发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决现有的测试方法对PC钢绞线拉索斜拉桥施工过程的斜拉索索力进行监测控制存在困难的问题。
为了解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是提供一种PC钢绞线斜拉索施工中的索力监控方法,包括以下步骤:
S10、采用等张力法逐根张拉斜拉索中的每根钢绞线;
S20、根据钢绞线锚固前的实际伸长量ΔLbai和实际锚固张拉力Nai获得每根钢绞线的实际有效拉力Nei;
S30、用每根钢绞线的实际张拉顺序号i和实际有效拉力Nei进行线性回归分析,并依据最小二乘法获得线性回归方程式;
S40、将实际张拉顺序号i代入所述线性回归方程式,获得每根钢绞线锚固后的有效张拉力代表值Nri;
S50、将最后一根张拉完成的钢绞线的有效拉力代表值Nri乘以该斜拉索所包含的钢绞线数量获得该斜拉索的索力;
S60、以Nei-Nri的差是否超出容许偏差值和(Nei-Nri)/Nri的比值是否超出容许偏差百分比作为判断条件,获得每一根钢绞线的评估结果;
S70、如果评估结果表明Nei-Nri的差超出容许偏差值或(Nei-Nri)/Nri的比值超出容许偏差百分比时,对偏差较大的钢绞线张拉力进行调整,使Nei-Nri的差落入容许偏差值范围和(Nei-Nri)/Nri的比值落入容许偏差百分比范围;否则,不调整钢绞线张拉力;
i为钢绞线的实际张拉顺序号,i=1、2、3、……、n,n为斜拉索中钢绞线的数量。
上述方法中,以最后一根张拉完成的钢绞线的有效拉力代表值Nrn作为整根斜拉索施工完成后任意一根钢绞线的拉力代表值,以该代表值乘以该斜拉索包含的钢绞线数量n作为整根斜拉索的索力代表值Tr,以Tr-Tt的差是否超出容许偏差值和(Nei-Nri)/Nri的比值是否超出容许偏差百分比作为判断条件,获得该根斜拉索索力状态的评估结果;如果评估结果表明Tr-Tt的差超出容许偏差值或(Tr-Tt)/Tt的比值超出容许偏差百分比时,则进行调整使Tr-Tt的差落入容许偏差值范围和(Tr-Tt)/Tt的比值落入容许偏差百分比范围;否则,不作调整。
整根斜拉索的索力调整仍按单根钢绞线进行,每根钢绞线需调整的拉力数值可采用如下公式进行计算:
ΔNi=(Tt-Tr)/n+(Nri-Nei)
每根钢绞线所需调整的伸长量Δ=(ΔNi×S)/(E×A)
式中:ΔNi为钢绞线需调整的拉力数值,S为钢绞线的长度,E为钢绞线的弹性模量,A为钢绞线截面面积。
钢绞线的实际伸长量ΔLbai通过以下步骤获得:
S101、将钢绞线张拉到100%张拉控制力时的伸长量ΔL100i与张拉到D%张拉控制力的伸长量ΔLDi相减,求得(100-D)%张拉控制力下包含垂度影响的钢绞线公称伸长量ΔLDi,其中D%=10%~15%;
S102、通过悬链线公式计算得出(100-D)%张拉力状态下钢绞线的无应力长度S100i和SDi,并求出其差值ΔS100-Di;
S103、用(100-D)%张拉力状态下的公称伸长量ΔLDi减去所述无应力长度的差值ΔS100-Di得到修正伸长量ΔLDi’;
S104、将修正伸长量ΔLDi’按比例放大到100%,即为钢绞线在100%张拉控制力下的实际伸长量ΔLi;
S105、将钢绞线张拉到锚固张拉力时的伸长量ΔLai与张拉到100%张拉控制力时的伸长量ΔL100i相减,再与100%张拉控制力下的实际伸长量ΔLi相加,即为钢绞线锚固前的实际伸长量ΔLbai。
步骤S101中,D=10或15。
钢绞线的实际有效拉力Nei通过以下步骤获得:
S110、通过钢绞线张拉至锚固张拉力时的千斤顶油压表读数获得每根钢绞线的实际锚固张拉力值Nai;
S111、将钢绞线张拉到锚固张拉力时的伸长量ΔLai与锚固后的伸长量ΔLaai相减,得到钢绞线锚固时由于夹片回缩等因素引起的伸长量损失δi;
S112、将钢绞线锚固前的实际伸长量ΔLbai减去伸长量损失δi后,再除以锚固前的实际伸长量ΔLabi,然后与实际锚固张拉力Nai相乘,得到每根钢绞线锚固后的实际有效张拉力值Nei。
本发明具有如下的优点:
1、在合理运用线性回归分析方法的基础上建立对PC钢绞线斜拉索张拉状态评定的方法,有效解决了仅通过现有的测试方法无法对PC钢绞线斜拉索张拉完成后的索力状态进行系统评定的问题。
2、针对采用线性回归分析方法进行索力评定的斜拉索在斜拉桥后续施工过程中的索力测试问题提出了完整的解决方法。
3、尤其对于在成桥后才完成“紧索”工序的斜拉索在斜拉桥施工过程中的索力测试问题提出了一种有效的解决办法。
4、针对性强、经济合理,便于施工。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细的说明,该实施例是一座多跨连续箱梁矮塔斜拉桥,如图1和图2所示,主梁1和索塔2均为钢筋混凝土结构,每个索塔2上布置有6对PC钢绞线斜拉索3,每对斜拉索各由91根φ15.24的高强度低松弛钢绞线4组成,钢绞线斜拉索3的两端分别锚固在主梁1和索塔2的主梁上,在索塔2的塔顶处设置有转向装置,钢绞线4的“紧索”工序在成桥之后进行,采用等张力法张拉,张拉施工在两端同时进行。
本发明提供的PC钢绞线斜拉索的索力测试方法包括以下步骤,如图3所示:
S10、采用等张力法逐根张拉当前斜拉索3中的每根钢绞线4;
S20、根据张拉后钢绞线锚固前的实际伸长量ΔLba和实际锚固张拉力Na获得每根钢绞线的实际有效拉力Ne;
S30、用钢绞线的实际张拉顺序号和实际有效拉力Ne进行线性回归分析,并依据最小二乘法获得钢绞线的线性回归方程式;
S40、将实际张拉顺序号代入所述线性回归方程式,获得每根钢绞线锚固后的有效张拉力代表值Nr;
S50、将最后一根张拉完成的钢绞线的有效拉力代表值Nr乘以该斜拉索所包含的钢绞线数量获得该斜拉索的索力。
上述方法中,每根钢绞线的实际伸长量ΔLi通过以下步骤获得,i为钢绞线的实际张拉顺序号,i=1、2、3、……、n,n为斜拉索中钢绞线的数量,下面以其中一根钢绞线为例加以说明,其余钢绞线与此类同:
S101、将钢绞线张拉到100%张拉控制力时的伸长量ΔL100与张拉到10%或15%张拉控制力的伸长量ΔL10或ΔL15相减,得到90%或85%张拉控制力下包含垂度影响的钢绞线公称伸长量ΔL90和ΔL85,
即:
ΔL90=ΔL100-ΔL10;
ΔL85=ΔL100-ΔL15。
S102、通过悬链线的无应力索长计算公式,分别计算得出的100%张拉控制力状态下和10%或15%张拉控制力状态下钢绞线的无应力长度S100和S10或S15,并求出其差值ΔS100-10或ΔS100-15,
即:悬链线的无应力索长L=S-ΔS
式中:S为悬链线的应力索长,其公式为:
ΔS为悬链线的索长变化值,其公式为:
S和ΔS中的参数详见《悬索线形计算方法探讨》(2006钢桥科技论坛全国学术会议论文集,2006年)。
ΔS100-10=S100-S10;
ΔS100-15=S100-S15。
S103、利用两种状态下无应力长度的差值ΔS100-10或ΔS100-15对90%或85%张拉控制力的公称伸长量ΔL90或ΔL85进行修正得到ΔL90’或ΔL85’,
即:
ΔL90’=ΔL90-ΔS100-15;
ΔL85’=ΔL85-ΔS100-15。
S104、将修正后的的伸长量ΔL90’或ΔL85’按比例放大到100%,即为钢绞线在100%张拉控制力下的实际伸长量ΔL,
即:
ΔL=ΔL90’×100/90或,
ΔL=ΔL85’×100/85。
S105、将钢绞线张拉到锚固张拉力时的伸长量ΔLa与张拉到100%张拉控制力时的伸长量ΔL100相减,再与100%张拉控制力下的实际伸长量ΔL相加,即为钢绞线锚固前的实际伸长量ΔLba,
即:
ΔLba=ΔLa-ΔL100+ΔL。
上述步骤中仅以90%或85%张拉控制力作为示例性说明,但是,本方法并不限于上述两种情况,可以选择90%~85%之间的任何值。
张拉控制力是钢绞线张拉的理论张拉力,即目标值,锚固张拉力是钢绞线锚固前的实际张拉力。
图4为钢绞线张拉数据图表,该表记录的是钢绞线4张拉到15%张拉控制力的伸长量ΔL15和张拉到100%张拉控制力时的伸长量ΔL100,分别用5a和5b表示。将ΔL100与ΔL15相减,可求得85%张拉控制力下包含垂度影响的钢绞线公称伸长量ΔL85,图中用5c表示;再通过悬链线公式分别计算得出的该钢绞线在100%和85%张拉控制力下的无应力长度S100和S15,并计算得出其差值ΔS100-15;然后利用两种状态下无应力长度的差值对ΔL85(即5c)进行修正得到ΔL85’;最后将ΔL85’按比例放大到100%,即为钢绞线在100%张拉控制力下的实际伸长量ΔL,图中用5d表示。
单根钢绞线的实际有效拉力Ne通过以下步骤获得:
S110、通过钢绞线张拉至锚固张拉力时的千斤顶油压表读数获得每根钢绞线的实际锚固张拉力值Nai(i为钢绞线的实际张拉顺序号,i=1、2、3、……、n,n为斜拉索中钢绞线的数量)。通过千斤顶张拉钢绞线时,油压表的读数与施加在钢绞线上的张拉力存在一定的关系,这个关系可以通过试验很容易地得出,因此可以通过实验得到油压表读数与钢绞线上的张拉力之间的标定公式,通过该标定公式可得到每根钢绞线的实际锚固张拉力值Nai。下面以其中一根钢绞线为例加以说明,其余钢绞线与此类同。
S111、将钢绞线张拉到锚固张拉力时的伸长量ΔLa与锚固后的伸长量ΔLaa相减,得到钢绞线锚固时由于夹片回缩等因素引起的伸长量损失δ,
即:
δ=ΔLa-ΔLaa
S112、将钢绞线锚固前的实际伸长量ΔLba减去伸长量损失δ后,再除以锚固前的实际伸长量ΔLba,然后与实际锚固张拉力Nai相乘,得到钢绞线锚固后的实际有效张拉力值Ne,
即:
Ne=Na×(ΔLba-δ)/ΔLba
步骤S30的详细说明如下:
以每根钢绞线的实际张拉顺序号i为X坐标,以锚固后的实际有效拉力Ne为Y坐标进行线性回归分析,按最小二乘法原理进行线性拟合,得到以X为自变量、Y为因变量的一次项式,即线性回归方程式。
Y=a×X+b
其中,a、b均为常数,并由线性拟合得出。
将各根钢绞线的张拉顺序号i作为X变量分别代入推导出的一次项式,得到每根钢绞线锚固后的有效张拉力代表值Nri。
图5是钢绞线锚固伸长量损失计算图表,图中,5e表示ΔLa,5f表示ΔLaa,5g表示δ。
图6是钢绞线锚固前、后的有效张拉力及其代表值,图中6a表示钢绞线的实际锚固张拉力值Nai,6b表示钢绞线锚固后的实际有效张拉力值Nei,6c表示钢绞线锚固后的有效张拉力代表值Nri。
利用上述方法获得有效张拉力代表值后,即可以对斜拉桥施工过程中斜拉索索力进行有效监测。
(一)、斜拉索索力状态评估。
(1)将各根钢绞线的实际有效拉力值Nei和经线性回归推导出的有效拉力代表值Nri进行对比,即可对单根钢绞线的张拉状态进行评定。
偏差值:Nei-Nri≤【容许偏差值】
偏差百分比:(Nei-Nri)/Nri≤【容许偏差百分比】
若偏差满足要求,说明钢绞线拉力均匀性较好;若偏差不满足要求,说明钢绞线拉力均匀性较差,应根据偏差值对偏差较大的钢绞线拉力进行调整。
(2)将最后一根张拉完成的钢绞线的有效拉力代表值Nrn作为整根斜拉索施工完成后任意一根钢绞线的拉力代表值,因此整根斜拉索的索力代表值Tr应等于最后一根斜拉索的有效拉力代表值Nrn乘以该斜拉索包含的钢绞线数量n。最后将整根斜拉索的索力代表值Tr与理论值Tt进行对比,即可对整根斜拉索的索力状态进行评定。
偏差值:Tr-Tt≤【容许偏差值】
偏差百分比:(Tr-Tt)/Tt≤【容许偏差百分比】
若偏差满足要求,说明斜拉索索力可满足设计及规范要求;若偏差不满足要求,说明斜拉索索力偏差太大,应对斜拉索索力进行调整。索力调整仍按单根钢绞线进行,则索力调整前,各根钢绞线需调整的拉力数值可采用如下公式进行计算:
ΔNi=(Tt-Tr)/n+(Nri-Nei)
考虑到逐根张拉钢绞线会对其他钢绞线拉力造成影响,因此可按照各根钢绞线所需调整的伸长量Δ进行控制。在悬链线垂度较小的情况下,垂度对悬链线弧长的影响可忽略,因此对钢绞线拉力进行少量调整时,钢绞线伸长量Δ受垂度的影响也可忽略。
即:
Δ=(ΔNi×S)/(E×A)
式中:ΔNi为钢绞线需调整的拉力数值,S为钢绞线的长度,E为钢绞线的弹性模量,A为钢绞线截面面积。
(二)、PC钢绞线斜拉索施工过程中索力监测控制。
1、采用压力传感器量测法进行索力测试的方法。
(1)在整根斜拉索按等张力法张拉完成之后,对已安装在钢绞线上的压力传感器的读数进行记录,将其作为拉力初始值N0。
(2)在斜拉索张拉完成后的任一工况对安装有压力传感器的钢绞线进行测试,将仪器测试所得的该工况下该钢绞线的拉力值Nj与张拉完成时的拉力初始值N0进行对比,即可求得单根钢绞线的拉力变化值ΔN。将单根钢绞线的拉力变化值ΔN乘以该斜拉索包含的钢绞线数量n即可得到该斜拉索的索力变化值ΔT。
(3)将测试所得的索力变化值ΔT与斜拉索张拉完成时的索力代表值Tr相加即为斜拉索在该工况的实际索力Trj,再与理论值Ttj进行对比。
2、采用振动频率量测法进行索力测试的方法一
(1)对张拉完成后的整根斜拉索进行测试,记录其自振频率F0作为初始值。
(2)根据斜拉索索力与自振频率之间的近似关系,T=KF2(其中,T为索力,K为比例常数,F为拉索的一阶自振频率或称基频),将斜拉索张拉完成后的索力代表值Tr和自振频率初始值F0代入后可求得比例常数K0值。
(3)在斜拉索张拉完成后的任一工况对斜拉索进行测试,将仪器测试所得的自振频率Fj与比例常数K0值代入关系公式,T=KF2,即可求得该工况下的斜拉索公称索力Trj。然后将Trj与理论值Ttj进行对比。
3、采用振动频率量测法进行索力测试的方法二
(1)对张拉完成后的整根斜拉索进行测试,记录其自振频率F0作为初始值。
(2)在斜拉索张拉完成后的任一工况该斜拉索进行测试,将仪器测试所得的自振频率Fj进行记录。
(3)确定索力变化值:
根据考虑拉索刚度的简支弦张力公式:
T=4mL2Fk 2/k2-EIk2π2/L2
式中:T为索力,m为斜拉索的线质量,L为计算长度,Fk为第k阶频率,k为频率阶数,EI为拉索抗弯刚度。
若采用同为第k阶的频率,则可得到消除拉索刚度影响的索力变化值为:
ΔTj=4mL2Fjk 2/k2-4mL2F0k 2/k2=4mL2/k2(Fjk 2-F0k 2)
式中:Fjk为任意工况测试所得的第k阶频率,F0k为整根斜拉索张拉完成后测试所得的第k阶频率。
(4)将计算所得的索力变化值ΔTj与斜拉索张拉完成时的索力代表值Tr相加即为斜拉索在该工况的实际索力Trj,再与理论值Ttj进行对比。
图7是钢绞线对应的有效张拉力与代表值的偏差值和偏差百分比。将各根钢绞线的实际有效拉力值Nei6b和经线性回归推导出的有效拉力代表值Nri6c相减即可得到偏差值6d;将偏差值6d与有效拉力代表值Nri6c相比即可得到偏差百分比6e。通过将偏差值6d和偏差百分比6e与相关规范的容许偏差进行对比,即可对单根钢绞线的张拉状态进行评定。
若单根钢绞线的张拉状态满足要求,则将最后一根斜拉索的有效拉力代表值Nrn乘以该斜拉索包含的钢绞线数量n,即可得到整根斜拉索的索力代表值Tr,最后对整根斜拉索的索力代表值Tr和理论值Tt进行偏差值和偏差百分比分析,并与相关规范的容许偏差进行对比,即可对整根斜拉索的索力状态进行评定。
若出现整根斜拉索索力偏差超限的情况,可将(Tt-Tr)/n与偏差值6d作为各根钢绞线拉力调整的依据,换算出各根钢绞线所需调整的伸长量,以此来指导调索施工。
斜拉索张拉完成并经测试满足设计和规范要求后,可进行后续工序施工,施工过程中可采用压力传感器量测法、振动频率量测法等辅助手段对施工过程中的斜拉索索力进行跟踪测试,以达到在斜拉桥施工全过程对斜拉索索力进行监控的目的。
本发明通过以上措施的采用,有效解决了PC钢绞线斜拉索张拉工作中对索力进行系统评定的问题,并为斜拉桥后续施工过程中的索力测试问题提出了完整的解决方法。
本发明不局限于上述最佳实施方式,任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化,凡是与本发明具有相同或相近的技术方案,均落入本发明的保护范围之内。