虎门大桥飞架珠江口，主航道跨经m，为扁平闭合流线型钢箱梁设计，宽度为35.6m，双向六车道，中央设1.5m分车带，桥下通航净空60m。该悬索桥设计中，螺杆预紧力测试项目主要施工工艺的研究，是其作为万莞佛高速贯通的主要桥梁稳定性、结构安全性、适用性、耐久性的保障。据管养经验显示，大桥施工中，受悬索桥通车运营后，受不同程度索夹螺杆张力下降，导致索夹发生轻微滑移或有滑移趋势，并由此产生一系列影响结构安全和耐久性的病害。
1.工程概况
虎门大桥作为贯通万莞佛高速跨越珠江出海口的特大桥，是珠江三角洲、深圳、珠海的中心点。大桥全长m，包含主航道桥（悬索桥）、辅航道桥和连接桥梁。虎门大桥主航道桥东接虎门大桥东引桥，西接辅航道桥、西引桥及西岸引桥，基本呈东西走向。虎门大桥主航道桥为跨径m的单跨双铰钢箱加劲梁悬索桥，全宽32m。主缆直径mm，由束丝Φ5mm镀锌高强钢丝组成。垂跨比1:10.5，两主缆中心间距33m。吊索间距12m，吊点用4根Φ52mm金属芯钢丝绳。加劲梁采用扁平闭口流线型钢箱梁。
虎门大桥索夹为左右对合式，两个半索夹之间由外部直径为85mm的螺栓连接，每个索夹根据其在主缆上所处的位置不同，索夹长度不同，螺栓的数量也不相同，全桥共有个索夹，虎门大桥全桥共有6种类型的索夹，但是不同索夹上安装的螺栓规格完全相同，区别是不同索夹上螺栓的数量有所不同。根据桥梁设计图纸，全桥个索夹共包含根螺杆。
根据国内外大跨径悬索桥管养经验，在悬索桥通车2～3年后，应进行索夹紧固。国内调研发现，悬索桥在通车运营后，索夹螺杆张力均有不同程度的下降，导致索夹发生轻微滑移或有滑移趋势，并由此产生一系列影响结构安全和耐久性的病害。基于虎门大桥于年6月9日通车，距今已有20年。考虑到索夹螺杆预紧力的损失，为了安全起见，很有必要对全桥的螺杆张拉力进行测试并由施工单位对张拉力不足的螺杆进行补张。
2.虎门大桥螺杆预紧力测试项目主要施工工艺
2.1施工工艺流程
施工工艺主要涵盖检测步骤、仪器设备介绍、现场测试3个方面内容。具体工艺实施步骤及其基本内容表现如下。
2.1.1既往经验借鉴之检测步骤
虎门大桥为大跨径悬索桥，桥上吊索与主缆通过索夹相连。螺杆预紧力与每个索夹螺杆4~12分布不等，分布方向不同、分布位置差异影响；常规实验中，借助索夹对螺杆施加预紧力，即将索夹套箍于主缆护套，才能在主缆中形成预紧力优势。检测主要通过本次实验测试结果证实，求得螺杆现存的预紧力；预紧力规范要求的螺杆，以补张满足拉力要求；在螺杆档案数据库建立实践中，为后续预紧力测试奠定基础。补张效果为，施加足够拉力将螺杆拉起，确保螺杆螺纹丝牙无损伤，螺母无松动；最终达到索夹紧固力受力均匀的良好测试效果。具体检测步骤流程如表1所示。
表1虎门大桥螺杆预紧力测试检测步骤2.1.2仪器设备介绍
超声波测试仪探测声波测试虎门大桥螺杆预紧力，主要通过自身机械部分和超声部分进行专门测试。即在千斤顶、套筒、螺母、油泵等构成部分，以油泵油压来达到控制千斤顶张拉力的效果。基本参数为：检测范围：零界面入射（0~）mm（钢中、纵波），可连续调节。
工作频率：（0.2~20）MHz；
重复频率：（10~）Hz；
分辨力：＞40dB（5P14）；
灵敏度余量：＞65dB（深mmФ2平底孔）。
2.1.3现场测试
螺丝和螺母组合在一起，才有夹紧力。需要多大的夹紧力，和产品设计要求相关，一般夹紧力都设定在屈服强度的70%左右。索夹螺杆张拉检测项目索夹的螺杆为水平方向，已有检测经验无法在主缆上方完成测试。基于此，通过联合吊篮提供施工平台来完成测试的施工技术，在实践中发挥了突出的成就。
2.2核心环节及其具体施工工艺
2.2.1理解螺杆力测试原理
螺杆两阶段受力不同，受螺母约束作用影响，螺杆上端所受拉力增大进程加快，螺杆部分上下长度及其应力状态保持不变，上端螺母以上的螺杆端部所受拉力逐渐增大。螺杆受力状态为两段杆，螺杆端部的伸长量ΔL1为：
上下两螺母之间的螺杆长度保持为L3不变。
还包括：
2.2.2索夹抽查倾斜度
20个抽查索夹上的根螺杆进行螺杆现存预紧力测试工作完成后，对最大位置处的代表性索夹进行复测试；通过千斤顶将每根螺杆的夹紧力张拉至设计值，以完成全桥所有索夹上的根螺杆预紧力的补张工作，根据设计计算，螺杆预紧力的设计值为49t。
2.2.3虎门大桥螺杆预紧力测试顺序施工工艺
虎门大桥螺杆预紧力测试顺序施工工艺如图1所示。
图1 虎门大桥螺杆预紧力测试顺序施工工艺图3.研究综述
对组装成桥的试验模型进行了4个工况的加载试验，并以中跨跨中最大弯矩的工况为例对主塔应力和主梁变形的试验结果进行分析，分析结果表明实测数据与实桥计算结果折算值较为接近，实际结构有较大的安全储备。采用外置式锚拉箱，结构简洁、传力明确且方便安装和检修。对变更设计后主桥的抗风和车—桥耦合动力性能进行研究，结果表明各项性能均满足要求。采用扭矩法分初拧、终拧两步施拧螺栓；工地扭矩系数试验、施拧屈服控制试验及抗滑移系数试验结果均满足规范要求；采用紧扣法进行终拧扭矩检查；根据扭矩系数变化情况及温度、湿度变化趋势，及时调整施拧扭矩，并对螺栓表面进行工艺处理，降低了环境条件对扭矩系数的影响。结果表明，该桥高强度螺栓施工控制较好、螺栓连接可靠。针对该新型结构，展开缩尺模型试验验证其结构性能，结果表明，正常使用阶段节段预制拼装波腹板梁桥结构性能与整体现浇工艺，满足工程设计要求，明确施工定位方法，规范作业流程，详细指导主缆锚固系统施工定位过程。预紧力控制中，实际生产中常用的扭矩法、螺母转角法和液压拉伸法的基本原理给出了各种预紧力的控制方法及其所能达到的精度。计算了一个设备法兰M64螺栓的扳手拧紧扭矩为N·m，液压拉伸器的油压为66.63MPa，在现场使用时，达到了所需的密封效果。
4.结语
虎门大桥螺杆预紧力测试项目施工工艺分析旨在通过实例对预紧力的设计和检测方法与实际应用做比较，得出较为准确的预紧力计算和检测方法，为相关行业的从业人员提供借鉴。该方法在误差分析基础上，提高了预紧力精度，可扩大预紧力提高的空间，提高在交变载荷下工作的螺栓的疲劳强度，改善防松能力，提高工作能力。
作者：于奇于世华（中交公路规划设计院有限公司）
本文刊发于《中国高新科技》杂志年第23期
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