摘 要：為提高懸索橋索夾螺桿張拉施工的質量與效率，在傳統螺桿張拉工藝基礎上，提出增加螺母轉角作為額外的輔助控 制參量，優先考慮同步張拉工藝，采用超聲技術測量螺桿的張拉回縮損失進而修正施工荷載再完成張拉，以及適度增加有效 穩壓持荷時間的索夾螺桿張拉施工控制技術。將該技術在五峰山長江大橋進行驗證測試和應用，現場結果表明：采用轉角輔 助張拉能夠有效提高螺桿緊固質量，螺桿平均軸力提高到941.0kN;同步張拉避免了軸力重分配造成的軸力損失;修正施工 荷載使得螺桿軸力控制偏差不超過5%;穩壓持荷大幅加快了主纜的收縮速度;采用該技術進行吊裝主梁前的全橋螺桿張拉， 抽檢軸力均值達到940kN，超出設計軸力170kN，實現了懸索橋索夾螺桿的高質量、高效率緊固施工。

　　關鍵詞：懸索橋;索夾螺桿;轉角;同步張拉;超聲檢測;回縮損失;穩壓持荷;施工控制

　　1 引 言

　　索夾是懸索橋“生命線”———主纜與吊索連接的 關鍵構件[1]，以高強度螺桿[2]預緊抱箍在主纜上，傳 遞大橋荷載。索夾螺桿預緊力不足將導致索夾在主 纜上發生滑移[2-4]，導致結構體系改變進而使得吊索 缺載的風險。 索夾螺桿的傳統張拉方式為采用千斤頂(通常 采用單頂或多頂分組張拉)和特制張拉器將螺桿張 拉至設計施工荷載時持荷，然后人工用短撥桿手動 撥緊螺母，最后千斤頂回油卸載完成施工。這種工 藝控制參量單一，張拉效果差，不同螺桿軸力差別 大，并且存在同一索夾上后張拉螺桿導致先張拉螺 桿軸力降低的問題[5-7]。

　　同時，在索夾抱緊力的作用 下，主纜內部會發生鍍鋅鋼絲重新排列和鍍鋅層蠕 變等現象[8-9]，使主纜直徑出現一定的收縮，導致索 夾螺桿軸力衰減。在懸索橋建設期間，索夾螺桿軸 力的衰減最為迅速和嚴重，施工單位需反復多次張 拉以保障結構與施工安全，消耗了大量的人力、物力 與時間成本。這種情況甚至持續到大橋通車數年之 后，如日本關門橋在通車1200d后螺桿軸力下降 約40%，部分索夾抗滑安全系數在2.0以下。

　　針對傳統索夾螺桿張拉施工中存在的張拉控制 參量單一、螺桿緊固力不足且離散性大，以及主纜收 緊緩慢、施工中反復多次張拉等問題，為實現索夾螺桿高效和高精度張拉施工，在傳統張拉工藝基礎上， 提出一套懸索橋索夾螺桿施工控制技術，并在五峰 山長江大橋進行了驗證測試和應用。

　　2 索夾螺桿張拉施工控制技術

　　2.1 螺母轉角輔助張拉

　　由于傳統張拉工藝僅以千斤頂輸出荷載作為控 制參量，因此在螺桿張拉過程中增加螺母轉角作為 參量，輔助控制螺桿張拉施工。 當螺桿軸力從 F1 增加至設計施工荷載 Fn 時 (彈性 階 段)，張 拉 側 的 螺 母 相 對 螺 桿 轉 動 的 角 度 θ(°)為： θ=360× (Fn -F1)× (l+d) Ehπd2/4 (1) 式中，E 為螺桿材料的彈性模量;h為螺紋的螺距;d 為螺桿的公稱直徑;l為螺桿張拉時的兩側螺母內 間距。

　　螺桿張拉施工時，當千斤頂張拉荷載從 F1 增 加至 Fn 時，撥動張拉器，此時螺桿螺母(認為千斤 頂荷載為F1 時已有效旋緊)若能有效轉動與張拉 荷載增量值相當的轉角θ，則認為螺桿在該過程中 可以獲得Fn-F1 的有效軸力。當短撥桿不能用手 撥動，即螺母不能有效旋緊時，可以考慮采用小錘適 度敲擊完成。首次張拉時，F1 一般考慮為設計施工荷載Fn 的10%～20%。

　　2.2 同步張拉

　　國內懸索橋索夾螺桿張拉工藝經歷了單頂張 拉、多頂分組張拉和同步張拉方式的演變。單頂或 多頂分組張拉時，單個索夾上螺桿存在高強度螺栓 軸力重分配問題，而且由于主纜的松散性，此問題愈 發嚴重，因此工程中建議優先選用同步張拉方式進 行施工。若因特殊情況不能進行同步張拉，則盡量 間隔分2組進行張拉，并且先張拉螺桿組需要進行 第2次張拉。單頂和多頂張拉可以作為在張拉完成 后，對軸力偏低的少量螺桿進行補拉的方式。

　　2.3 修正施工荷載張拉

　　索夾螺桿張拉時，經常出現不同螺桿軸力均勻 性差的問題，而單個索夾上螺桿軸力隨時間的衰減 相對一致(單個索夾處的主纜隨時間收緊程度基本 均勻)。這是由不同螺桿張拉時的回縮損失偏差較 大造成的�；乜s損失受螺桿和螺母加工公差，螺母 與墊圈、墊圈與索夾表面粗糙度，以及工人撥緊螺母 有效程度等影響。轉角輔助控制技術在一定程度上 改善了這一問題。為進一步提高索夾螺桿的精度， 將超聲檢測技術與傳統張拉法結合，通過測量每根 螺桿張拉時產生的回縮損失，修正設計施工荷載，完 成螺桿的精細化施工。

　　在操作過程中，假定90%設計施工荷載張拉后 的回縮損失與設計施工荷載張拉后的回縮損失基本 一致。當進行索夾螺桿的最后一級張拉時，首先將 千斤頂加載至90%設計施工荷載，按照正常操作撥 緊螺母。然后將千斤頂回油卸載，卸載前、后使用超 聲檢測 得 到 張 拉 引 起 的 螺 桿 軸 力 實 際 回 縮 損 失 ΔF，并結合設計要求的螺桿成橋軸力 F，將該螺桿 的設計施工軸力調整修正為F+ΔF。最后，以修正 后的施工荷載進行張拉，按照正常操作撥緊螺母，然 后千斤頂回油卸載，完成螺桿張拉施工。

　　2.4 增加有效穩壓持荷時間

　　懸索橋主纜受索夾抱緊而緩慢地發生鋼絲重新 排列、鍍鋅層部分蠕變等現象使得主纜收縮，導致螺 桿軸力衰減，直至主纜達到某種密實狀態，此時主纜 徑向的抵抗力與衰減后的索夾抱緊力(基本對應螺 桿軸力和的一半)達到平衡;同時，主纜受索夾抱緊 逐漸收緊密實，收緊速度與索夾抱緊力相關，抱緊力 越大主纜收緊速度越快。據此提出增加有效穩壓持 荷時間的索夾螺桿高效施工方法：在同步張拉工藝 下增加千斤頂輸出最大施工荷載時的穩壓持荷時 間，控制設定時間段內螺母可轉動角度的閾值(如持荷10min螺母轉角低于8°)，以大幅加速主纜在施 工過程中的有效收緊程度。該方式能夠顯著減少螺 桿張拉施工量，并降低成橋運營期螺桿軸力的衰減 速度。

　　3 工程應用測試

　　五峰山長江大橋為(84+84+1092+84+84) m 公鐵兩用鋼桁梁懸索橋，加勁梁采用板桁結合鋼 桁梁結構。大橋主跨上、下游各77個索夾，均為左 右抱合式，全橋共有吊索索夾螺桿1534根。所用 螺桿的螺紋規格為 M52，縮腰形設計，長度為1380 mm，材質為40CrNiMoA。成橋螺桿軸力要求770 kN 以上，設計施工荷載為1100kN，對應所用張拉 千斤頂的標定油壓為84.5MPa。

　　在現場進行驗證測試時，隨機選取靠近鎮江側 下游3/8處索夾作為測試對象，該索夾左、右側各9 根螺桿。索夾螺桿軸力 檢測的傳統方法———“拔出法”檢測精度較低，采用 超聲技術測量索夾螺桿軸力[10-11]。

　　3.1 轉角輔助張拉測試

　　為驗證轉角輔助張拉的有效性，進行轉角輔助 張拉和手動撥緊拔桿的張拉測試，并將2種測試結 果進行對比。采用手動撥緊拔桿的方式張拉1～3 號螺桿，當千斤頂加載至84.5 MPa(相當于施工荷 載1100kN)后撥緊螺母卸載回油，然后測量螺桿 軸力。采用轉角輔助張拉測試時，千斤頂分2級張 拉，第一級千斤頂油壓加載至50 MPa，第二級千斤 頂油壓 加 載 至 84.5 MPa。

　　當 千 斤 頂 加 載 至 50 MPa，用小錘適度敲擊撥桿確保鎖緊螺母，再加載至 84.5MPa。根據公式(1)計算得到螺母需要轉動的 角度為158°，若螺母轉角未達到158°，則采用小錘 適度敲擊撥桿直至螺母不再轉動時停止敲擊，然后 千斤頂回油，最后測量螺桿軸力。與手動撥緊相 比，采用轉角輔助張拉，螺桿平均軸力從672.4kN 提高到941.0kN，提高了268.6kN，相當于螺桿成 橋設計軸力的35%，表明轉角輔助張拉控制在一定 程度上改進了螺桿施工質量。

　　3.2 同步張拉測試

　　為明確索夾螺桿同步張拉的必要性以及研究分 組張拉存在的問題，在工程現場進行2種方法對比 測試。被測試索夾有左、右2排螺桿，各9根。分組 張拉測試時，螺桿在首次張拉完成4周之后再次張 拉，先張拉1號、3號、5號、7號、9號的5對螺桿，再 張拉2號、4號、6號、8號的4對螺桿，利用超聲測 量技術測量索夾右側9根螺桿的軸力。

　　后張拉4對螺桿時，對先張拉5對 螺桿的軸力產生了較大的影響，因軸力重分配因素 導致先張拉的5根螺桿軸力損失均值為229.7kN， 其設計軸力為770kN，損失了29.8%。原因在于建 設期主纜的松散性，在后張拉4對螺桿時，索夾抱緊 力疊加先張拉5對螺桿的剩余軸力，對主纜產生了 更大的抱緊力，使其進一步收縮。張拉完成后的螺 桿軸力均值為774.0kN，剛剛超過設計軸力，若僅 考慮回縮損失，平均回縮198.4kN。

　　分組張拉10d后，對該索夾進行同步張拉測 試。同步張拉方式避免了軸力重分配 的問題，同步張拉后軸力均值為928.5kN，與分2 組張拉的均值774.0kN 相比，提高了 154.5kN。 僅考慮回縮損失均值為171.5kN，相比分2組張拉 的損失均值198.4kN，減少了26.9kN�？梢�，在 實橋建設過程中，宜采用同步張拉方式，若因現場情 況不能同步張拉時，盡量分2組進行張拉，并且先張 拉螺桿組需要進行第2次張拉以彌補損失。

　　3.3 修正施工荷載張拉測試

　　為驗證修正施工荷載張拉螺桿的效果，在現場 進行了相應測試。螺桿分50 MPa、84.5 MPa兩級 張拉，在第2級張拉時先將千斤頂輸出荷載調整至 90%設計施工荷載對應的數值，即990kN(對應千 斤頂油壓76.1MPa)，螺桿撥緊后千斤頂卸載回油， 測量此時的螺桿軸力，可得到此次張拉的回縮損失值。該回縮損失與設計施工荷載對應的回縮損失基 本相當，在此基礎上加上成橋設計軸力770kN，得 到修正后的施工荷載。為簡便測試，采用單頂對單 根螺桿進行超聲張拉測試。由于考慮了每根螺桿的實際回縮 損失，并以修正后的施工荷載完成張拉的最后階段， 使得張拉后的螺桿軸力與設計軸力的偏差絕對值不 超過5%，相比傳統張拉工藝的施工質量大幅度提 升。由于螺桿軸力的衰減問題，實橋工程中應該根 據實際情況調整。

　　3.4 增加有效穩壓持荷時間測試

　　荷載張拉持荷時，單個索夾上所有螺桿索夾抱 緊力最大。此時主纜的收緊速度最快，因此采用同 步張拉方式是增加有效穩壓持荷時間以達到高效施 工的前提條件。 在同步張拉方式下，千斤頂加載至設計施工荷 載時增加持荷時間，以加快主纜的收縮速度，降低后 期螺桿軸力的損失。首先將千斤頂逐漸加載至設計 施工荷載，有效鎖緊螺母;然后千斤頂穩壓持荷(即 保證千斤頂壓力表一直處在84.5 MPa位置，降低 時即可補壓)，以10min為1個時間段，10min時以 同 樣方式有效鎖緊螺母，并測量此時螺母的轉動角度。該測試持續60min，60min時螺母基本不再轉 動。

　　千 斤 頂 穩 壓 持 荷 3 個 階 段 (30 min)，持荷過程中螺母累計轉動角度均值為345°， 根據公式(1)計算出對應螺桿軸力增量為977kN， 該軸力增量全部被主纜收緊變細的因素所抵消，超 過螺桿設計軸力 770kN 約 27%;第 4 個階段(10 min)內螺母轉動角度均值已減少至15°;最后1個 階段(10min)只有5°。

　　考慮施工時間成本，在實際 操作時，設置10min內螺母轉動10°～15°的停止持 荷閾值。如果在張拉時不進行穩壓持荷或是穩壓持 荷時間很短，則需要在后面的張拉工作中將這977 kN 對應的主纜收緊程度完成，驗證了張拉時增加 穩壓持荷30min(或根據轉動閾值控制停止持荷) 的必要性。 綜上所述，在全橋螺桿同步張拉時按照控制條 件進行穩壓持荷，索夾處主纜的收緊速度將大幅加 快，降低后期螺桿軸力的損失，可減少張拉次數。另 外，增加持荷時間也能夠縮短主纜收緊至最終穩定 的時間，利于大橋運營期的管養質量和安全。

　　3.5 實橋張拉控制效果

　　吊裝主梁是懸索橋施工過程中的重要階段，此 時需要嚴格保證索夾螺桿的緊固質量，防止在吊裝 主梁過程中出現索夾滑移問題。因此，在該橋吊裝 主梁之前的索夾螺桿張拉工作中采取了螺母轉角輔 助張拉、同步張拉、增加有效持荷時間等技術手段， 并在張拉完成后，采用超聲檢測技術對全橋索夾螺 桿軸力進行了抽檢。在大橋上游抽檢螺桿中，軸力最小 為745kN、最大為 1090kN，軸力均值為940kN， 相比設計要求軸力770kN 超出170kN，為后期吊 裝 工期內的螺桿軸力隨主纜略微收縮，以及吊裝主梁后主纜承載變細引起螺桿軸力損失儲備了充足的 空間。

　　4 結 語

　　懸索橋索夾螺桿的傳統張拉工藝難以有效地保 證螺桿施工質量和效率，存在軸力不足且離散性大， 施工期間反復多次張拉等問題。本文在傳統張拉工 藝基礎上，提出一套索夾螺桿施工控制技術。該技 術采取增加螺母轉角作為除千斤頂油壓以外的控制 參量;優先采用同步張拉方式進行螺桿張拉施工;采 用超聲技術測量張拉回縮損失，修正每根螺桿的施 工荷載再完成張拉;增加千斤頂輸出設計施工荷載 時的穩壓持荷時間，控制設定時間內螺母轉動的角 度閾值。

　　建筑工程師論文投稿刊物：《橋梁建設》現由中國鐵路工程總公司主管，中鐵大橋局集團有限公司主辦，中鐵大橋局集團武漢橋梁科學研究院有限公司出版。

　　通過五峰山長江大橋的現場測試和應用表 明：轉角輔助張拉能夠將緊固后的螺桿平均軸力從 672.4kN 提高到941.0kN;同步張拉避免了軸力 重分配造成的229.7kN軸力損失;修正施工荷載使得 螺桿軸力控制偏差不超過5%;穩壓持荷加快了主纜 的 收 縮 速 度 ，在30min內 完 成 了977kN螺 桿 軸 力對應的主纜收緊程度，使得全橋張拉次數比預計減少 2次以上;吊裝主梁前抽檢的螺桿軸力均值達到940 kN，比設計要求軸力超出170kN，證實了該張拉控制 技術的有效性。該技術有效提高了現場索夾螺桿張 拉的質量和效率，能夠為懸索橋索夾螺桿施工提供 技術指導，具有較好的工程推廣應用價值。

　　參 考 文 獻：

　　[1]陳國紅，劉 文，宋曉莉，等.某懸索橋索夾空間受力分 析[J].世界橋梁，2015，43(5)：58-62.

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　　[5]曹昌玉.懸索橋索夾螺桿拉力檢測及索夾補償軸施工技 術探討[J].交通世界，2019(17)：82-84，90.

　　作者：陳 明1，伊建軍2，3，鐘繼衛2，3，荊國強2，3，汪正興2，3