既有悬索桥索夹螺杆轴力检测及补张拉工法

既有悬索桥索夹螺杆轴力检测及补张拉工法

中铁大桥科学研究院有限公司、中铁大桥局集团有限公司

曾德礼 彭旭民 伊建军 刘金平 尹光顺

一、前言

当前在悬索桥索夹螺杆紧固施工、检测等相关技术中存在较大的问题与不足，索夹在施工期间出现滑移或成桥不久即出现索夹滑移、主缆钢丝外露、甚至吊索倾斜等病害，导致缆索结构体系受力的重新分配、主体结构线形变化、主缆除湿系统功能丧失等重大工程问题，亟需加强该方面的技术研究工作，保障我国大跨度悬索桥施工建设与管养质量。

中铁大桥科学研究院有限公司在西埃门大桥特殊结构检测项目中采用桥索夹螺杆轴力检测及补张工法，对全桥238个吊索索夹螺杆力进行了检测和补张，保证了西埃门大桥238个吊索索夹螺杆轴力均超过了设计值的70%,满足了规范要求的抗滑系数大于等于3的要求。其后，该方法又在银川滨河黄河大桥工程中得以成功运用。中铁大桥科学研究院有限公司通过对该方法的总结，目前已授权两项发明专利“一种悬索桥索夹螺杆轴力检测方法”(ZL 201710827046.4)和“一种悬索桥索夹螺杆轴力施工方法”(ZL 201710514527.X),并将研究成果形成科技论文“悬索桥索夹螺杆轴力超声检测技术”在《桥梁建设》杂志2019年第5期刊登。

二、工法特点

(1)形成适用于工程应用的索夹螺杆轴力测量的单纵波理论、已紧固螺杆的纵波测量理论与横纵波测量理论，基于FPGA的单路、双路超声激励及高速数据采集系统，结合改进的空间窄脉冲压电超声探头，并设计数字带通滤波器对超声回波进行带通滤波消除带外噪声，利用小波软阈值方法对带通滤波后的回波信号进行带内信号提取，然后针对回波信号的高斯包络能量峰值点进行自动跟踪，并根据峰值点的时程位置计算轴力。该技术轴力检测精度3%,检测效率大大提升，每分钟可检测2根螺杆，相比传统方式提到90%以上。

(2)在传统张拉工艺基础上，增加螺母转角参量控制、辅助以超声测量手段，并通过对每根螺杆张拉时产生的回缩损失进行准确标定以完成螺杆紧固的精细化施工。另外，采用同步张拉工艺，在千斤顶加载至设计施工荷载时稳压持荷，通过控制设定时间段内螺母可转动角度的阈值，加速主缆的有效收紧，显著减少螺杆张拉施工量并降低螺杆轴力的衰减程度。相比于传统张拉工艺，本技术将螺杆张拉质量从90%以上不合格提升至98%张拉质量合格，帮助桥梁设计、施工单位将该方面无验收标准到提出螺杆轴力至少达到70%设计张拉力的高要求验收标准，并且减少施工建设期间螺杆张拉工作量至少30%以上。

三、适用范围

适用于大跨度悬索桥索夹螺杆力的检测及补张。

四、工艺原理

索夹螺杆力的检测原理：根据声弹性原理，超声波在螺杆内部轴向传播时间与螺杆轴力呈正线性关系，即轴力增大，传播时间增加。螺杆轴力与超声波(本文采用单纵波方式)在螺杆内的回波声时差存在以下关系：

式中，F为螺杆轴力；E为材料弹性模量；r为两端螺母内侧长度；D为公称直径，有效夹持长度为r'=r+D;t和t。分别为当前测试温度和无应力状态下的温度；△S为当前轴力状态与无应力状态的回波声时差；Ct。为温度为t。时无应力状态下的超声波传播速度(常数);Ks为应力系数、K.为温度系数，均由材料决定，可以通过实验进行标定，为便于操作，标定K时，直接标定与Ct0的乘积，即K₂Ct0;K为螺杆轴力与回波声时差的综合线性系数。

悬索桥索夹螺杆张拉的张拉原理：传统张拉工艺多以单顶张拉、多顶分组张拉为主，存在螺杆轴力重分配问题，由于主缆的松散特性，轴力重分配现象更为严重，更进一步影响了索夹螺杆的张拉紧固质量。本工法在传统张拉工艺基础上提出了用于悬索桥索夹螺杆张拉的张拉控制技术。包括以下部分：1、提出增加螺母转角辅助控制以解决传统张拉中控制参量单一(仅千斤顶输出荷载)的缺陷；2、提出测量回缩损失并修正每根螺杆的***施工荷载再完成张拉的超声张拉技术以提高螺杆紧固的质量与均一性；3、增加在千斤顶输出设计施工荷载时的稳压持荷时间，控制设定时间内(比如10min)螺母转动的角度阈值，以达到主缆加速收紧的目的，减少反复张拉的施工量等。4、优先采用同步张拉方式进行施工，以避免单顶或分组施工造成的螺杆轴力重分配问题；5、提出辅助以超声测量技术提高先张拉螺杆的施工荷载，并限定不超过2组，改善分组张拉时的螺杆紧固效果；6、提出在吊装主梁过程中利用螺杆伸长量与索夹抱箍处主缆直径变化量之间的关系，预测螺杆紧固力随主缆承载增加的变化；7、根据主缆的收紧特性，建立螺杆轴力的幂函数预测模型，以计算后续某个时间点的螺杆轴力状态。

五、施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

施工工艺流程见图3

图3施工工艺流程图

5.2施工操作要点

5.2.1安装施工吊篮提供施工平台

对于既有悬索桥，需要设计专门的施工平台作为索夹螺杆力检测和补张的工作平台。本工法施工平台采用一种扶手绳自动牵引式检修小车，利用主缆扶手钢丝绳作为轨道，车架滚轮安装在扶手钢丝绳上，车架上安装驱动电机(提升机),驱动电机能够牵引车架滚轮在扶手钢丝绳自动式行走，车架上铰接有位于车架左右两侧吊篮，吊篮自由下垂并使主缆位于两侧吊篮的中部，施工操作人员在两侧吊篮内进行作业，不仅不会对主缆防护涂层进行破坏，而且吊篮具有下挂载人空间，作业安全系数高。该工作平台在制作前需进行详细的结构计算，制作完成后需要进行荷载试验，试验结果表明结构受力满足规范要求后方可上平台进行作业。

5.2.2索夹螺杆力的测试

拧开螺杆螺帽，喷洒除锈剂，并测量螺杆相应部位的长度及索夹温度，将超声波探头放到索夹的所有螺杆上，测试索夹螺杆力，如图3-图4所示。索夹螺杆力检测采用超声波拔出法采用精度较高的超声检测技术，使用螺杆轴力超声检测系统，如图5-图6所示所示。在实际操作中，超声探头通过高强磁环和添加耦合剂固定在螺杆的一端激发超声波，超声波在螺杆内沿轴向传播至另一端面时发生反射，反射波传播至超声探头被其接收，通过测量超声回波声时来评估螺杆轴力。在进行超声波拔出法时应进行一下数据的收集：①螺杆超声波回波长度Lu;②采用超声拔出法，采用标定好的螺杆进行千斤顶逐级加载测试，同步记录千斤顶荷载P与超声波回波长度Lu。根据以上数据进行线形曲线绘制，根据P~Lu曲线获得螺杆紧固力；存储P~Lu曲线用于后期检测。

采用超声波拔出法对螺杆进行一次标定测试获得P~Lu曲线，P~Lu曲线分别为锚固阶段和拔出阶段，两个阶段的临界值即为螺杆紧固力。后期同一螺杆轴力检测无需进行拔出，只需进行螺杆的超声波回波长度测试，然后根据P~Lu曲线通过临界点计算即可获得当前状况下的螺杆紧固力。

  图3对螺杆喷射除锈剂                                     图4安装超声检测探头

5.2.3 索夹螺杆力补张

1)在确定索夹螺杆力需要补张后，在螺杆端头上安装千斤顶，连接油管;探头放置在待张拉的螺杆上，准备一批次张拉;

2)张拉同一索夹螺杆时，考虑到后张拉螺杆引起的先张拉螺杆件力的损失，因此索夹紧固应按照一定顺序进行，以减少螺杆件力损失:

①索夹由跨中及锚碇向塔顶逐个进行张拉:②)同一索夹的螺杆尽可能同步张拉，不能同步张拉按照轴力损失大小依次进行张拉。

                    图9索夹螺杆同步张拉                            图10 索夹螺杆单个张拉

5.2.4索夹紧固

索夹紧固的施工工序如下：

1)施工人员靠近索夹后，利用专用紧索工具对索夹螺母进行紧固，施工前应标定压力表，计算出压力泵的控制压力，手动操作。

2)螺母紧固施工按照设计规定的顺序逐步进行，保证螺杆均匀受力。

3)将紧索工具的拉拔筒拧入索夹螺杆外露部分，拧入螺纹部分必须超过外露螺纹60%以上，方可加力，必要时用脱漆剂脱掉螺杆上的油漆，或用攻丝工具对螺纹重新修复。

4)加压使拉拔筒拉力达到设计的核定载荷，将已松动的螺母拧紧，卸压并拆下拉拔套筒，如此按以上步骤完成索夹上所有螺杆的紧固。

5)对施工时破损的位置进行涂层修复。

   图11 索夹螺母紧固                      图12按规定的顺序逐步紧固螺母

六、主要设备及材料

表1主要设备及材料

七、质量控制

7.1螺杆轴力检测质量控制

本工法基于螺杆轴力的超声测试技术，设计了超声检测系统架构并研制了样机，选用2.5MHz/5MHz窄脉冲压电超声探头，且基于LABVIEW平台开发了测试程序，并对硬件系统的性能进行了基本测试。另外，针对轴力测试需要的液态耦合剂进行了介绍和选用，并设计了一种磁吸附式超声探头，从而保证了轴力测试的可重复性与高精度，并提高了测试效率。

7.2螺杆轴力补张质量控制

目前的千斤顶张拉施工中，由于螺母、垫块与索夹接触面的粗糙度情况不尽相同，且螺杆螺纹本身加工情况也存在细微的差别，造成工人拨紧螺母的程度随机性较大，千斤顶回油后螺杆的轴力损失较大，随机性也较大，根据某桥的实测情况，张拉后螺杆轴力损失范围从20%至60%,甚至更差，使得索夹螺杆的轴力紧固施工很难得到准确地控制。另外，当螺杆张拉紧固后主缆受索夹抱紧，该部位主缆钢丝开始缓慢地重新排列，且钢丝表面的镀锌层逐渐蠕变，被挤压进入钢丝与钢丝之间的缝隙内，这就造成了螺杆紧固力的衰减。在以往的悬索桥施工建设中，全桥螺杆紧固一次之后，螺杆轴力随着时间迅速下降，又需要再一次或多次的张拉施工，给施工单位带来极大的困扰，以及质量隐患。综上，传统张拉工艺紧固施工质量差、反复多次张拉，单顶张拉、多顶分组张拉存在螺杆轴力重分配问题，严重影响螺杆的紧固施工质量，形成悬索桥结构的先天性问题。

本工法主要采用以下方式加强螺杆轴力补张的质量控制：

1)增加螺母转角辅助控制以解决传统张拉中控制参量单一(仅千斤顶输出荷载)的缺陷；

2)测量回缩损失并修正每根螺杆的***施工荷载再完成张拉的超声张拉技术以提高螺杆紧固的质量与均一性；

3)增加在千斤顶输出设计施工荷载时的稳压持荷时间，控制设定时间内(比如10min)螺母转动的角度阈值，以达到主缆加速收紧的目的，减少反复张拉的施工量等。

4)优先采用同步张拉方式进行施工，以避免单顶或分组施工造成的螺杆轴力重分配问题。

八、安全措施

1)每位现场作业的工作人员必须穿劳保鞋、佩戴头盔和护目镜。

2)在施工现场，全体施工人员遵守现场安全管理制度，佩戴安全防护措施；

3)施工全过程由专人统一指挥，全部人员必须听从指令行事。

4)对于运营的既有悬索桥索夹螺杆检测与补张，应配备专门的场安全负责人与叫交通管制部门密切配合，精心调配人员，同时在施工现场摆放安全标志，保障车辆正常通行，全力保证施工路段不发生责任事故。

5)高空作业工作前应仔细检查并佩戴安全防护用品(安全帽、安全绳、及安全带),衣着要灵便，禁止穿硬底和带钉易滑鞋，悬空作业应加设双保险。员工工作前必须有良好工作状态，禁止连续加班加点工作、禁止酒后工作。

6)不得在无防护的高设施、高建筑上行走。

7)遇雨、雪、雾及六级以上大风等恶劣气候，禁止登高和悬空作业。

8)作业人员必须两个人员以上，一个人高空作业，另一人配合、监护。高空交叉作业时应统筹兼顾上下左右。高排架上不得堆放和抛掷材料或吊装联系，应配备通讯设备。

9)高温施工时，做到合理安排，并配备温度计在太阳暴晒的作业点进行测温，气温高于38℃时禁止露天作业；露天作业人员，适当调整作息时间，尽量在早晚温度较低时段进行施工；并对作业人员采取必要的防暑降温有效措施，如准备“人丹、霍香正气水、十滴水、清凉油、风油精、茶水、清凉含盐饮品、急救药箱等”等防中暑药品；高温作业期间控制作业人员的高空作业时间，高温情况下作业人员连续操作时间不超过2小时。

10)遇到异常情况，需客观分析具体原因，并与参建的相关单位协商解决方案。

九、环保措施

(1)保持施工现场的整洁，施工过程产生的废料必须集中处理，不允许将废料直接扫入江中，防止污染水域，破坏环境。

(2)合理安排工序，提高各设备的使用率，降低各设备的单位耗能。

(3)合理选择机械设备，有效节约电能。

(4)贯彻落实***关于环境保护的专项法律法规，有针对性的制定专项环保方案，加强宣传教育，切实执行，确保本工程达到环保标准。

(5)建立健全针对性的环保工作体系，落实责任制，配备专人进行管理。

(6)执行公司的《职业健康安全和环境保护体系》。

十、效益分析

10.1经济效益

中铁大桥科学研究院有限公司在西埃门大桥特殊结构检测项目中采用桥索夹螺杆轴力检测及补张工法，对全桥238个吊索索夹螺杆力进行了检测和补张号保证西缑初大桥238个吊索索夹螺杆轴力均超过了设计值的70%,满足了规范要求的抗滑系数大于等于3的要求。其后，该方法又在银川滨河黄河大桥工程中得以成功运用。本工法针对既有悬索桥形成了一套索夹螺杆的检测方法和补张方法，可实现对索夹螺杆轴力的高精度、***率的检测和补张，解决了索夹上螺杆因分组张拉产生的螺杆轴力重分配问题。该方法操作简单、快捷，成本低，经济效益明显。

10.2社会效益

本工法形成的成套技术解决了悬索桥施工建设和运营过程中悬索桥索夹螺杆轴力的高精度检测、***率高精度紧固施工以及全桥螺杆轴力的动态变化掌控问题，使悬索桥索夹抱箍主缆状态的精准施工控制成为了可能，有利于控制并减少主缆在建设期形成的二次应力，提高主缆的承载效率，为悬索桥索夹螺杆的***率(避免了大量的盲目施工)、高质量的施工建设提供了充分的技术保障，从而大大降低了大桥结构安全隐患以及施工安全隐患。该套技术也提供了悬索桥运营阶段螺杆轴力难以预测/未及时补拉导致索夹滑移等不可逆严重病害问题的解决方案，保障了桥梁结构与运营安全。此外，该方法的总结，目前已授权两项发明专利“一种悬索桥索夹螺杆轴力检测方法”(ZL 201710827046.4)和“一种悬索桥索夹螺杆轴力施工方法”(ZL 201710514527.X),并将研究成果形成科技论文“悬索桥索夹螺杆轴力超声检测技术”在《桥梁建设》杂志2019年第5期刊登。

十一、应用实例

西埃门大桥是中国浙江省舟山市境内的跨海大桥，位于西埃门水道之上，是甬舟高速公路(***高速G9211)组成部分之一，也是“舟山跨海大桥”项目的重要组成部分。西埃门大桥于2005年5月20日动工兴建，于2007年12月16日完成合龙工程，于2009年12月25日通车运营。2021年5月开始，我院对西埃门大桥主缆238个吊索索夹螺杆预紧力检测与补张拉，项目施工内容有：西埃门大桥吊索索夹螺杆预紧力的检测与补张拉工作，吊索索夹位置主要分布在册子岛侧边跨以及中跨。经过10余年的运营，本桥238个吊索索夹螺杆力均存在不同程度的下降的现象，少量螺杆甚至已完全松弛，存在安全隐患。通过本次补张拉工作，保证了西埃门大桥238个吊索索夹螺杆轴力均超过了设计值的70%,满足了规范要求的抗滑系数大于等于3的要求。

银川滨河黄河大桥主桥采用三塔双索面叠合梁自锚式悬索桥，跨径布置88+218+218+88=612m。该桥于2016年4月竣工通车，2021年6月对该桥的索夹螺杆进行了检测和补张，为大桥的运营安全提供了保障。

本工法针对既有悬索桥形成了一套索夹螺杆的检测方法和补张方法，可实现对索夹螺杆轴力的高精度、***率的检测和补张，解决了索夹上螺杆因分组张拉产生的螺杆轴力重分配问题。该方法操作简单、快捷，成本低，经济效益明显，非常具有推广前景。