石藝歌，王士杰

（中鐵大橋（鄭州）纜索有限公司 鄭州市 450044）

隨著技術(shù)的發(fā)展，斜拉索用鋼絲抗拉強(qiáng)度級(jí)別越來(lái)越高，從最初1570MPa、1670MPa直至目前的2000MPa，例如蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋（主跨588m）和滬通長(zhǎng)江大橋（主跨1092m）均采用抗拉強(qiáng)度2000MPa的鋅鋁合金鍍層鋼絲成品拉索。斜拉索是斜拉橋的重要受力構(gòu)件，冷鑄錨是斜拉索的重要組成部分，位于斜拉索兩端，起著錨固斜拉索、傳遞索力的作用。如果斜拉索出現(xiàn)損傷或失效等情況，會(huì)直接影響斜拉索和橋梁的安全使用壽命。為保證2000MPa平行鋼絲拉索冷鑄錨固安全性能，從高強(qiáng)鋼絲、冷鑄錨具、冷鑄填料三個(gè)關(guān)鍵受力構(gòu)件進(jìn)行質(zhì)量控制，然后進(jìn)行試驗(yàn)索的彎曲疲勞試驗(yàn)、靜載破斷試驗(yàn)等檢測(cè)。

1 冷鑄錨結(jié)構(gòu)

斜拉索冷鑄錨由錨杯、分絲板、連接筒、錨圈、前后蓋等金屬部件組成，高強(qiáng)鋼絲穿入分絲板后進(jìn)行鐓頭，錨杯內(nèi)腔灌注冷鑄填料，經(jīng)高溫養(yǎng)生固化形成冷鑄錨結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。

2 高強(qiáng)鋼絲

2000MPa高強(qiáng)鋼絲由國(guó)內(nèi)專業(yè)廠家生產(chǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。鋼絲使用前按照鋼絲生產(chǎn)廠家檢驗(yàn)項(xiàng)目取樣數(shù)量的5%進(jìn)行抽樣檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、彈性模量、反復(fù)彎曲、纏繞性能、扭轉(zhuǎn)性能等，經(jīng)檢驗(yàn)合格后方可投入使用。

3 冷鑄錨具

依據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG／T D65-01-2007）標(biāo)準(zhǔn)要求，運(yùn)營(yíng)狀態(tài)斜拉索安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5，施工狀態(tài)斜拉索安全系數(shù)不應(yīng)小于2.0，斜拉索錨具的安全系數(shù)不應(yīng)小于斜拉索的安全系數(shù)。

3.1 冷鑄錨具材質(zhì)

冷鑄錨具常規(guī)采用40Cr材質(zhì)，2000MPa平行鋼絲拉索錨具采用性能更好的42CrMo和35CrMo，應(yīng)符合《合金結(jié)構(gòu)鋼》（GB／T 3077-2015）的規(guī)定。

在錨具加工過(guò)程中，錨杯和錨圈采用鋼錠經(jīng)鍛壓鍛成空心筒體的鍛件，應(yīng)符合《大型合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件技術(shù)條件》（GB／T 33084-2016）的規(guī)定。鍛件的力學(xué)性能與錨具截面尺寸相關(guān)，隨著尺寸的增大，鍛件屈服強(qiáng)度ReL逐漸下降。結(jié)合錨具截面尺寸，42CrMo鍛件和35CrMo鍛件屈服強(qiáng)度ReL分別為550 MPa和540MPa。

表1 2000MPa高強(qiáng)鋼絲技術(shù)指標(biāo)

3.2 冷鑄錨具設(shè)計(jì)

錨具的結(jié)構(gòu)尺寸由以下幾個(gè)因素確定：錨杯小端孔徑應(yīng)滿足索體穿過(guò)及填料灌注工藝間隙的要求；大端孔徑應(yīng)滿足鋼絲發(fā)散空間、鋼絲穿入分絲板后的鐓頭間隙；錨杯內(nèi)鋼絲的有效錨固長(zhǎng)度（lsc）應(yīng)滿足冷鑄錨固填料與鋼絲的粘結(jié)強(qiáng)度的要求，應(yīng)大于鋼絲在冷鑄填料中的拔出試驗(yàn)的最小握裹長(zhǎng)度；錨杯內(nèi)腔錐形面的母線與軸線的夾角（βs）適宜，若角度太小，容易造成拉索在超張拉后的分絲板的回縮值過(guò)大；錨杯的平均壁厚（tsm）須滿足冷鑄體引起的壓力在錨杯壁上產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力要求（見(jiàn)圖2）。

錨杯強(qiáng)度驗(yàn)算包括：內(nèi)外螺紋強(qiáng)度校核（彎曲、剪切、擠壓）、錨杯危險(xiǎn)斷面驗(yàn)算（錨窩退刀槽處）、錨杯環(huán)向應(yīng)力；錨圈強(qiáng)度驗(yàn)算包括：螺紋強(qiáng)度（彎曲、剪切、擠壓）、端面承壓。通過(guò)錨具強(qiáng)度驗(yàn)算可以知道，錨杯是由鍛件屈服強(qiáng)度控制其結(jié)構(gòu)尺寸，錨圈是錨墊板承壓控制其外形尺寸，因此考慮到錨具結(jié)構(gòu)尺寸的緊湊性及經(jīng)濟(jì)性，錨杯采用42CrMo，錨圈采用35CrMo。

在2000MPa平行鋼絲拉索錨具設(shè)計(jì)時(shí)，分絲板灌注流道間隙增大，適當(dāng)延長(zhǎng)錨固段鋼絲的發(fā)散區(qū)域，改善錨具的灌注工藝性；在錨杯小端口處增加彈性限制器，降低拉索接觸應(yīng)力以及由此產(chǎn)生的二次彎曲應(yīng)力，提高拉索的彎曲疲勞性能（見(jiàn)圖3）。另外，錨具結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)要合理，變截面部位出現(xiàn)尖角或圓角半徑不夠大，會(huì)造成應(yīng)力集中；錨具表面光潔度不足，加工過(guò)程留下的劃痕、刀痕、磨削裂紋等也會(huì)造成應(yīng)力集中，都可能導(dǎo)致錨具在交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂。因此在高強(qiáng)度斜拉索錨具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，更應(yīng)注重細(xì)節(jié)部位的處理：變截面部位應(yīng)采用圓角過(guò)渡，且圓角半徑不能太小，以降低應(yīng)力集中；加工時(shí)應(yīng)控制表面及圓角處的光潔度，提高表面質(zhì)量，以利于增強(qiáng)材料的疲勞強(qiáng)度。

3.3 冷鑄錨具制造

錨杯及錨圈加工工藝流程：42CrMo／35CrMo→鍛造→粗車→進(jìn)廠檢驗(yàn)→熱處理→半精車→超聲波探傷→精車→鉆孔攻絲→磁粉探傷→粉末滲鋅→封閉處理→最終檢驗(yàn)→成品入庫(kù)。

錨杯及錨圈的坯件為鍛鋼件，需進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，過(guò)高的熱處理強(qiáng)度，會(huì)過(guò)大地增加材料的硬度和脆性，增加工件機(jī)加工難度，同時(shí)也會(huì)增加工件的內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)生表面裂縫，結(jié)合廠家錨具制造經(jīng)驗(yàn)，錨杯硬度225～269HB，錨圈硬度207～255HB。熱處理符合《鋼件的淬火與回火》（GB／T 16924-2008）標(biāo)準(zhǔn)要求，不能出現(xiàn)硬度不勻、淬透深度不足、表面裂紋、組織畸形等工藝性缺陷。錨具熱處理后，按照《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》（GB／T230.1-2009）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行硬度檢測(cè)。錨杯及錨圈均按照《鍛鋼件超聲檢測(cè)》（JB／T 8467-2014）規(guī)定的2級(jí)要求逐件進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)，成品表面均按照《鍛鋼件磁粉檢測(cè)》（JB／T 8468-2014）規(guī)定的2級(jí)要求逐件進(jìn)行磁粉探傷。

冷鑄錨具有規(guī)格型號(hào)和產(chǎn)品流水號(hào)標(biāo)志，同規(guī)格的部件具有互換性。每套錨具均有質(zhì)量保證書，標(biāo)明各主要部件的材質(zhì)、化學(xué)成分、機(jī)械性能、探傷報(bào)告等，填寫各部件硬度、尺寸加工誤差、滲鋅層厚度等檢測(cè)結(jié)果。

3.4 冷鑄錨具防護(hù)

錨具防護(hù)目前主要有常用3種方式：電鍍鋅、熱浸鋅和粉末滲鋅。粉末滲鋅是一種化學(xué)熱處理工藝，能夠形成鋅鐵合金保護(hù)層，有效防止錨具腐蝕。錨具粉末滲鋅工藝流程：酸洗除銹→工件裝夾→裝爐→工藝參數(shù)設(shè)置→滲鋅（升溫、恒溫、冷卻）→出爐→水洗→干燥→檢驗(yàn)→鈍化→封閉。

錨具粉末滲鋅主要特點(diǎn)：涂層厚度均勻，梯形螺紋直接滿足旋合配合精度；滲鋅層為擴(kuò)散冶金結(jié)合，鋅鐵合金與基體金屬結(jié)合強(qiáng)度高；滲鋅層硬度高，耐磨損性能好；涂層耐腐蝕性強(qiáng)，工藝過(guò)程環(huán)保，沒(méi)有氫脆現(xiàn)象。粉末滲鋅錨具經(jīng)1000h中性鹽霧試驗(yàn)，試件表面未出現(xiàn)紅銹。錨具3種防護(hù)方式技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 電鍍鋅、熱浸鋅和粉末滲鋅指標(biāo)比較

4 QS2160冷鑄填料

冷鑄填料主要由環(huán)氧粘接材料、鐵砂（粗骨料）、礦粉（細(xì)骨料）組成，是在常溫下灌注高溫下固化，形成圓臺(tái)狀冷鑄體，將鋼絲握裹楔進(jìn)錨杯，形成整體結(jié)構(gòu)傳遞索力。為了滿足2000MPa高強(qiáng)鋼絲的錨固強(qiáng)度，我們?cè)谠欣滂T填料配方的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了多次配方試制，經(jīng)過(guò)常溫抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、高溫抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、熱老化試驗(yàn)、鋼絲拔出試驗(yàn)等，開(kāi)發(fā)出性能更好的QS2160冷鑄填料。該配方主要特點(diǎn)是，冷鑄體為海島結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹(shù)脂合金，固化物具有超高的斷裂韌性、抗裂紋擴(kuò)展能力和熱穩(wěn)定性。錨具養(yǎng)生固化溫度從175℃降至160℃，錨具養(yǎng)生質(zhì)量更易得到保障。試件常溫抗壓強(qiáng)度從147MPa提高到160MPa以上，滿足了高強(qiáng)鋼絲的錨固要求。

5 斜拉索試驗(yàn)

采用2000MPa高強(qiáng)鋼絲、42CrMo錨杯、35CrMo錨圈及QS2160冷鑄填料制造了一組試驗(yàn)索，以驗(yàn)證斜拉索冷鑄錨固安全性能。

5.1 彎曲疲勞試驗(yàn)

按照《大跨度斜拉橋平行鋼絲拉索》（JT／T 775-2016）標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)試驗(yàn)索進(jìn)行了彎曲疲勞性能試驗(yàn)檢測(cè)。試驗(yàn)索規(guī)格為PESC7-511，公稱破斷索力39311kN。疲勞試驗(yàn)加載波形為正弦波，頻率0.6Hz，疲勞加載峰值為17699kN（0.45），應(yīng)力幅為4916kN（250MPa）；200萬(wàn)次疲勞加載過(guò)程中動(dòng)恒載保持穩(wěn)定，未見(jiàn)異常；疲勞試驗(yàn)完成后，對(duì)該試驗(yàn)索進(jìn)行了軸向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)最大荷載為37407kN，加載過(guò)程中未見(jiàn)異常；試驗(yàn)完成后檢查，未見(jiàn)鋼絲斷裂和護(hù)套破損等現(xiàn)象，且錨圈與錨杯能自由旋合。具體檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 PESC7-511斜拉索彎曲疲勞性能試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

5.2 靜載試驗(yàn)

按照《大跨度斜拉橋平行鋼絲拉索》（JT／T 775-2016）標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)試驗(yàn)索進(jìn)行了靜載性能試驗(yàn)檢測(cè)。試驗(yàn)索規(guī)格為PESC7-547，公稱破斷索力42102kN。試驗(yàn)中，各級(jí)加載穩(wěn)定，未見(jiàn)異常；試驗(yàn)荷載最大值為41712kN，持荷5min后卸載，未見(jiàn)異常；試驗(yàn)完成后檢查，未見(jiàn)鋼絲斷裂和護(hù)套破損等現(xiàn)象，且錨圈與錨杯能自由旋合。具體檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 PESC7-547斜拉索靜載性能試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

斜拉索鋼絲抗拉強(qiáng)度級(jí)別提高后，需要與之匹配的冷鑄錨具和冷鑄填料，以滿足結(jié)構(gòu)受力。采用42CrMo錨杯、35CrMo錨圈及QS2160冷鑄填料制造的2000MPa平行鋼絲拉索試驗(yàn)索，經(jīng)彎曲疲勞試驗(yàn)及靜載試驗(yàn)檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，冷鑄錨固性能安全可靠，為2000MPa平行鋼絲拉索項(xiàng)目的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)，也可作為類似項(xiàng)目的參考。