缆索系统是特大型缆索承重桥梁最重要的受力构件。由于该类桥梁大多为柔性结构,受沿海高温、高湿和高盐雾环境,以及重载、高速、过饱和交通量影响,在其营运过程中吊索普遍出现PE护套破损、构件或钢丝锈蚀、索体渗水、锚杯密封环松脱、异常振动等典型病害,易造成吊索内部钢丝疲劳及至吊索断裂,甚至引起桥梁坍塌。
南沙大桥(原虎门二桥)包括坭洲水道桥和大沙水道桥两座千米级悬索桥。坭洲水道桥共计698根吊索,大沙水道桥总计368根吊索。吊索采用预制平行钢丝索股(PPWS),外包双层 PE进行防护,使用直径为φ5.00mm、抗拉强度为1770MPa的锌铝合金镀层高强钢丝。每根普通吊索含109根钢丝,每根加强吊索则有241根。
近年来,在结合自己需求和国内外研究现状的基础下,管理单位持续推动开展南沙大桥缆索维养与检测、缆索智能维养装备研发、吊索制振与抑振、吊索索夹滑移等一系列专业性养护工作。
吊索安装后,不可避免地受到腐蚀、振动疲劳等各种坏因的作用,并且一直处在高应力状态下,PE护套的完整性直接影响着吊索的安全耐久性能。
南沙大桥建成通车已逾3年,其管理单位委托专业检验测试机构承担缆索系统的经常性检查,并派技术人员深度参与,检查按照每月主缆一次、吊索两次的频率开展,主要是采用望远镜加目测的方法,通常在两天内完成缆索体系的检查;缆索按时进行检查频率为每年一次,使用无人机对主缆底部及吊索高处进行全方位检查,而主缆顶面及吊索底部则开展人工检查。根据检测评定报告,南沙大桥现阶段缆索体系技术状况总体良好。
在2020年底至2021年初,业主根据南沙大桥两座悬索桥吊索的检查情况,对存在的轻微刮伤、划痕、翘皮等病害,进行了全面的抵近检查和维修处置。对于轻微刮伤和翘皮直接实施打磨处理;轻微划痕通过挤出式焊枪堆焊PE后打磨;较为严重的刮伤和翘皮,将翘皮处剔除后,先打磨、堆焊,最后再次进行打磨,确保PE护套表面无气泡、横纹,新旧接缝处平顺、平滑无间隙,符合规范及设计要求。
此外,还查出8处吊索PE护套严重破损,致使钢丝外露,其中两处吊索密封压环底持续缓慢渗水。对露钢丝处选用同材质PE进行焊补,焊补后堆焊,后续拟将连接筒打开,检查连接筒与下锚杯处钢丝情况,并在连接筒与锚杯连接部位安装密封观察窗监测病害发展情况。
目前吊索检测依靠人工检测或安装固定监控检测设备,检测工作员需要高空作业,易造成安全事故,检测效率低,而拉篮抵近检查也会造成PE保护层破损。开发和推广用于吊索检测的机器人,能大大降低对交通的影响,更全面及时地反馈桥梁的健康情况,成为必然的趋势。
南沙大桥两座悬索桥均采用双吊索的形式,且在吊索表面装有各类减振架等抑振措施,使常规的爬索机器人无法作业。管理单位正在组织并且开展双吊索爬索机器人的研发和内部测试工作,该类机器人采取模块化设计,既可单独检查单个吊索,也能以两机或多机组合检查双吊杆或多吊杆外观。
针对南沙大桥的吊索PE护套严重受损,管理单位组织相关机构对两处吊索底部PE护套开孔检查,发现大量积水喷出,且钢丝镀层出现白锈。为进一步探明吊索内部积水是否完全排出,又安排实施吊索连接筒脱开检查,并设置检查窗持续观测。
连接筒脱开试验:根据坭洲水道桥吊索规格,定制两根试验索,探索连接筒打开的最优方案。方案一是用链子钳直接旋开;方案二通过氧气乙炔加热后旋开;方案三则采用机械切割。经过试验比选,方案一和方案二均存在很明显缺陷,而方案三通过可调节尺寸的切割挡板实现切割尺寸精准化,且在连接筒打开过程中安全风险比较小,故而被选择在实桥实施。
机械切割连接筒:根据连接筒厚度调节切割机切割尺寸,沿连接筒圆周方向切割连接筒与锚杯部位,直至调整的尺寸;沿竖向切割连接筒,借助工具及外力将连接筒对半打开,敲出内部环氧露出钢丝。通过能调节尺寸的切割挡板精准控制切割尺寸,目测检查钢丝情况后,重新缠绕保护带防护钢丝。
安装可观察式密封装置:安装防水装置前,首先确保钢丝表面清洁干燥;将与防水罩及密封罩安装有影响的热收缩套割除,然后在索体上装上两半不锈钢防水罩,连接部位用螺栓做固定;通过螺栓连接安装密封罩(密封圈须嵌入防水装置槽口,植入密封罩前放入适量干燥剂),并在拼缝配合面上涂密封胶,然后用螺栓将密封罩收紧固定;最后在密封罩端口处填充密封胶,确保没有间隙。
通过在吊索连接筒与锚杯段设立可视密封观察装置,在有效地对二者之间进行密封的同时,更直观地实现了吊索连接筒处钢丝病害变化及发展的动态监测。在后续的检查过程中发现,观察窗内壁经常会有冷凝水出现,管理单位根据此情况不定期打开观察窗,并更换干燥剂,以确保吊索所处环境尽量干燥。为防止钢丝损伤、密封不严等现象,保证现场实施工程质量,笔者建议在吊索安装过程中,根据其总数量和位置,选取部分吊索提前安装检查窗,以便于运营期观察,为吊索维养提供重要依据。
在建设期,南沙大桥吊索就曾发生过不同程度的异常振动,且在不同时段所表现出的振动频率亦有差异,振动机制颇为复杂。因此,在桥梁建设期就已针对吊索的振动控制进行专题研究,并最终采取了多种制振措施,包括吊索外包螺旋线、设置摆式阻尼器(PLD)、冲击质量阻尼器(IMD)和摆锤式阻尼器(PHD)。
外包螺旋线:在吊索挤塑时,于索体外缠绕双螺旋线,螺旋线为HDPE条(材质、颜色同外层PE),直径3~4mm,螺距8D±D(D为索体理论外径),凸起高度2~4mm。缠绕螺旋线旨在提高吊索的抗风雨激振性能,但对于吊索的高频振动可能没办法发挥有效作用。
减振架:在坭洲水道桥及大沙水道桥上,对长度大于20m的吊索设置了减振架。但由于双吊索或3吊索间为单排布设,因此该措施仅抑制吊索间面内的反相位振动,很难减弱吊索面内同相位振动及面外振动。
阻尼器:作为桥梁抗风中最有效的方法之一,阻尼器与气动措施直接改变绕流风的流动状态不同,它能使结构系统发生改变,对风作用于结构上的能量进行传递或耗散。南沙大桥上安装吊索阻尼器326套(大沙水道桥88套,坭洲水道桥238套)。
在阻尼器被安装之后,选取了坭洲桥底130#、108#吊索进行现场测试,测试结果为三种阻尼器对坭洲水道桥所选的这两根吊索均有良好的减振效果,减振可达90%以上;安装阻尼器后,吊索阻尼比大于0.5%,减振后加速度幅值控制在2.50 m/s2以内。
通过试验及现场测试验证了制振措施的有效性,但在桥梁运营阶段,风场、吊索索力、阻尼器状态等都可能与测试时存在偏差。为了持续跟踪吊索的振动问题,确保其安全性,在坭洲水道桥及大沙水道桥中长吊索上间隔安装了单向加速度计,并接入南沙大桥健康监测系统来进行实时监测。依据数据显示,吊索振动相应整体上处于阻尼器设计的正常范围,但不排除某些吊杆发生明显的异常振动,并保持比较高的振动次数及较大的加速度峰值。对异常吊索的加速度时程进行频谱变换,得到该吊索的振动频率范围大约为14-22Hz,为高阶多模态振动。该索上虽已安装了PLD,但仍无法完全抑制索的高频振动。
为抑制吊索的异常振动并继续验证多阻尼器组合的有效性,技术人员对振动较为突出的坭洲桥W3吊索加装了IMD和PHD,其有效频率范围为12-25Hz,覆盖了该吊索的异常振动频率。对比监测数据发现:加装阻尼器后,吊索振动加速度RMS值和异常振动发生频次明显降低。对加装阻尼器前(2020年)后(2021年)吊索加速度数据来进行统计,并选取几根未加装阻尼器吊索加以对比,如图4所示,5根吊索的异常振动幅值、发生频次按季度呈现一定的波动,仅有下游W3吊索在加装阻尼器后,其异常振动强度的减弱趋势较为显著,而其余4根吊索异常振动变化规律不一。可见,在现有的观察期内,在加装阻尼器后,吊索的异常振动有所减弱,但其余4根未加装阻尼器的吊索,异常振动现象随季度变化幅度也较大,表明风环境或其他外部激励的随机效应较为突出。因此,对于组合阻尼器的有效性尚需进一步验证。
在2021年加装上游吊索传感器后,根据上下游吊索振动情况,能够正常的看到上游吊索较下游异常振动更明显,且主要集中于桥塔一些范围内的中长吊索。对桥面风速仪采集到的风速风向数据来进行统计分析后,发现桥位处的主导风向为东南风。下游侧吊索直接承受自然风作用,而上游吊索附近的风场会受桥面和车辆的扰动。此外,明显异常振动的吊索还处于桥塔背风区域内,可能同时会受桥塔背风影响。复杂的风环境可能是导致上游吊索异常振动越来越明显的主因之一。
综上可知,吊索的振动十分复杂且难以完全控制。迄今为止,有关吊杆的异常振动问题,工程界尚无定论。
若吊索一直处在异常振动状态,则可能引发连接件的疲劳问题,并会与连接件的磨损、腐蚀相耦合,影响它的寿命,最后导致连接件破坏。因此,对于吊索振动及其疲劳耦合问题是需要展开进一步研究。借助风洞试验、数值模拟等手段,发掘吊索振动的本质原因,寻找更加有效可靠的制振措施,是特大桥管养的重要方向之一。
具有足够紧固力的悬索桥索夹螺杆,使索夹能够合抱在主缆上形成吊杆的一个固定连接端。在实桥工程中,索夹螺杆通常由千斤顶施加紧固力,使索夹与主缆咬合,产生摩擦力,当螺杆紧固力不足就会引起摩擦力降低,使得索夹与主缆产生相对滑动,导致索夹滑移。索夹滑移具有持续发散增长效应,恢复极其困难。因此,索夹螺杆紧固力检测已成为悬索桥专项养护中的重要一环。
基于超声波原理的螺栓紧固力测量技术可对剩余螺栓紧固力加以测量,对有几率发生的索夹松弛进行预警,是解决以上问题的有效手段。该方法弥补了传统螺栓紧固力测量方法(扭矩扳手)的不足,已得到普遍应用。
在工程实践中,由于悬索桥现场条件限制,目前主要是采用千斤顶张拉与超声测量相结合的方式来进行索夹螺杆紧固力测量,以螺杆两阶段受力的理论为基础,将分级张拉的 数据来进行拟合,得到螺杆中现存紧固力。
根据国内外大跨径悬索桥管养经验,在大桥通车2~3年后,应进行索夹紧固。经国内调研发现,悬索桥在运营后,索夹螺杆张力均有不同程度的下降,导致索夹滑移,并引发一系列病害,影响桥梁结构安全。从建设期至2021年(即通车两年左右),南沙大桥已经历了3阶段索夹螺杆预紧力监测及紧固。
第一阶段(2018年3~9月):结合项目建设的真实的情况,选取施工期的架设、合龙和补张中的4个阶段,开展索夹螺杆张力测试的探索性工作,共抽检完成665根索夹螺杆。
第二阶段(2020年5~7月):运营初期,为了能够更好的保证大桥安全运营,从预防性养护的方面出发,对索夹预紧力进行专项检查,共对35%螺杆(共2277根)进行抽检测试,抽取覆盖成桥初始状态测试的索夹、倾角较大位置处的索夹,并对塔顶附近倾角最大索夹螺杆(共90根)进行跟踪测试,以便掌握索夹螺杆预紧力的损失规律。
第三阶段(2021年3~7月):结合规范要求,按照通车5年内全桥测试补张两遍的计划,该阶段抽检第二阶段剩余的65%螺杆(共4132根),并采用多个千斤顶同步张拉的方式确保补张效果。
根据第二、第三阶段测试结果,南沙大桥的索夹螺杆张力损失率普遍超出原有设计规定允许的30%,且塔顶索夹跟踪监测的最终损失率也超过30%,但结合南沙大桥的真实的情况,塔顶位置螺杆张力损失率低于40%均在可接受范围内,此时索夹抗滑的安全系数可达到2.5以上,索夹滑移风险可控。
通过运营阶段测试及补张,全桥的索夹螺杆张力的分布情况有明显改善,同时以补张作为运营期索夹养护基准状态,后续的索夹螺杆管养工作可结合南沙大桥真实的情况按规范所规定频率开展。在保证索夹螺杆补张效果的前提下,除塔顶附近索夹外,其他位置索夹螺杆张力的最终损失率可控制在规范要求的30%以内。
第二阶段全桥测试结束后,将螺杆张力补张至设计值,按照时间节点实施螺杆张力跟踪监测,每次测试完成后不进行补张工作,跟踪监测结束后统一补张至设计张拉力。
结合两座桥梁关键索夹的跟踪测试结果,按照本次工艺完成补张后,15天后螺杆张力基本趋于稳定。悬索桥属于柔性受力体系,活载作用下结构整体振动明显,螺杆张力在外界干扰下会发生非常缓慢的衰减,管养单位将做好定期的跟踪监测。
采用多点同步张拉工艺,既能够保证工作效率和补张效果,又能降低高空作业风险。
重点关注主跨1/4至塔顶的索夹,包括塔顶附近的索夹,两者的抗滑设计安全系数接近,有相近的滑移风险。
缆索系统是特大型缆索承重桥梁最重要的受力构件。由于该类桥梁大多为柔性结构,受沿海高温、高湿和高盐雾环境,以及重载、高速、过饱和交通量影响,在其营运过程中吊索普遍出现PE护套破损、构件或钢丝锈蚀、索体渗水、锚杯密封环松脱、异常振动等典型病害,易造成吊索内部钢丝疲劳及至吊索断裂,甚至引起桥梁坍塌。
南沙大桥(原虎门二桥)包括坭洲水道桥和大沙水道桥两座千米级悬索桥。坭洲水道桥共计698根吊索,大沙水道桥总计368根吊索。吊索采用预制平行钢丝索股(PPWS),外包双层 PE进行防护,使用直径为φ5.00mm、抗拉强度为1770MPa的锌铝合金镀层高强钢丝。每根普通吊索含109根钢丝,每根加强吊索则有241根。
近年来,在结合自己需求和国内外研究现状的基础下,管理单位持续推动开展南沙大桥缆索维养与检测、缆索智能维养装备研发、吊索制振与抑振、吊索索夹滑移等一系列专业性养护工作。
吊索安装后,不可避免地受到腐蚀、振动疲劳等各种坏因的作用,并且一直处在高应力状态下,PE护套的完整性直接影响着吊索的安全耐久性能。
南沙大桥建成通车已逾3年,其管理单位委托专业检验测试机构承担缆索系统的经常性检查,并派技术人员深度参与,检查按照每月主缆一次、吊索两次的频率开展,主要是采用望远镜加目测的方法,通常在两天内完成缆索体系的检查;缆索按时进行检查频率为每年一次,使用无人机对主缆底部及吊索高处进行全方位检查,而主缆顶面及吊索底部则开展人工检查。根据检测评定报告,南沙大桥现阶段缆索体系技术状况总体良好。
在2020年底至2021年初,业主根据南沙大桥两座悬索桥吊索的检查情况,对存在的轻微刮伤、划痕、翘皮等病害,进行了全面的抵近检查和维修处置。对于轻微刮伤和翘皮直接实施打磨处理;轻微划痕通过挤出式焊枪堆焊PE后打磨;较为严重的刮伤和翘皮,将翘皮处剔除后,先打磨、堆焊,最后再次进行打磨,确保PE护套表面无气泡、横纹,新旧接缝处平顺、平滑无间隙,符合规范及设计要求。
此外,还查出8处吊索PE护套严重破损,致使钢丝外露,其中两处吊索密封压环底持续缓慢渗水。对露钢丝处选用同材质PE进行焊补,焊补后堆焊,后续拟将连接筒打开,检查连接筒与下锚杯处钢丝情况,并在连接筒与锚杯连接部位安装密封观察窗监测病害发展情况。
目前吊索检测依靠人工检测或安装固定监控检测设备,检测工作员需要高空作业,易造成安全事故,检测效率低,而拉篮抵近检查也会造成PE保护层破损。开发和推广用于吊索检测的机器人,能大大降低对交通的影响,更全面及时地反馈桥梁的健康情况,成为必然的趋势。
南沙大桥两座悬索桥均采用双吊索的形式,且在吊索表面装有各类减振架等抑振措施,使常规的爬索机器人无法作业。管理单位正在组织并且开展双吊索爬索机器人的研发和内部测试工作,该类机器人采取模块化设计,既可单独检查单个吊索,也能以两机或多机组合检查双吊杆或多吊杆外观。
针对南沙大桥的吊索PE护套严重受损,管理单位组织相关机构对两处吊索底部PE护套开孔检查,发现大量积水喷出,且钢丝镀层出现白锈。为进一步探明吊索内部积水是否完全排出,又安排实施吊索连接筒脱开检查,并设置检查窗持续观测。
连接筒脱开试验:根据坭洲水道桥吊索规格,定制两根试验索,探索连接筒打开的最优方案。方案一是用链子钳直接旋开;方案二通过氧气乙炔加热后旋开;方案三则采用机械切割。经过试验比选,方案一和方案二均存在很明显缺陷,而方案三通过可调节尺寸的切割挡板实现切割尺寸精准化,且在连接筒打开过程中安全风险比较小,故而被选择在实桥实施。
机械切割连接筒:根据连接筒厚度调节切割机切割尺寸,沿连接筒圆周方向切割连接筒与锚杯部位,直至调整的尺寸;沿竖向切割连接筒,借助工具及外力将连接筒对半打开,敲出内部环氧露出钢丝。通过能调节尺寸的切割挡板精准控制切割尺寸,目测检查钢丝情况后,重新缠绕保护带防护钢丝。
安装可观察式密封装置:安装防水装置前,首先确保钢丝表面清洁干燥;将与防水罩及密封罩安装有影响的热收缩套割除,然后在索体上装上两半不锈钢防水罩,连接部位用螺栓做固定;通过螺栓连接安装密封罩(密封圈须嵌入防水装置槽口,植入密封罩前放入适量干燥剂),并在拼缝配合面上涂密封胶,然后用螺栓将密封罩收紧固定;最后在密封罩端口处填充密封胶,确保没有间隙。
通过在吊索连接筒与锚杯段设立可视密封观察装置,在有效地对二者之间进行密封的同时,更直观地实现了吊索连接筒处钢丝病害变化及发展的动态监测。在后续的检查过程中发现,观察窗内壁经常会有冷凝水出现,管理单位根据此情况不定期打开观察窗,并更换干燥剂,以确保吊索所处环境尽量干燥。为防止钢丝损伤、密封不严等现象,保证现场实施工程质量,笔者建议在吊索安装过程中,根据其总数量和位置,选取部分吊索提前安装检查窗,以便于运营期观察,为吊索维养提供重要依据。
在建设期,南沙大桥吊索就曾发生过不同程度的异常振动,且在不同时段所表现出的振动频率亦有差异,振动机制颇为复杂。因此,在桥梁建设期就已针对吊索的振动控制进行专题研究,并最终采取了多种制振措施,包括吊索外包螺旋线、设置摆式阻尼器(PLD)、冲击质量阻尼器(IMD)和摆锤式阻尼器(PHD)。
外包螺旋线:在吊索挤塑时,于索体外缠绕双螺旋线,螺旋线为HDPE条(材质、颜色同外层PE),直径3~4mm,螺距8D±D(D为索体理论外径),凸起高度2~4mm。缠绕螺旋线旨在提高吊索的抗风雨激振性能,但对于吊索的高频振动可能没办法发挥有效作用。
减振架:在坭洲水道桥及大沙水道桥上,对长度大于20m的吊索设置了减振架。但由于双吊索或3吊索间为单排布设,因此该措施仅抑制吊索间面内的反相位振动,很难减弱吊索面内同相位振动及面外振动。
阻尼器:作为桥梁抗风中最有效的方法之一,阻尼器与气动措施直接改变绕流风的流动状态不同,它能使结构系统发生改变,对风作用于结构上的能量进行传递或耗散。南沙大桥上安装吊索阻尼器326套(大沙水道桥88套,坭洲水道桥238套)。
在阻尼器被安装之后,选取了坭洲桥底130#、108#吊索进行现场测试,测试结果为三种阻尼器对坭洲水道桥所选的这两根吊索均有良好的减振效果,减振可达90%以上;安装阻尼器后,吊索阻尼比大于0.5%,减振后加速度幅值控制在2.50 m/s2以内。
通过试验及现场测试验证了制振措施的有效性,但在桥梁运营阶段,风场、吊索索力、阻尼器状态等都可能与测试时存在偏差。为了持续跟踪吊索的振动问题,确保其安全性,在坭洲水道桥及大沙水道桥中长吊索上间隔安装了单向加速度计,并接入南沙大桥健康监测系统来进行实时监测。依据数据显示,吊索振动相应整体上处于阻尼器设计的正常范围,但不排除某些吊杆发生明显的异常振动,并保持比较高的振动次数及较大的加速度峰值。对异常吊索的加速度时程进行频谱变换,得到该吊索的振动频率范围大约为14-22Hz,为高阶多模态振动。该索上虽已安装了PLD,但仍无法完全抑制索的高频振动。
为抑制吊索的异常振动并继续验证多阻尼器组合的有效性,技术人员对振动较为突出的坭洲桥W3吊索加装了IMD和PHD,其有效频率范围为12-25Hz,覆盖了该吊索的异常振动频率。对比监测数据发现:加装阻尼器后,吊索振动加速度RMS值和异常振动发生频次明显降低。对加装阻尼器前(2020年)后(2021年)吊索加速度数据来进行统计,并选取几根未加装阻尼器吊索加以对比,如图4所示,5根吊索的异常振动幅值、发生频次按季度呈现一定的波动,仅有下游W3吊索在加装阻尼器后,其异常振动强度的减弱趋势较为显著,而其余4根吊索异常振动变化规律不一。可见,在现有的观察期内,在加装阻尼器后,吊索的异常振动有所减弱,但其余4根未加装阻尼器的吊索,异常振动现象随季度变化幅度也较大,表明风环境或其他外部激励的随机效应较为突出。因此,对于组合阻尼器的有效性尚需进一步验证。
在2021年加装上游吊索传感器后,根据上下游吊索振动情况,能够正常的看到上游吊索较下游异常振动更明显,且主要集中于桥塔一些范围内的中长吊索。对桥面风速仪采集到的风速风向数据来进行统计分析后,发现桥位处的主导风向为东南风。下游侧吊索直接承受自然风作用,而上游吊索附近的风场会受桥面和车辆的扰动。此外,明显异常振动的吊索还处于桥塔背风区域内,可能同时会受桥塔背风影响。复杂的风环境可能是导致上游吊索异常振动越来越明显的主因之一。
综上可知,吊索的振动十分复杂且难以完全控制。迄今为止,有关吊杆的异常振动问题,工程界尚无定论。
若吊索一直处在异常振动状态,则可能引发连接件的疲劳问题,并会与连接件的磨损、腐蚀相耦合,影响它的寿命,最后导致连接件破坏。因此,对于吊索振动及其疲劳耦合问题是需要展开进一步研究。借助风洞试验、数值模拟等手段,发掘吊索振动的本质原因,寻找更加有效可靠的制振措施,是特大桥管养的重要方向之一。
具有足够紧固力的悬索桥索夹螺杆,使索夹能够合抱在主缆上形成吊杆的一个固定连接端。在实桥工程中,索夹螺杆通常由千斤顶施加紧固力,使索夹与主缆咬合,产生摩擦力,当螺杆紧固力不足就会引起摩擦力降低,使得索夹与主缆产生相对滑动,导致索夹滑移。索夹滑移具有持续发散增长效应,恢复极其困难。因此,索夹螺杆紧固力检测已成为悬索桥专项养护中的重要一环。
基于超声波原理的螺栓紧固力测量技术可对剩余螺栓紧固力加以测量,对有几率发生的索夹松弛进行预警,是解决以上问题的有效手段。该方法弥补了传统螺栓紧固力测量方法(扭矩扳手)的不足,已得到普遍应用。
在工程实践中,由于悬索桥现场条件限制,目前主要是采用千斤顶张拉与超声测量相结合的方式来进行索夹螺杆紧固力测量,以螺杆两阶段受力的理论为基础,将分级张拉的 数据来进行拟合,得到螺杆中现存紧固力。
根据国内外大跨径悬索桥管养经验,在大桥通车2~3年后,应进行索夹紧固。经国内调研发现,悬索桥在运营后,索夹螺杆张力均有不同程度的下降,导致索夹滑移,并引发一系列病害,影响桥梁结构安全。从建设期至2021年(即通车两年左右),南沙大桥已经历了3阶段索夹螺杆预紧力监测及紧固。
第一阶段(2018年3~9月):结合项目建设的真实的情况,选取施工期的架设、合龙和补张中的4个阶段,开展索夹螺杆张力测试的探索性工作,共抽检完成665根索夹螺杆。
第二阶段(2020年5~7月):运营初期,为了能够更好的保证大桥安全运营,从预防性养护的方面出发,对索夹预紧力进行专项检查,共对35%螺杆(共2277根)进行抽检测试,抽取覆盖成桥初始状态测试的索夹、倾角较大位置处的索夹,并对塔顶附近倾角最大索夹螺杆(共90根)进行跟踪测试,以便掌握索夹螺杆预紧力的损失规律。
第三阶段(2021年3~7月):结合规范要求,按照通车5年内全桥测试补张两遍的计划,该阶段抽检第二阶段剩余的65%螺杆(共4132根),并采用多个千斤顶同步张拉的方式确保补张效果。
根据第二、第三阶段测试结果,南沙大桥的索夹螺杆张力损失率普遍超出原有设计规定允许的30%,且塔顶索夹跟踪监测的最终损失率也超过30%,但结合南沙大桥的真实的情况,塔顶位置螺杆张力损失率低于40%均在可接受范围内,此时索夹抗滑的安全系数可达到2.5以上,索夹滑移风险可控。
通过运营阶段测试及补张,全桥的索夹螺杆张力的分布情况有明显改善,同时以补张作为运营期索夹养护基准状态,后续的索夹螺杆管养工作可结合南沙大桥真实的情况按规范所规定频率开展。在保证索夹螺杆补张效果的前提下,除塔顶附近索夹外,其他位置索夹螺杆张力的最终损失率可控制在规范要求的30%以内。
第二阶段全桥测试结束后,将螺杆张力补张至设计值,按照时间节点实施螺杆张力跟踪监测,每次测试完成后不进行补张工作,跟踪监测结束后统一补张至设计张拉力。
结合两座桥梁关键索夹的跟踪测试结果,按照本次工艺完成补张后,15天后螺杆张力基本趋于稳定。悬索桥属于柔性受力体系,活载作用下结构整体振动明显,螺杆张力在外界干扰下会发生非常缓慢的衰减,管养单位将做好定期的跟踪监测。
采用多点同步张拉工艺,既能够保证工作效率和补张效果,又能降低高空作业风险。
重点关注主跨1/4至塔顶的索夹,包括塔顶附近的索夹,两者的抗滑设计安全系数接近,有相近的滑移风险。