非均匀温度场下斜拉索张拉施工技术研究与应用.pdf

专题研究SPECIAL RESEARCH158 建筑机械非均匀温度场下斜拉索张拉施工技术研究与应用曾令华1，张 勇1，周 彬2，吴忠键2（1.中交二公局第一工程有限公司，湖北 武汉 430000；2.中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065）摘要目前斜拉索施工一般安排在夜间温度稳定的状态下进行终张拉，造成现场施工存在停滞、等待时间节点的情况，如何剔除温度对斜拉索施工的影响值得进行探索。通过非均匀温度场效应快速计算理论分析，本文提出了斜拉索在非均匀温度场下的张拉关键技术，实现了拉索体系桥梁24小时连续不间断施工，索力误差及线形误差均在合理范围内。相对于目前的斜拉索终张拉操作一定要安排在环境温度场均匀条件相比，该施工技术既可节约施工工期，又为项目节省了大量人力、物力，具有良好的经济效益，可为同类斜拉桥体系桥梁施工提供借鉴。关键词非均匀温度场；钢绞线斜拉索；初张拉；终张拉；等值张拉 中图分类号U445.469 文献标识码A 文章编号1001-554X（2023）09-0158-07Research and application of tension construction technology of stay cable under non-uniform temperature fieldZENG Ling-hua，ZHANG Yong，ZHOU Bin，WU Zhong-jian矮塔斜拉桥是一种组合结构体系，其力学性能介于连续梁桥和斜拉桥之间。由于其良好的经济特性和景观效果，在世界范围内得到了越来越广泛的应用，显示出巨大的发展潜力。斜拉索是矮塔斜拉桥体系中至关重要的一部分，其施工质量是否符合设计及规范要求，直接影响全桥最终成桥线形和后期运营阶段桥梁的整体受力性能。因为温度变化会影响斜拉索的索力、频率和边界条件，故目前斜拉索施工一般安排在夜间温度稳定的状态下进行终张拉，造成现场施工存在停滞、等待时间节点的情况，有一定的施工资源浪费，如何剔除温度对斜拉索施工的影响值得进行探索。1 工程概况克罗地亚佩列沙茨大桥选用VSL斜拉索体系，每个主塔10对斜拉索、全桥共有60对钢绞线斜拉索，采用公称抗拉强度为1860MN/m2的镀锌钢绞线，其公称直径为15.7mm、公称横截面积150mm2。单索钢绞线数量有55、73、91、109根等4种类型，最小长度为33m，最大长度为137m，外部采用HDPE管保护。在桥塔锚固在link锚固座上，在钢箱梁锚固在箱梁内部（见图1和表1）。189.50km2+627.50285.00KOPNOPEKJESACS512.0012.0012.0012.0012.0012.0012.0012.0012.0012.0012.0012.0012.0012.0012.0012.0012.0012.0022.505.0040.0037.92722.50110109108107106105104103102101151152153154155156157158159160图1 S5号墩斜拉索布置图（S6-S10号布置相同）在本项目钢绞线斜拉索施工中，研究了斜拉索在非均匀温度场下的张拉关键技术，具体内容包括斜拉索初张拉、斜拉索初张拉后的数据收集、终张拉目标索力和钢绞线出丝量的计算、斜拉索终张拉、斜拉索终张拉后的数据收集与效果评估，实现了拉索体系桥梁24小时连续不间断施工。相对于目前大跨度斜拉桥的斜拉索终张拉操作一定要安排在 DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.09.027收稿日期2023-04-23通讯地址曾令华，陕西省西安市高新区新型工业园企业壹号公园CONSTRUCTION MACHINERY 1592023/09总第571期环境温度场均匀条件相比，该施工技术可为工程建设节省大量时间，整体节约大量建造成本。表1 斜拉索施工主要材料表（S5单塔）编号钢绞线数量 斜拉索数量L/m/101-110（201-210）-（601-610）/151-160（251-260）-（651-660）G/（kg/m）/kg101/15155232.548.3746.5764.94219102/15255242.537.5935.1764.95517103/15373253.531.4328.7186.149217104/15473265.027.5324.6386.1411198105/15591276.524.8521.86107.3816429106/15691288.522.9419.86107.3819006107/157912100.521.4918.35107.3821583108/1581092112.520.3217.17128.6228940109/1591092125.019.3916.23128.6232155110/1601092136.818.6315.47128.62351781834412 技术原理斜拉桥是一个多次超静定的结构体系，温度的变化对斜拉桥内力和变形的影响非常复杂，因此若在非均匀温度场下进行控制性作业，须准确评估并剔除结构体系在该异常条件下的干扰效应值，从而对结构的真实受力及几何状态进行评估。对于斜拉桥体系各构件的温度场，主要是通过在截面内布设足够数量的温度测点，以各个测点的实测数据来定量描述结构内非线性温度场的近似真实分布情况，然后将温度场转化为单元的轴向应变0和曲率X，以它们作为温度荷载参数，在非线性有限元计算过程中以非结点荷载形式代入，获取温度对斜拉桥结构的影响量。通过对上述桥梁实际结构温度场的测量，将结构温度场转化为温度荷载，利用有限元模型计算出当前温度荷载对主梁挠度、斜拉索索力、主塔偏位的影响后，再结合实际初张拉索力反拔数据和主梁实测标高分析初张拉效果，计算并给出终张拉目标索力和钢绞线索出丝量。3 施工控制操作要点3.1 斜拉索初张拉在当前标准梁段主环缝、60%U肋焊接完成并报监理验收通过后，可进行当前梁段斜拉索的初张拉作业。斜拉索初张拉的控制标准如下：（1）按照给定张拉力进行初张拉，初张拉整股索力值一般为“终张拉理论值”的70%，钢绞线索力由油表读数控制。（2）主塔两侧钢绞线需对称穿索及张拉，控制标准为两侧钢绞线索股数差值小于5。（3）钢绞线对称穿索及张拉完成后，需要在锚固端逐股进行夹片顶压，顶压力为10kN。（4）反拔至少30%钢绞线，判定索力是否均匀。若索力偏差小于单股钢绞线索力设计值的5%，则均匀；若索力偏差大于单股钢绞线索力设计值的5%，则不均匀。若索力不均匀，则以反拔最大力者为基准目标值，调匀所有钢绞线。3.2 斜拉索初张拉后数据收集与效果评估根据佩列沙茨大桥斜拉索张拉实际施工进度及技术要求，拟定斜拉索初张拉后数据收集与效果评估相关的关键流程如图2所示。初张拉结束后，为精准评估并剔除结构体系在该异常条件下的干扰效应，必须在同一时间测量斜拉索索力、梁段标高、结构温度场等数据，从而对结构的真实受力及几何状态进行评估，为斜拉索终张目标索力和出丝量的计算与现场控制提供依据。结构温度场的测量包括：（1）主梁温度场测量。专题研究SPECIAL RESEARCH160 建筑机械初张拉效果评估初张拉结果计算终张拉目标索力计算初张拉索力真实值利用有限元软件计算温度影响适当调整目标索力符合预期不符合预期主梁线形与塔偏数据测量主梁线形与塔偏测量数据整理汇总30%钢绞线反拔结构温度场测量图2 斜拉索初张拉后数据收集与效果评估关键步骤流程图通过对佩列沙茨大桥的结构参数敏感性分析可知：在悬臂施工状态下主梁的非均匀温度场对主梁挠度及斜拉索索力有显著的影响。受日照及施工环境的影响，不同梁段具有完全不同的温度场。因此，可靠的确定主梁温度场测试断面、每处横断面测点如何布置，及快速、精确的测量温度值是主梁温度场测量的重要内容 之一。为了解佩列沙茨大桥钢箱梁温度场的分布规律，通过对数据的分析并结合现场实际情况，最终确定在主梁悬臂施工阶段，钢箱梁的温度场取钢混结合段钢梁环口温度、主塔距悬臂端2/3位置处钢梁环口温度、悬臂端钢梁环口温度。为精确测量上述环口处温度分布规律，分别在标准主梁断面的顶板、腹板、底板、斜底板布设了64个温度测点，整个截面可以划分为以温度测点为中心的众多网格。（2）主塔温度场测量。主塔的温度测量通过预埋在主塔内部的温度传感器测得。由于主塔材料为钢筋混凝土，受材料特性的影响，主塔温度场变化存在滞后效应。同时，通过对大桥的结构敏感性分析可知，在悬臂施工状态下主塔的非均匀温度场对主梁挠度及斜拉索索力影响较大，因此现场实施过程中亦需要同步对主塔温度场参数进行跟踪监测。在主塔横截面上，每侧分别布置一个温度传感器；沿塔的高度方向，在下塔柱底、下塔柱顶、上塔柱底均布置温度传感器，即可满足对主塔温度场的测量。（3）斜拉索的温度场测量。由于斜拉索由HDPE管覆盖，因此整个斜拉索处于一个密闭空间，梁端和塔端温差不大。为提高监测效率，选择在梁端平台测量斜拉索温度。每束斜拉索多次测量不同钢绞线并取平均值。大桥斜拉索布置为中央索面，且有HDPE管覆盖，各束斜拉索间温差不大，因此仅代表性的选择主塔距悬臂端2/3位置处斜拉索及当前工况需要张拉的斜拉索温度为计算参数。3.3 终张拉目标索力计算斜拉索终张拉目标索力计算相关的关键流程如下：将3.2中所述温度场实测数据转换为温度荷载，并将其输入CSBAS有限元分析软件，计算出初张拉反拔时的温度场对斜拉索索力、主梁挠度、主塔偏位的影响。同时，通过剔除温度影响后的主梁标高，将其与理论值进行对比，并综合上述基准温度场下斜拉索索力，判断是否需要增减索力来调整标高。最终考虑温度影响对理论目标索力进行修正后，即得到实际终张拉索力。3.4 终张拉钢绞线出丝量计算斜拉索出丝量的准确计算是确定斜拉索无应力长度和斜拉索精确安装的控制因素，为最大限度提高计算精度，应基于悬链线理论获取斜拉索出丝量、无应力长度等参数。其中，基于悬链线理论进行计算的基本假定如下：（1）斜拉索为理想柔性索，即只能受拉不受压。（2）斜拉索的应力-应变关系满足虎克定律。（3）外荷载沿斜拉索长均匀分布。（4）忽略斜拉索横截面面积在受力前、后的变化。基于上述假设条件及无应力构形控制理论，经过有限元软件分析得出不同斜拉索每张拉10mm所需的斜拉索整股索力。利用3.3中终张拉实际目标索力即可计算得到终张拉阶段钢绞线出丝量。3.5 斜拉索终张拉现场技术员接收到经第三方核对过的斜拉索终张拉出丝量后，即可进行当前斜拉索的终张拉工CONSTRUCTION MACHINERY 1612023/09总第571期序。斜拉索终张拉的控制标准如下：（1）按照给定出丝量进行终张拉，同时关注索力油表读数，实现双重控制。（2）主塔两侧钢绞线需对称穿索及张拉，控制标准为两侧钢绞线索股数差值小于5。（3）所有斜拉索索力张拉阶段实测值与理论值的百分比差值不得大于5%；钢绞线各股绞线索力均不得大于1.25%极限抗拉强度值（GUTS）。（4）反拔至少30%钢绞线，判定索力是否均匀。若索力偏差小于单股钢绞线索力设计值的5%，则均匀；若索力偏差大于单股钢绞线索力设计值的5%，则不均匀。若索力不均匀，则以反拔最大力为基准目标值，调匀所有钢绞线。（5）两次夹痕区域的重叠区不超过夹片长度的一半范围，新夹痕位置需再咬进至少20mm，斜拉索锚点之间不允许出现夹痕。3.6 斜拉索终张拉后数据收集与效果评估由于斜拉索在温度场随时间变化较快的白天进行终张拉，终张拉完成后的斜拉索索力反拔测试、梁段标高测量、温度场测量应在同一时间进行，以收集获得终张拉后数据并进行效果评估。将测得的温度场转换为温度荷载后代入有限元模型，即可得到当前温度场对斜拉索索力、主梁标高、主塔偏位的影响。将实测的终张拉斜拉索索力和主梁标高剔除温度影响后得到基准温度场下的数值，将其与理论数值进行比较，最终满足斜拉索索力偏差小于5%且标高误差小于20mm的预期要求。4 应用效果4.1 单索施工效果以本项目S9号墩7号索（编号：507/557）为例进行终张拉后的效果评估，本拉索长度为100.5m，包含91根钢绞线。利用非均匀温度场斜拉索张拉施工技术，以S9塔区7号梁段吊装实测值为基础数据，与终张拉结束后S7塔区实测值比较，具体如下：（1）终张拉后钢箱梁标高评估。从表2可见，S9号塔区域7号索当前施工阶段钢箱梁小里程侧悬臂端标高实测值与理论值的绝对误差为-11mm，当前施工阶段钢箱梁大里程侧悬臂端标高实测值与理论值的绝对误差为2mm，整体标高线形平顺。由于S9塔区7号索终张拉是在环境温度场不稳定的日照环境下进行，为了评估终张拉的最终效果，须在夜晚钢箱梁温度稳定后进行复测，具体数据见表3。从表3可见，S9号塔区域当前施工阶段钢箱梁小里程侧悬臂端标高实测值与理论值的绝对误差为-18mm，当前施工阶段钢箱梁大里程侧悬臂端标高实测值与理论值的绝对误差为22mm，钢箱梁整体标高线形平顺，标高误差在合理范围内。表2 S9塔区7号索终张拉工况钢箱梁实测（19:00）数据表（2）终张拉后钢箱梁索力评估。以VSL方现场负责人计算出的实际终张拉后抽检阶段斜拉索梁端索力，与非均匀温度场下CBNAS模型中计算出的终张拉索力比较，模型中考虑抽检时的环境温度场计算得出的终张拉索力，507号斜拉索终张拉后抽检阶段理论索力为6738.9kN，557号斜拉索终张拉后抽检阶段理论索力为6842kN。专题研究SPECIAL RESEARCH162 建筑机械表3 S9塔区7号索终张拉工况钢箱梁夜晚复测实测（23:00）数据表计算出“考虑温度影响后的斜拉索终张拉索力”后，根据“据标高调整索力值”，可计算出“斜拉索终张拉目标索力”，即为“考虑温度影响后的斜拉索终张拉索力”与“据标高调整索力值”之和，具体数据见表4。表4 507号、557号斜拉索终张拉抽检温度下最终目标索力值计算从表4可以得出，S9塔区7号索张拉在考虑斜拉索终张拉抽检阶段环境温度场的影响下，507号斜拉索终张拉目标索力为7090.2kN，557号斜拉索终张拉目标索力为7192.7kN。从表5实际索力测量结果可见，S9号塔区域：507、557号斜拉索索力实测值与当前阶段理论值的百分比差值最大为0.54%，各股绞线索力最大百分差值为0.9%极限抗拉强度值（GUTS）。VSL方现场负责人计算得出的实际终张拉后抽检阶段，507号斜拉索初张拉实际索力为7083kN，557号斜拉索初张拉实际索力为7288.7kN。507号斜拉索索力张拉阶段实测值与理论值的百分比差值为-0.1%，557号斜拉索索力张拉阶段实测值与理论值的百分比差值为0.5%，斜拉索索力均匀，误差在合理范围内。表5 507、557号索张拉后拉索索力实测值与理论值对比（3）终张拉后塔偏评估。从表6可见，S9塔区7号索终张拉结束后，主塔顺桥向塔偏实测值与理论值的绝对误差值为8mm，处在合理范围内。综上所述，S9塔区7号索终张拉后，钢箱梁标高误差、斜拉索索力误差及主塔塔偏误差均处于施工控制合理范围内，507号、557号斜拉索终张拉效果良好。4.2 单墩斜拉索索力施工效果以S9号塔区域斜拉索索力情况分析为例，各索张拉后索力对比分析见表7和图3。CONSTRUCTION MACHINERY 1632023/09总第571期表6 S9塔区7号索终张拉后主塔塔偏实测值与 理论值对比从图3可以得出，S9号塔区域所有斜拉索索力张拉阶段实测值与理论值的百分比差值最大值为3.4%，均小于5%；505绞线索力百分差值为1.4%，稍大于1.25%极限抗拉强度值（GUTS），其余各股绞线索力均小于1.25%极限抗拉强度值（GUTS）。5 结束语通过非均匀温度场效应快速计算理论分析，可实现结构全域温度场快速实时监测，并运用实时张拉力确定控制决策系统，最终形成张拉力计算控制结果。运用非均匀温度场下斜拉索张拉施工技术施工，解决了克罗地亚佩列沙茨大桥施工工期紧、进度慢、索力均匀性及整束绝对力值控制质量要求高的难题。全桥60对斜拉索顺利张拉完成，索力误差及线形误差均在合理范围内，成桥后无需调索，既可节约施工工期，又为项目节省了大量人力、物力，具有良好的经济效益，可为同类斜拉桥体系桥梁施工提供借鉴。表7 S9号墩各索张拉后拉索索力实测值与理论值对比2.01.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5最小百分差值最大百分差值1.11.10.50.50.50.50.50.2560559558557556555554553552551501502503504505506507508509510-0.6-0.6-0.7-0.7-0.7-0.8-0.7-0.6-0.9-0.3-0.5-0.5-0.6-0.8-0.7-1.1-1.1-1.0-0.5-0.30.60.60.70.20.90.90.80.80.80.81.41.0图3 S9号墩各索张拉后拉索各股索力均匀性百分比差值图参考文献1延雷，谢井丽，等.钢绞线斜拉索一次安装逐根张拉力不均匀系数影响分析J.公路，2021（05）：142-145.2汪峰，彭章，等.考虑温度效应的斜拉桥塔-索-主梁耦合振动模型及影响分析J.公路交通科技，2018，35（11）：51-60.3汪峰，陈福清，等.考虑温度影响的斜拉索参数振动模型及响应分析J.重庆交通大学学报（自然科学版），2016，35（02）：1-5+178.4汪峰，刘沐宇.斜拉桥无应力索长的精确求解方法J.华中科技大学学报：自然科学版，2010，38（07）：49-52.5苑仁安，秦顺全.无应力状态法在钢绞线斜拉索施工中的应用J.桥梁建设，2012，42（03）：75-79.6张冬，肖军，等.基于BP神经网络-GSL&PS-PGSA的多塔斜拉桥成桥索力优化研究J.公路工程：网络首发，2021-04-09.7周云岗.大跨径多塔斜拉桥恒载索力优化方法J.重庆交通大学学报（自然科学版），2017，36（02）：1-6.8陈志军，刘洋，等.基于粒子群优化算法的独塔斜拉桥成桥索力优化J.桥梁建设，2016，46（03）：40-44.9张卓杰，王荣辉.求解平行钢绞线斜拉索初张力的专题研究SPECIAL RESEARCH164 建筑机械数值算法J.华南理工大学学报：自然科学版，2014，42（02）：88-95+102.10 颜东皇，何博文，等.平行钢绞线斜拉索索力误差分析与张拉方案优化研究J.中外公路，2012，32（06）：124-128.11 王俊海，刘来君，等.基于改进帝国竞争算法的大跨斜拉桥成桥索力优化J.江苏大学学报（自然科学版），2019，40（01）：94-101.12 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结论文章针对预应力装配式建筑工艺进行了分析，从构件的制作、运输以及安装等过程阐述了各关键步骤。我国预应力构件在装配式建筑工程中的运用较晚，但发展很快，因此在实际工程中出现了较多问题。预应力装配式建筑施工应根据不同施工过程，采取对应的解决办法，确保施工质量。参考文献1黄大权.预应力技术在装配式建筑中的应用J.建筑结构，2021，51（S2）：1103-1106.2王奎.PC构件的装配式建筑施工处理技术J.陶瓷，2022（09）：162-164.3李丽燕.建筑工程中装配式建筑施工工艺及施工技术研究J.陶瓷，2022（09）：170-172.4杨智慧，邢耀文.预应力技术在装配式建筑中的应用J.广西城镇建设，2022（10）：73-78.5熊哲，周义.装配式预应力预制空心楼板承载性能实验研究J.广东土木与建筑，2019，26（11）：85-87.6李馨.装配式建筑PC结构施工技术研究D.淮南：安徽理工大学，2020.7钟楚欣.双向预应力预制空心板在房屋建筑结构施工中的应用研究J.城市住宅，2020，27（04）：206-207.8周景深，范沙沙，刘磊.预应力装配式建筑结构抗震方法探究J.江西建材，2019（08）：88-89.（上接第157页）