彭春陽(yáng)， 李啟富， 莫仁俊， 王 耀

（1. 柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545005；2. 柳州曙光車橋有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545000）

長(zhǎng)期以來(lái)，懸索橋主纜鋼絲一直采用直徑?5 mm 系列，抗拉強(qiáng)度一直維持在1 570～1 770 MPa。隨著橋梁跨徑增大，主纜鋼絲用量增加。提高主纜鋼絲強(qiáng)度，可以減少鋼絲用量，減輕主纜的自重和截面積；增大主纜鋼絲的直徑，可以減少索股數(shù)量，降低施工周期；因此，大直徑、高強(qiáng)度鋼絲主纜索股應(yīng)用于大跨徑懸索橋是未來(lái)的發(fā)展方向。為適應(yīng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，在國(guó)內(nèi)已可以研制的更高強(qiáng)度1 860、1 960 MPa 級(jí)鋼絲，更大直徑?6 mm 系列鋼絲基礎(chǔ)上，開展大直徑、高強(qiáng)度鋼絲主纜索股相關(guān)的制造技術(shù)研究。武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋主纜索股鋼絲采用的是?6.2 mm、強(qiáng)度為1 960 MPa 的鍍鋅鋁合金高強(qiáng)鋼絲，與常用的?5.0 mm、強(qiáng)度為1 670 或1 770 MPa 主纜索股相比，鋼絲線徑更大、強(qiáng)度更高，制造相對(duì)更困難，本文對(duì)其主纜索股制造技術(shù)、施工質(zhì)量控制進(jìn)行研究。

1 工程概況

武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋是雙層懸索橋，全長(zhǎng)4.134 km，橋面寬32.5 m，主橋跨度布置為465 m+1 700 m+465 m。全橋共2 根主纜，每根由271 股91 根?6.2 mm的索股組成，單根主纜索股長(zhǎng)度約為2 836 m，單根索股質(zhì)量約62 t。見圖1和圖2。

圖2 主纜截面

2 主纜索股制造技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)

主纜索股為正六邊形結(jié)構(gòu)，在六邊形斷面左上角設(shè)置紅色油漆涂覆的標(biāo)志絲，右上角設(shè)置精確測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)絲。索股每隔1.5 m 用定型包扎帶纏繞定型，兩端裝配熱鑄錨具。見圖3。

圖3 主纜索股

2.2 錨具設(shè)計(jì)

為保證錨具的錨固效率，對(duì)鋼絲與鋅銅合金的握裹性能進(jìn)行研究；同時(shí)對(duì)錨杯的錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算、受力分析、試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2.1 鋅銅合金的握裹力

分別測(cè)試不同握裹長(zhǎng)度、相同長(zhǎng)度有無(wú)錐度的鋼絲拉脫力，由式（1）進(jìn)行握裹力的計(jì)算

式中：λ——握裹力（鋼絲與合金在單位面積上的附著力）,MPa；

F——鋼絲拉脫力，kN；

dw——主纜鋼絲直徑，mm；

L——鋼絲握裹長(zhǎng)度，mm。

通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：鋼絲的拉脫力隨著握裹長(zhǎng)度的增大而增大，錨具有錐度，有利于增大鋼絲的握裹力，同時(shí)對(duì)握裹力的離散程度（工藝穩(wěn)定性）是有利的。見圖4。

圖4 單根鋼絲握裹力試驗(yàn)

2.2.2 錨杯

1）結(jié)構(gòu)。錨杯的結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 索股錨杯

2）計(jì)算。錨杯的環(huán)向應(yīng)力計(jì)算[1]

式中：Ft——錨具環(huán)向拉力值；

lsc——錨杯內(nèi)鑄體材料的有效長(zhǎng)度；

tsm——鑄體材料有效長(zhǎng)度內(nèi)錨杯的平均壁厚；

Ns——索股拉力設(shè)計(jì)值；

φsc——錨杯內(nèi)鑄體上壓力線與錨杯內(nèi)錐母線的夾角；

βs——錨杯內(nèi)錐母線與軸線的夾角。

經(jīng)計(jì)算，錨杯的環(huán)向應(yīng)力值為244.7 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度值，錨杯具有足夠的安全系數(shù)。

3）受力分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，進(jìn)行了ANSYS有限元分析，模擬在受索股破斷索力工況時(shí)，錨杯的應(yīng)力狀況。錨杯所受的最大應(yīng)力為232.9 MPa，與理論計(jì)算值差別不大，小于材料的屈服強(qiáng)度值，錨杯具有足夠的安全系數(shù)。見圖6。

圖6 ANSYS有限元分析

2.2.3 錨具制造

錨具制造主要是指索股熱鑄錨杯的制造，工藝流程見圖7。

圖7 索股熱鑄錨杯制造工藝流程

為保證熱鑄錨杯握裹段的制作精度，對(duì)熱鑄錨杯的內(nèi)腔進(jìn)行機(jī)加工并嚴(yán)格按照按GB/T 7233.1—2009《鑄鋼件超聲檢測(cè)第1 部分：一般用途鑄鋼件》2 級(jí)超探要求對(duì)錨杯內(nèi)腔及各部位進(jìn)行探傷檢測(cè)。

2.2.4 錨具防腐工藝

采用熱噴鋅+重防腐涂層的方案進(jìn)行防護(hù)，熱噴鋅厚度＞100 μm，再噴40 μm 厚涂環(huán)氧封閉漆進(jìn)行索股安裝初期的防腐，封閉漆加鋅層能有效防止錨具的腐蝕；橋梁上部結(jié)構(gòu)施工完成后，再對(duì)錨具進(jìn)行進(jìn)一步的防腐處理，即噴120 μm 厚環(huán)氧耐磨漆、80 μm 厚聚氨酯面漆，使整個(gè)錨具的防腐層厚度達(dá)到340 μm，配合錨室內(nèi)的除濕系統(tǒng)，此種防腐結(jié)構(gòu)可以有效阻止錨具發(fā)生腐蝕，保證主纜錨固性能。

2.2.5 制錨及頂壓工藝控制

錨杯內(nèi)腔用清洗液清洗干凈，確定鋅銅合金容積，用工裝夾具在錨杯上定位、固定索股的角度及長(zhǎng)度位置，鋼絲索股的軸線與錨杯的前端面角度控制在（90±0.5）°；在制錨平臺(tái)上澆鑄，澆鑄時(shí)鋅銅合金的熔化溫度不得高于600 ℃。錨杯預(yù)熱至合適溫度，澆鑄容器預(yù)熱至200 ℃以上，保證鋅銅合金澆鑄溫度為（460±10）℃。將合金注入錨杯時(shí)，應(yīng)避免任何振動(dòng)，澆鑄應(yīng)一次完成，不得中斷。

錨具及澆鑄合金完全冷卻至常溫后，把索股、錨杯從灌錨平臺(tái)上移下。將錨具固定在頂壓臺(tái)上，在錨杯大端頂壓，控制頂壓力3 615 kN，持荷5 min，卸壓后測(cè)量索股的外移量。經(jīng)精準(zhǔn)容積換算及灌注工藝控制，頂壓回縮值在3 mm內(nèi)。

2.2.6 靜載及疲勞驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證索股靜載、疲勞性能，進(jìn)行靜載、疲勞試驗(yàn)：靜載性能達(dá)到最大試驗(yàn)荷載≥95%，公稱破斷荷載；疲勞性能達(dá)到應(yīng)力上限0.45σb，應(yīng)力幅值200 MPa，經(jīng)200 萬(wàn)次脈沖加載后斷絲不大于總數(shù)的5%。驗(yàn)證了其錨固效率完全滿足要求[2]。

2.3 主纜鋼絲的性能

對(duì)于索股鋼絲，除要求檢測(cè)數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求[3]外，增加了對(duì)鋼絲扭轉(zhuǎn)性能的要求，要求鋼絲滿足100 m 自由扭轉(zhuǎn)≯3 圈，以此進(jìn)一步保證索股鋼絲的直線性。

2.4 生產(chǎn)線改造

由于是高強(qiáng)度、大直徑鋼絲主纜索股，生產(chǎn)制作前擔(dān)憂纏包力不夠，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行了改造。

1）對(duì)纏包機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，調(diào)整纏包機(jī)的張力機(jī)構(gòu)，使得纏包機(jī)能夠提供恒扭矩，保證纏包帶不因長(zhǎng)度的變化而引起纏包力的變化，即保證纏包力的均勻性。

2）鋼絲的鋼性太大，索股上盤時(shí)會(huì)影響成盤效果，造成斷帶。為了改善纏包效果，前期將纏包距離由1.5 m 加長(zhǎng)為1.8 m。在主纜索股架設(shè)過(guò)程中，部分索股在工地放索檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，距離的加長(zhǎng)對(duì)纏包效果改善并不明顯，后期將纏包距離由1.8 m 改回了1.5m。

3 主纜索股制作

主纜索股的制作工藝流程見圖8。

圖8 主纜索股制作工藝流程

主纜索股長(zhǎng)度是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)絲來(lái)控制，因此標(biāo)準(zhǔn)絲制作的長(zhǎng)度精度直接影響索股的長(zhǎng)度精度。楊泗港大橋索股長(zhǎng)度2 836 m，標(biāo)準(zhǔn)絲制作采用基線測(cè)長(zhǎng)法，設(shè)置的測(cè)長(zhǎng)基線為200 m，共需15 次裝夾測(cè)量，在充分考慮溫度補(bǔ)償誤差、變量傳遞誤差、累計(jì)測(cè)量精度誤差等因素下，保證標(biāo)準(zhǔn)絲的測(cè)長(zhǎng)精度偏差在1/15 000以上，索股的測(cè)長(zhǎng)精度偏差在1/12 000以上。

4 放索質(zhì)量及控制方法

為了檢驗(yàn)索股的制作質(zhì)量、成盤質(zhì)量和索股放盤后質(zhì)量的一致性，在正式生產(chǎn)前按照主纜序號(hào)進(jìn)行了1∶1 的放索試驗(yàn)。由于場(chǎng)地條件限制，試驗(yàn)在工廠拉索生產(chǎn)線上進(jìn)行。在直輥道兩側(cè)各一個(gè)部位布置升高支架以模擬索鞍，布置間距為6～8 m 的輥道以模擬貓道支撐輥。經(jīng)放索試驗(yàn)，索股沒(méi)有出現(xiàn)斷帶，索股纏包點(diǎn)成型保持效果良好，說(shuō)明索股編制纏包張力適宜；索股全長(zhǎng)放索后，標(biāo)志點(diǎn)紅黃油漆標(biāo)識(shí)邊界無(wú)明顯滑移，放索全程無(wú)明顯索股扭轉(zhuǎn)和鼓、散絲現(xiàn)象，說(shuō)明索股內(nèi)鋼絲長(zhǎng)度偏差滿足要求；放索時(shí)索股下盤過(guò)程在索盤處索股未出現(xiàn)夾絲、卡盤和塌落現(xiàn)象，全長(zhǎng)索股成盤質(zhì)量可靠。

主纜索股放索質(zhì)量控制，主要是如何控制鼓絲、扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。產(chǎn)生鼓絲、扭轉(zhuǎn)的直接原因是索股內(nèi)各鋼絲間長(zhǎng)度不均勻。導(dǎo)致索股內(nèi)各鋼絲間長(zhǎng)度不均勻的原因有2 個(gè)：生產(chǎn)制造過(guò)程中由于單根鋼絲組合預(yù)制成索股時(shí)，加工工藝造成索股間各鋼絲存在內(nèi)應(yīng)力差；施工現(xiàn)場(chǎng)放索過(guò)程中，由于索股是在柔性貓道上牽引，鋼絲在索股牽引過(guò)程中經(jīng)過(guò)不同部位，索股下部的鋼絲受到托滾的摩擦力產(chǎn)生拉應(yīng)力，逐漸向后累積至曲率、高差起伏變化較大的地方，如主索鞍、散索鞍處，造成索股間各鋼絲存在內(nèi)應(yīng)力差，同時(shí)由于后移限制，鋼絲不可避免鼓出。

為提高索股放索質(zhì)量，避免索股在施工現(xiàn)場(chǎng)放索過(guò)程中出現(xiàn)鼓絲、扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，可采取以下控制措施。

1）貓道。增加貓道剛度，適當(dāng)?shù)卦龃筘埖莱兄厮鳎ＷC放索時(shí)貓道的穩(wěn)定性并使貓道滾輪的高度保持一致；或分幅對(duì)稱布置滾輪，以防放索時(shí)貓道產(chǎn)生傾斜；合理設(shè)置貓道滾輪，采用合理角度的貓道滾輪，使索股與滾輪成垂直狀態(tài)并保持一個(gè)面接觸；索鞍處滾輪組的布置也應(yīng)使索股與滾輪成垂直狀態(tài)，索股不與滾輪側(cè)面接觸，減少索股的扭轉(zhuǎn)。

2）索股入鞍后會(huì)產(chǎn)生鋼絲分層位移現(xiàn)象，散索鞍處主纜的空間線形及鞍槽平彎和豎彎的共同效應(yīng)，必然出現(xiàn)鼓絲現(xiàn)象。為了避免索股鼓絲，應(yīng)確定合理的整形入鞍工藝和順序；在工廠預(yù)制索股時(shí)，采取索鞍、散索鞍處預(yù)成形工藝，減少索股間鋼絲的不均勻，還可提高索股架設(shè)效率，縮短架設(shè)時(shí)間；施工時(shí)采取鋼板梳、鋼絲模等工具進(jìn)行限位調(diào)整控制，在主索鞍中跨出口處用四邊形保持器夾緊，保證單根索股整體性，盡量減少串絲等，必要時(shí)在側(cè)面加設(shè)調(diào)整夾板；中跨跨中垂度控制在30 cm 左右，邊跨跨中垂度控制在10 cm 左右，便于調(diào)整索股，同時(shí)減小底層鋼絲的摩擦力；調(diào)整索股時(shí)，采用木錘在調(diào)整部位附近反復(fù)不停敲打并利用倒鏈適當(dāng)上提，以減小鞍槽摩擦力影響。

3）架設(shè)牽引過(guò)程中，嚴(yán)密監(jiān)督與觀察，杜絕局部鋼絲受掛；避免牽引過(guò)程中散絲后，單個(gè)或數(shù)個(gè)鋼絲被掛住，受拉而產(chǎn)生鼓絲。

4）必須將錨跨鼓絲趕至邊跨跨中位置，遠(yuǎn)離散索鞍，便于后期恒載增加時(shí)，達(dá)到消除鼓絲的目的。在緊纜施工過(guò)程中，若出現(xiàn)鼓絲問(wèn)題，可采取平均分配法逐段消除。

5 結(jié)語(yǔ)

由于直徑的增大，鋼絲的直線性有比較大地提高，可以改善索股的制造質(zhì)量，降低索股鼓絲及扭轉(zhuǎn)出現(xiàn)的概率。楊泗港長(zhǎng)江大橋主纜索股的應(yīng)用，成功地將大跨徑懸索橋高強(qiáng)度鋼絲直徑由5 系列提高到6系列，給后續(xù)大跨徑懸索橋建設(shè)積累了大跨徑、大直徑、高強(qiáng)度鋼絲主纜索股的經(jīng)驗(yàn)，從施工現(xiàn)場(chǎng)的放索效果反饋，大跨徑、大直徑、高強(qiáng)度鋼絲主纜索股的制造已經(jīng)能夠滿足工程要求。