超大噸位鋼絞線斜拉索錨具研究

趙軼才

(重慶萬橋交通科技發(fā)展有限公司， 重慶 401336)

超大噸位鋼絞線斜拉索錨具研究

趙軼才

(重慶萬橋交通科技發(fā)展有限公司， 重慶 401336)

超大噸位鋼絞線斜拉索由于其安裝優(yōu)勢(shì)，越來越多地在大跨徑橋梁上得到應(yīng)用。結(jié)合重慶兩江大橋鋼絞線斜拉索的工程實(shí)踐,介紹超大噸位鋼絞線斜拉索錨具的設(shè)計(jì)研究要點(diǎn)，為今后大規(guī)格鋼絞線斜拉索錨具的設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供參考。

超大噸位鋼絞線斜拉索；錨具；參數(shù)；安裝；試驗(yàn)

斜拉索是斜拉橋最重要的受力構(gòu)件，其性能直接關(guān)系到斜拉橋的結(jié)構(gòu)安全。隨著橋梁跨度的增長(zhǎng)和承載需求的提高，大噸位、超大噸位鋼絞線斜拉索逐漸得到應(yīng)用[1]。以前國(guó)內(nèi)使用的鋼絞線斜拉索，絕大部分采用規(guī)格都較小，JT/T 771—2009《無粘結(jié)鋼絞線斜拉索技術(shù)條件》規(guī)定的最大規(guī)格鋼絞線斜拉索為127孔。重慶兩江大橋設(shè)計(jì)的139孔超大規(guī)格鋼絞線斜拉索在國(guó)內(nèi)從未使用過，且超大噸位鋼絞線斜拉索的相關(guān)技術(shù)還不成熟，可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少，故其錨具如何設(shè)計(jì)加工尤為關(guān)鍵。本文針對(duì)這一問題進(jìn)行研究，尤其是對(duì)超大噸位鋼絞線斜拉索體系中的錨具進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，其研究結(jié)果可為今后類似超出標(biāo)準(zhǔn)大規(guī)格鋼絞線斜拉索的應(yīng)用研究提供參考[2]。

1 超大噸位鋼絞線斜拉索體系構(gòu)成

超大噸位鋼絞線斜拉索體系主要由3部分組成：錨固段、過渡段、自由段，如圖1所示。

錨固段主要由錨板及夾片、螺母、支撐筒、密封筒、防松裝置、錨具保護(hù)罩構(gòu)成[3]。

過渡段主要由預(yù)埋管、索夾、減振裝置及HDPE管連接裝置構(gòu)成。先用索夾收緊索體，使之形成符合設(shè)計(jì)要求的規(guī)則截面；然后將橡膠減振裝置設(shè)置在預(yù)埋管口，以有效降低索體振幅，減輕索體振動(dòng)對(duì)錨固結(jié)構(gòu)的受力影響；最后用HDPE管連接裝置與外護(hù)套HDPE管連接形成防護(hù)體系。

自由段即為斜拉索索體結(jié)構(gòu)，即將鋼絞線平行緊密排列，外面加上HDPE護(hù)套管。

2 錨具研究

首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定超大規(guī)格錨具的尺寸參數(shù)及熱處理工藝并進(jìn)行受力分析，設(shè)計(jì)出139孔鋼絞線斜拉索錨具以便加工制造；然后進(jìn)行139孔鋼絞線斜拉索安裝、整體張拉工藝試驗(yàn)，錨具結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)單根換索；最后按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 超大噸位鋼絞線斜拉索體系

2.1 錨具結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)

工程施工中，由于需根據(jù)橋梁線形多次調(diào)整索力，因此錨具需具備整體張拉調(diào)索功能。錨具錨板的外形尺寸與錨板受力及塔上空間相關(guān)。錨板受力主要指斜拉索設(shè)計(jì)受力，設(shè)計(jì)受力通過索股和錨板傳遞。錨板直徑大小還與錨板上錐孔間距、大徑及工藝孔相關(guān)，其中錐孔間距對(duì)受力影響很大。支撐筒與錨板螺栓連接起支撐作用，螺母與支撐筒螺紋連接以調(diào)節(jié)斜拉索受力大小，其尺寸參數(shù)由錨板及受力來確定。錨板厚度在滿足受力的情況下，從經(jīng)濟(jì)性考慮，并非越厚越好，故兩江大橋最終錨具外形尺寸參數(shù)是基于這些因素綜合分析確定的。超大噸位鋼絞線斜拉索錨具如圖2所示。

圖2 超大噸位鋼絞線斜拉索錨具

錨具尺寸參數(shù)確定后，用有限元分析軟件ANSYS對(duì)錨具結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析及校核，結(jié)果顯示其力學(xué)性能均能滿足設(shè)計(jì)要求[4]。錨具受力分析如圖3所示。

圖3 錨具受力分析

2.2 錨具熱處理工藝

錨具的主要受力構(gòu)件如錨板、支撐筒、螺母都采用鍛件。由于錨具結(jié)構(gòu)尺寸較大，不可避免地存在成分偏析、非金屬夾雜、顯微空隙等冶金缺陷，再加上相變潛熱的影響，故在加熱和冷卻過程中產(chǎn)生的應(yīng)力較大，極易引起工件畸變和開裂。139孔錨具直徑厚度整體偏大，因此，為保證錨具質(zhì)量，熱處理工藝顯得尤為重要。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，鋼絞線錨具受力構(gòu)件均采用40Cr鋼，而40Cr鋼未進(jìn)行熱處理時(shí)的硬度只能達(dá)到HRC10～20。40Cr鋼的原始組織為球狀珠光體，由于球狀接觸面積小，同時(shí)Cr能阻礙碳的擴(kuò)散，因此熱處理加熱溫度應(yīng)選擇上限，且保溫時(shí)間需加長(zhǎng)。錨具最終熱處理是淬火加高溫回火，然后用油和PAG淬火以避免熱處理缺陷。經(jīng)過多次摸索，反復(fù)試驗(yàn)，得到可滿足錨具硬度要求的工藝參數(shù)，如表1所示。另外，還進(jìn)行了工件試制，結(jié)果顯示完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 錨具熱處理工藝參數(shù)

2.3 安裝試驗(yàn)

為了驗(yàn)證超大噸位鋼絞線斜拉索體系安裝工藝的可行性，特研制了一套試驗(yàn)用139孔錨具及其組件用于安裝試驗(yàn)。安裝流程如圖4所示。

在試驗(yàn)塔上，按照安裝流程進(jìn)行了安裝試驗(yàn)，如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明錨具組件安裝順利，安裝效率較高[5]。

2.4 單根換索試驗(yàn)

鋼絞線斜拉橋運(yùn)營(yíng)或施工過程中，由于種種原因可能需要換索，如鋼絞線外包PE層遭到嚴(yán)重?fù)p傷、超張拉、保護(hù)不當(dāng)從而造成鋼絞線銹蝕、疲勞等[6]。為驗(yàn)證鋼絞線斜拉索單根換索工藝的可行性，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)使用千斤頂和專門研制的工裝進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。單根換索工藝流程如圖6所示。

圖4 安裝試驗(yàn)流程

圖5 安裝試驗(yàn)

圖6 單根換索工藝流程

單根換索試驗(yàn)結(jié)果證明，開發(fā)的錨具體系具備單根換索的功能。試驗(yàn)全過程為單根操作，技術(shù)可逆、可控，更換鋼絞線時(shí)，選取了斜拉索錨具最中間和邊緣孔位鋼絞線進(jìn)行抽換。換索過程中，不影響其他鋼絞線的正常使用，從而驗(yàn)證了研制的錨具體系滿足對(duì)任意單根鋼絞線更換的要求，為降低后期橋梁維護(hù)費(fèi)用，提高橋梁的安全可靠性提供了充分保障。

2.5 整體張拉試驗(yàn)

對(duì)于鋼絞線斜拉索整體張拉，以往主要采取2種方式：一是單根鋼絞線單獨(dú)張拉調(diào)索；二是采用穿心式千斤頂整體張拉調(diào)索。但這2種調(diào)索方式對(duì)超大噸位鋼絞線斜拉索均不適用。超大噸位鋼絞線斜拉索是采取單根鋼絞線單獨(dú)張拉，只能對(duì)索力增大進(jìn)行調(diào)整，而索力增大調(diào)整存在單次調(diào)索量較小，鋼絞線重復(fù)咬合，中間部位鋼絞線夾片無法更換等問題[7]，如果對(duì)索力減小進(jìn)行調(diào)整，則會(huì)因夾片夾齒部位進(jìn)入錨固區(qū)域而影響橋梁結(jié)構(gòu)安全；如果采用穿心式千斤頂進(jìn)行整體張拉調(diào)索，則會(huì)因斜拉索噸位超大，斜拉索角度較小等原因無法滿足超大噸位穿心式千斤頂工裝和施工要求。為此，根據(jù)超大噸位鋼絞線斜拉索的特殊性，錨具體系需達(dá)到整體張拉要求，對(duì)整體張拉方法進(jìn)行了研究，開發(fā)了符合設(shè)計(jì)要求的整體張拉設(shè)備。將該設(shè)備用于兩江大橋鋼絞線斜拉索的整體張拉，效果很好。

2.6 力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證[8]

本文提出的錨具組件經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)、安裝試驗(yàn)、單根換索試驗(yàn)和整體張拉試驗(yàn)，139孔錨具工藝結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范要求。此外，還進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證[8]。試驗(yàn)時(shí)，先用實(shí)際使用的錨具制作了2根試驗(yàn)索，然后按照J(rèn)T/T 771—2009《無粘結(jié)鋼絞線斜拉索技術(shù)條件》的要求進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)。

試驗(yàn)完成后，對(duì)2根試驗(yàn)索進(jìn)行了檢查。檢查結(jié)果表明，錨具螺母旋合正常，試件外觀無明顯損傷，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

重慶兩江大橋鋼絞線斜拉索錨具研究過程中，對(duì)139孔錨具進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了多次制造安裝工藝及設(shè)備和力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的錨具完全滿足需要。該錨具是目前國(guó)內(nèi)最大規(guī)格的139孔鋼絞線斜拉索錨具，其在重慶兩江大橋得到成功應(yīng)用，獲得了優(yōu)異效果，其為我國(guó)超大噸位鋼絞線斜拉索的研究和工程應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大跨徑斜拉橋的發(fā)展有極大的促進(jìn)作用。

[1]林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]陳明憲.斜拉橋建造技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2003.

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[8]嚴(yán)國(guó)敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1996.

Study on Anchorage Cable of Extra Large Tonnage Steel Strand

ZHAO Yicai

Because of its installation advantages,the super-large-capacity strand cable is applied more and more in long-span bridges. Integrated with engineering practice of Chongqing Liangjiang Bridge steel strand cable,the paper introduces the key points of design and research of anchorage cable of extra-large tonnage steel strand,which provide reference for design and engineering application of anchorage for large-size steel strand cable.

extra-large tonnage steel strand stay cable; anchorage; parameters; installation; test

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.012

重慶市應(yīng)用開發(fā)(重大)項(xiàng)目(csct2013yykfC30001)

2016-05-06

趙軼才(1962-)，男，陜西省咸陽市人，本科，副研究員。

1009-6477(2016)06-0052-03

U448.27

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