间,给设计施工增加难度,目前仅在个别索力较小的工程中使用过。频率法是先测量斜拉索的固有自振频率,再换算出索力。频率法存在一定的误差,尤其在安装阻尼减振器后,如何确定索的等效长度十分关键。随着振动理论研究的深入及拾振技术的改进,高灵敏度的拾振仪器已能满足索力测量精度的要求,本桥采用频率法测量
索力。112 频率法测试索力的基本原理
对于两端固定匀质受力的钢索可近似作为弦,在索力一定时,钢索的固有自振频率是不变的。在不考虑钢索弯曲刚度的影响时,张力弦的振动公式为:
T =4ρL 2f 2n Πn 2
(1)式中:T 为钢索的张拉力;ρ为钢索材料的线密度;L 为钢索的等效计算长度;f n 为钢索的第n 阶自振频率;n 为钢索自振频率的阶数,n =1、2、3……。
钢索自振频率的频谱是等间距的,且间距为1阶自振频率,在各阶自振频率中,峰值最高的为主振频率,一般出现在高阶。由于忽略了钢索弯曲刚度、斜度的影响,为减少索力测试的误差,应采用基频来计算索力,基频为主振频率除以它的阶数,如果1阶自振频率的峰值最高,主频即为基频。
式(1)经简化为:
T =K ?F
2
(2)
式中:F 为钢索的基频,F =f n Πn ;K 为比例系数,K =4ρL 2
。
在明确了钢索的材料线密度和等效计算长度后,测量出钢索自振频率的基频就可确定其张拉力。本桥使用的斜拉索外有防护用PC 套管,计算索力时单位长度质量包括防护套。
2 索力测试控制
211 索力动测仪标定
本桥斜拉索的长度在4218～77165m 之间,按设计初张力,索的理论基频在11726～3113H z 之间,动测仪的采样频率按10倍最高信号频率设为40H z 。为保证索力测试的准确,在外侧6根斜拉索分级张拉的同时,对索力动测仪进行了标定,经与理论计算值比较
3
1
(见表1),其基频比值在11000～11015之间,索力比例系数在01994～11018之间,索力比值在11008～11021之间,结果表明设定的采样频率合理,标定后的索力仪相对误差在019%～211%之间,小于5%,测试精度可满足设计要求。
表1 基频实测值与理论计算值比较
索号位
置
A—实测
基频ΠH z
B—理论
基频ΠH z
C—实测比
例系数(K C)
D—理论比
例系数(K D)
AΠB CΠD A2CΠB2D
S3′311433112010121018110070199411009 S3311373113010171011110021100611010 S2′曲线212332123019851950110011101811021 S2外侧212602122719181938110150199011019 S1′117431172632893328110100198811008 S1117301173033433310110001101011010 注:理论计算中索力值为10100kN。
212 锚固后的回缩量及索力测试时间的确定斜拉索的锚具采用的是冷铸锚,在张拉后需拧紧承压螺母,通过锚下垫板将索力传递到主梁。受施工条件的限制,承压螺母不会拧的很紧,同时螺纹也有一定的压密量,造成索力的回缩损失。为准确测定斜拉索的回缩量,在S1′、S1两根索张拉到控制荷载及回油锚固后,跟踪测试了索力变化情况。根据实测结果,在回油锚固后平均回缩损失力为150kN,经计算斜拉索的回缩量为313mm。在随后的斜拉索张拉时相应增加了张拉控制荷载。
受温度的影响,斜拉索的索力在一天中是不断变化的,尤其日照充足时索的温差变化很大,经测试,一天中索力最大变化值可达800kN。为了对施工各阶段测量的索力进行准确评估对比,本桥每次索力测量均选定在早晨5时。
213 斜拉索等效计算长度的确定
本桥斜拉索减震措施采用的是在两端钢导管的入口处设置橡胶阻尼器,橡胶阻尼器嵌在斜拉索和钢导管之间构成阻尼支点,采用的这种黏弹性高阻尼装置,其减震效果良好。
在斜拉索初张阶段,橡胶阻尼器未安装,此时斜拉索的计算长度按两锚固端间的设计长度L取用。在安装橡胶阻尼器形成阻尼支点后,斜拉索被分隔成中间长、两边短的三段。受此影响,斜拉索的固有自振频率将略有提高,实测基频平均提高5%左右。由于索力未发生变化,相当于索的长度被“缩短”,由此引入索的等效计算长度概念,以保证后续施工阶段索力测试的准确。在分别考虑4种等效计算长度L′后,根据实测基频得到的12根索力平均值与安装阻尼器前的实测索力平均值对比表明(见表2),确定本桥斜拉索的等效计算长度取中间段加两侧阻尼支点到锚固端距离的一半比较合理,即L′=L
1
+(L2+L3)Π2。
表2 安装橡胶阻尼器前后索力对比
橡胶阻尼器
等效计算
长度(L′)
12根索力
平均值ΠkN
与无阻尼时
比值Π%未安装
安装
L10750
L1190711108
L1+L2+L3Π21120811043
L1+(L2+L3)Π21086511010
L1976601909
注:L=L1+L2+L3 L1—中间段长度,L2—塔端阻尼支点到锚固处长度,L3—梁端阻尼支点到锚固处长度。
3 索力测试结果
斜拉索的张拉顺序为先张拉曲线外侧6根索,后张拉曲线内侧6根索,从靠近塔端开始,每侧同时对称张拉2根斜拉索。在初张阶段,单索实测索力在9275～10345kN之间,与设计值差值在3115%～-11185%范围内。曲线外侧索力合计值比设计值小4165%,曲线内侧索力合计值比设计值小0103%,全桥12根索力合计值比设计值小2134%。由于受曲线内侧斜拉索张拉后的影响,外侧索力有所下降,实测单根平均下降300kN。随后每天均对索力进行监测,以随时掌握施工过程中支架拆除、转体、顶梁、合龙、桥面铺装等各阶段中的索力变化情况。
表3 实测全桥12根斜拉索的索力
索号位置
初张阶段索力成桥后索力
实测
ΠkN
设计
ΠkN
相差
Π%
实测
ΠkN
设计
ΠkN
相差
Π% S3′
S3
S2′
S2
S1′
S1
S3′
S3
S2′
S2
S1′
S1
曲线
外侧
曲线
内侧
曲线外侧合计
曲线内侧合计
全桥合计
9895970911921157811174316
96239662-01401139011097216
945110419-91291127311093116
92759931-61611075111078-310
970811013-111851084910624211
97819946-11661069310626016
96759804-11321135311174116
9970973421421129911097118
1034510397-01501104111093-015
10288997431151098511078-018
1022310864-51901099710624315
102181002211961096510626312
5773360680-41656653465692113
5104450991-01036664065692114
108777111671-2134133174131384114
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铁 道 建 筑January,2008
二次调整中,采取相应措施,内外侧索力比较均匀,成桥后单索实测索力在10693～11578kN 之间,与设计值差值在316%～-310%范围内。曲线外侧索力合计值比设计值大113%,曲线内侧索力合计值比设计值大114%,全桥12根索力合计值比设计值大114%,索力控制良好,符合设计要求。实测全桥12
根斜拉索的索力见表3。
4 结论
采用频率法测量斜拉索的索力,操作简单,节省费用,频率测量的精度可满足设计施工要求。对于吨位大、索长较短的斜拉索,为保证索力测试的准确,动测仪需要进行标定。在安装减震阻尼装置后,斜拉索的
等效计算长度应合理调整。
参
考文献
[1]王卫锋.崖门大桥施工中的索力测试技术[J ].桥梁建设,
2003,(1):23226.
[2]刘志军.振动法测定缆索张力的研究[J ].桥梁建设,2002,(2):26229.
[3]何晓鸣.斜拉索减震措施探讨[J ].世界桥梁,2003,(2):73278.
[4]刘志勇.斜拉桥斜拉索索力测试方法综述[J ].铁道建筑,2007,(4):18220.
(责任审编 赵其文)
2008年第1期
铁 道 建 筑Railway Engineering
文章编号:100321995(2008)0120015205
海工耐久混凝土水化热温度场的试验监测研究
王 鹏,刘吉元,王玉鹏
(铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京 100081)
摘要:文章结合杭州湾跨海大桥工程,对以海工耐久混凝土为材料的70m 箱梁水化热温度场进行试验
监测。通过对数据结果的分析,研究了海工耐久混凝土水化热温度在箱梁横截面的分布、变化规律以及箱梁内外温差的变化情况。并在工程实际中提出了海工耐久混凝土70m 箱梁温度控制和抗裂措施,在540片箱梁制造中,有效地控制了裂缝的生成。
关键词:海工耐久混凝土 水化热温度场 温度控制 裂缝控制中图分类号:T U528133;T U11113 文献标识码:B
收稿日期:2007208217;修回日期:2007210216
作者简介:王鹏(1980—),男,河北抚宁人,研究实习员,工学硕士。
0 前言
现阶段,我国海工混凝土结构建设规模越来越庞大,对混凝土结构的使用寿命要求越来越高。海洋环境条件恶劣,对跨海大桥而言,要保证有效安全的使用,必须提高其混凝土结构的耐久性能。针对特殊的地理环境下防腐的需要,采用海工耐久混凝土是理想的选择。
所谓海工耐久混凝土,是用常规原材料,常规(拌制、浇筑)工艺加矿物掺和料及化学外加剂,经配比优化而制作的,在海洋环境中具有高耐久性、高尺寸稳定性和良好工作性的高性能混凝土
[1]
。
几十年来,水化热温度问题一直是混凝土工程中
的一个重要课题。国内外学者针对大跨度混凝土箱梁水化热温度场、温度应力分布的问题做了大量的现场监测和理论分析工作。比如针对秦沈客运专线24m 和32m 高性能混凝土箱梁的水化热温度场、应变及裂缝的监测和研究。雷家艳、向敏等现场采集大量的数据,分析混凝土箱梁水化热温升及温度分布情况,对箱梁混凝土水化热温度控制和抗裂措施进行了研究,同时结合有限元理论对水化热温度场进行模拟计算
[2,3]
。
阮静、叶见曙等对南京长江第二大桥北汊主桥跨径90m +3×165m +90m 的预应力混凝土连续箱梁进行水
化热温度场的试验监测,对水化热的放热规律及温度分布情况进行了研究
[4]
。美国的Myers 和Carrasquillo
针对德克萨斯州的U 形梁和AASHT O Ⅳ型箱梁的研
究表明,在混凝土硬化时,当混凝土温度超过77℃时,混凝土材料特性受其影响而降低[5]
。西班牙的
5
1