預(yù)應(yīng)力鋼絞線疲勞性能研究

雷 歡，鄒易清，覃巍巍，蘇 韓，韋耀淋

（柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州545005）

橋梁是關(guān)系社會(huì)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的生命線，在國(guó)家大力倡導(dǎo)的“一帶一路”的建設(shè)中，基礎(chǔ)設(shè)施的互聯(lián)互通是先導(dǎo)，而橋梁則是實(shí)現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)的重要樞紐。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通工程發(fā)展的加速，橋梁工程建設(shè)規(guī)模也不斷加大，隨之對(duì)橋梁用拉索的技術(shù)要求也越來(lái)越高。斜拉索疲勞設(shè)計(jì)一般不用活載滿值，而是?。?.5～0.6）倍的活載應(yīng)力幅值[1]，一般公路實(shí)測(cè)活載強(qiáng)度僅達(dá)到設(shè)計(jì)活載的13%，特殊情況下達(dá)到37%[2]。而隨著橋梁技術(shù)的發(fā)展，對(duì)拉索的疲勞性能需求不斷提升，其疲勞應(yīng)力幅從100多兆帕提升至200多兆帕，某些工程更是達(dá)到400 MPa以上。FAST工程通過(guò)最常用的耐疲勞應(yīng)力譜分解方法——雨流計(jì)數(shù)法[3-4]，分析得出索網(wǎng)工作狀態(tài)下實(shí)際疲勞應(yīng)力幅最高可以達(dá)到455 MPa[5]，考慮到FAST工程結(jié)構(gòu)、使用年限及工況的復(fù)雜性，要求索網(wǎng)主索滿足500 MPa疲勞應(yīng)力幅[6]。相關(guān)研究結(jié)果表明，母材對(duì)拉索疲勞性能有著重大的影響[5]，而單根鋼絲的疲勞極限到實(shí)橋索組裝件的疲勞設(shè)計(jì)應(yīng)力幅值，折減將近140 MPa[1].

以往針對(duì)拉索疲勞性能進(jìn)行了大量的理論分析與試驗(yàn)研究，使得拉索疲勞性能得到了不斷的改善，現(xiàn)階段橋梁用拉索疲勞應(yīng)力幅需求最高達(dá)到了400 MPa.但是系統(tǒng)性的針對(duì)鋼絞線疲勞性能進(jìn)行研究的資料較少，因此研究鋼絞線母材疲勞性能極限具有重要意義。本文針對(duì)鋼絞線疲勞應(yīng)力幅、錨固方式及鋼絞線表面狀態(tài)這三個(gè)疲勞性能影響因素進(jìn)行分析，得出改善鋼絞線疲勞性能的方法，為提升拉索疲勞性能的研究奠定了基礎(chǔ)。

1 不同表面狀態(tài)疲勞性能研究

現(xiàn)階段，鋼絞線的表面狀態(tài)主要有光面、鍍鋅、環(huán)氧三大類，其中鍍鋅與環(huán)氧的主要目的是為了提升鋼絞線的抗腐蝕能力。一束鋼絞線由7根鋼絲繞制而成，在實(shí)際使用過(guò)程中7根鋼絲之間存在相對(duì)移動(dòng)，導(dǎo)致鋼絲與鋼絲之間存在著摩擦作用，因此理論上鋼絞線表面狀態(tài)對(duì)疲勞性能是有影響的。本文針對(duì)這三種表面狀態(tài)的鋼絞線進(jìn)行疲勞性能研究，分別取六組進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。為突出對(duì)比性，試驗(yàn)應(yīng)力幅選用350 MPa與400 MPa兩種情況，鋼絞線選用1 860 MPa強(qiáng)度級(jí)別，錨固方式統(tǒng)一采用夾片錨固，應(yīng)力上限0.45Fptk，加載頻率8 Hz的要求進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)裝夾及過(guò)程如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖1 鋼絞線疲勞試驗(yàn)裝夾與過(guò)程

表1 不同表面狀態(tài)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表1所示的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在選用夾片錨固方式的前提下，當(dāng)疲勞應(yīng)力幅為350 MPa時(shí)，三種表面狀態(tài)鋼絞線疲勞性能相近，均能滿足試驗(yàn)要求。當(dāng)應(yīng)力幅達(dá)到400 MPa時(shí)，所有鋼絞線疲勞性能均不能滿足要求，但從加載循環(huán)次數(shù)來(lái)看，環(huán)氧鋼絞線疲勞性能要優(yōu)于其它兩種表面狀態(tài)的疲勞性能。原因分析，鋼絞線表面噴涂環(huán)氧涂層后，鋼絲與鋼絲之間的摩擦系數(shù)減小，從而降低了疲勞試驗(yàn)過(guò)程中鋼絲之間摩擦帶來(lái)的損失；鍍鋅鋼絞線表面由于鋅層的存在，也能夠增加鋼絲之間的潤(rùn)滑作用，使得其疲勞性能有一定提升，但是由于鍍鋅工序溫度較高，鍍鋅鋼絞線生產(chǎn)過(guò)程中，高溫會(huì)對(duì)鋼絞線母材性能產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致其疲勞性能的提升不明顯。本次試驗(yàn)證明了不同表面狀態(tài)鋼絞線疲勞性能的差異性，其疲勞性能的基本趨勢(shì)是：環(huán)氧涂層優(yōu)于鍍鋅涂層，鍍鋅涂層優(yōu)于光面。

2 不同錨固方式疲勞性能研究

目前，拉索的錨固方式主要有四大類，分別為冷鑄錨固、夾片錨固、擠壓錨固以及冷鑄擠壓復(fù)合錨固，其中冷鑄擠壓復(fù)合錨固技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于FAST工程，并取得了良好的效果，冷鑄擠壓復(fù)合錨固結(jié)構(gòu)如圖2所示。與拉索錨固技術(shù)對(duì)應(yīng)的鋼絞線錨固技術(shù)也可分為這四大類，本文針對(duì)這四種錨固方式給鋼絞線疲勞性能造成的不同影響進(jìn)行研究，找出最有利于鋼絞線疲勞性能的錨固方式。每種錨固方式各自選擇六組鋼絞線進(jìn)行試驗(yàn)，為突出對(duì)比性，試驗(yàn)應(yīng)力幅選用350 MPa與400 MPa兩種情況，鋼絞線統(tǒng)一采用1 860 MPa強(qiáng)度級(jí)別的環(huán)氧鋼絞線，應(yīng)力上限0.45 Fptk，加載頻率8 Hz的要求進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。由于在研究表面狀態(tài)時(shí)，已經(jīng)研究過(guò)夾片錨固條件下350 MPa與400 MPa條件下環(huán)氧鋼絞線疲勞性能，為避免資源浪費(fèi)，這里直接使用其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，圖3為擠壓錨固結(jié)構(gòu)方式，圖4為夾片錨固條件下鋼絞線的疲勞斷裂情況。

圖2 冷鑄擠壓復(fù)合錨固結(jié)構(gòu)示意圖

表2 不同錨固方式試驗(yàn)結(jié)果

圖3 擠壓錨固方式

圖4 夾片錨固方式下鋼絞線疲勞斷裂情況

由表2所示的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在選用環(huán)氧鋼絞線進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的前提條件下，應(yīng)力幅為350 MPa時(shí)，不同的錨固方式對(duì)鋼絞線疲勞性能的影響較小，當(dāng)疲勞應(yīng)力幅上升至400 MPa時(shí)，四種錨固方式均不能滿足要求，尤其是夾片錨固方式，其加載循環(huán)次數(shù)顯著低于其他錨固方式，且其斷裂位置基本處于夾持位置，說(shuō)明當(dāng)應(yīng)力幅提升至400 MPa時(shí)夾片錨固方式對(duì)其疲勞性能有較大的影響。原因分析，350 MPa疲勞應(yīng)力幅是鋼絞線疲勞性能的普通要求，本次試驗(yàn)再次證明了現(xiàn)有錨固方式的可靠性，但是當(dāng)疲勞應(yīng)力幅提升至400 MPa時(shí)，夾片錨固形式由于在夾持位置對(duì)鋼絞線存在一定程度的損傷，當(dāng)疲勞性能提升時(shí)，損傷位置給母材疲勞性能帶來(lái)的影響隨即凸顯出來(lái)，從其它錨固方式的斷裂位置與方式來(lái)看，普通鋼絞線受材質(zhì)本身的性能限制，不能滿足高應(yīng)力幅疲勞性能要求，但是由于冷鑄錨固、擠壓錨固、冷鑄擠壓復(fù)合錨固三種結(jié)構(gòu)本身對(duì)絞線沒(méi)有形成表面缺口，所以其高應(yīng)力幅條件下的疲勞性能要優(yōu)于夾片錨固形式。

3 不同應(yīng)力幅疲勞性能研究

疲勞性能好壞的衡量指標(biāo)有三個(gè)，分別是應(yīng)力上限、應(yīng)力幅、載荷循環(huán)次數(shù)。橋梁用拉索應(yīng)力上限一般為0.4Fptk或者0.45Fptk，載荷循環(huán)次數(shù)一般為200萬(wàn)次，從以往工程的需求來(lái)看，應(yīng)力上限與載荷循環(huán)次數(shù)變化不大，拉索疲勞應(yīng)力幅是衡量拉索疲勞性能最重要的指標(biāo)。隨著橋梁在結(jié)構(gòu)與跨度上的不斷突破，對(duì)拉索疲勞應(yīng)力幅的要求也越來(lái)越高。從前面的研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力幅為400 MPa時(shí)，疲勞試驗(yàn)均沒(méi)有通過(guò)，為驗(yàn)證鋼絞線疲勞應(yīng)力幅極限是否為 400 MPa，本次將針對(duì) 360 MPa，380 MPa，390 MPa三種疲勞應(yīng)力幅進(jìn)行試驗(yàn)。每種應(yīng)力幅選擇3組鋼絞線進(jìn)行試驗(yàn)。從不同錨固方式試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，冷鑄錨固、擠壓錨固、冷鑄擠壓錨固三種不同錨固方式對(duì)單根鋼絞線的疲勞性能影響基本沒(méi)有差異，考慮到試驗(yàn)資源有限，本次試驗(yàn)僅針對(duì)冷鑄擠壓復(fù)合錨固方式進(jìn)行試驗(yàn)，鋼絞線統(tǒng)一采用1 860 MPa強(qiáng)度級(jí)別的環(huán)氧鋼絞線，應(yīng)力上限0.45Fptk，加載頻率8 Hz的要求進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同應(yīng)力幅疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表3所示的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在采用冷鑄擠壓復(fù)合錨固方式的條件下，結(jié)合以往疲勞試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，可以判斷鋼絞線基本能夠滿足390 MPa疲勞應(yīng)力幅要求或者有潛力能夠滿足390 MPa疲勞性能的要求。

結(jié)合前面針對(duì)不同表面狀態(tài)、不同錨固方式進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，基本可以判斷，針對(duì)普通1 860 MPa強(qiáng)度級(jí)別的鋼絞線來(lái)說(shuō)，在0.45Fptk應(yīng)力上限條件下，鋼絞線疲勞應(yīng)力幅極限在400 MPa左右。根據(jù)前述的母材相對(duì)于拉索，其疲勞應(yīng)力幅應(yīng)高出140 MPa的原則，普通1 860 MPa強(qiáng)度級(jí)別鋼絞線拉索的疲勞應(yīng)力幅應(yīng)控制在260 MPa以內(nèi)，若需要提升鋼絞線拉索疲勞應(yīng)力幅，則需要對(duì)鋼絞線母材本身的性能進(jìn)行提升。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)上述試驗(yàn)表明，表面狀態(tài)、疲勞應(yīng)力幅、錨固方式均對(duì)鋼絞線疲勞性能有影響，具體結(jié)論如下：

1）鋼絞線表面狀態(tài)對(duì)其疲勞性能有明顯影響，具體的疲勞性能差異性表現(xiàn)為：環(huán)氧鋼絞線優(yōu)于鍍鋅鋼絞線，鍍鋅鋼絞線優(yōu)于光面鋼絞線；

2）夾片錨固方式在錨固段對(duì)鋼絞線表面造成的咬痕，當(dāng)疲勞應(yīng)力幅處于常規(guī)水平時(shí)（350 MPa），咬痕造成的影響基本可以忽略，但當(dāng)疲勞應(yīng)力幅提升至400 MPa時(shí)，咬痕將顯著影響鋼絞線疲勞性能；

3）冷鑄錨固、擠壓錨固、冷鑄擠壓復(fù)合錨固三種錨固方式對(duì)鋼絞線疲勞性能的影響差異基本一致；

4）普通1 860 MPa強(qiáng)度級(jí)別的鋼絞線在0.45 Fptk應(yīng)力上限的條件下，其極限疲勞應(yīng)力幅約400 MPa，根據(jù)拉索與母材疲勞應(yīng)力幅選用原則，鋼絞線拉索疲勞應(yīng)力幅應(yīng)控制在260 MPa以內(nèi)；

5）若需要開(kāi)發(fā)更高疲勞應(yīng)力幅的拉索，需要對(duì)拉索母材本身的力學(xué)性能進(jìn)行改善與優(yōu)化，選用性能更加優(yōu)良的原材料或者提升鋼絞線生產(chǎn)工藝水平。