橋梁鋼絞線拉索發(fā)展應(yīng)用技術(shù)研究

單繼安，姜平，許奇峰，楊曉海，王飛

（江陰法爾勝住電新材料有限公司，江蘇 江陰 214445）

鋼絞線作為一種預(yù)應(yīng)力筋，廣泛應(yīng)用于各種預(yù)應(yīng)力工程。就橋梁拉索應(yīng)用而言，可用于斜拉橋拉索、體外預(yù)應(yīng)力束、吊桿及系桿等。

在歐美國(guó)家，鋼絞線作為拉索材料使用，已有半個(gè)多世紀(jì)的應(yīng)用歷史，其技術(shù)得到了很大發(fā)展，并應(yīng)用在一些著名的大跨度橋梁上，如法國(guó)諾曼底大橋、美國(guó)休斯頓航道橋、西班牙盧納橋等。因鋼絞線拉索體系具有鋼絞線單根掛索及張拉、防護(hù)層數(shù)多、施工機(jī)具小型化等優(yōu)點(diǎn)，所以在人力昂貴的歐美國(guó)家，橋梁拉索大多采用鋼絞線拉索體系，是橋梁拉索發(fā)展應(yīng)用的主流，而較少采用鋼絲拉索體系。

在我國(guó)，大跨度斜拉橋的發(fā)展始于二十世紀(jì)八九十年代上海黃浦江三座斜拉橋的建設(shè)，隨之伴隨著我國(guó)橋梁快速發(fā)展，采用拉索體系大跨度橋梁獲得了蓬勃發(fā)展。我國(guó)橋梁拉索以平行鋼絲索為主流，但近10年來(lái)，隨著對(duì)鋼絞線拉索體系優(yōu)點(diǎn)的熟知，采用鋼絞線作為橋梁拉索的大跨度橋梁也越來(lái)越多，如武漢二七大橋、宜賓南溪長(zhǎng)江大橋和蕪湖長(zhǎng)江二橋等。

隨著橋梁鋼絞線拉索不斷應(yīng)用，鋼絞線材料性能、錨固技術(shù)及性能、拉索結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步，也越來(lái)越成熟，現(xiàn)結(jié)合橋梁鋼絞線拉索在工程實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)橋梁鋼絞線拉索在今后的技術(shù)發(fā)展應(yīng)用及需研究問(wèn)題進(jìn)行探討，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。

1 超高強(qiáng)度鋼絞線發(fā)展應(yīng)用及錨固問(wèn)題

在以往橋梁拉索工程應(yīng)用中，鋼絞線強(qiáng)度級(jí)別一般為1860MPa。隨著鋼鐵冶金材料和加工工藝技術(shù)的發(fā)展，橋梁拉索用的鋼絲材料的強(qiáng)度等級(jí)也逐漸提高。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224）[1]，適用于預(yù)應(yīng)力拉索的1×7系列鋼絞線最高強(qiáng)度級(jí)別為1960MPa。目前，在國(guó)內(nèi)已有少量工程開(kāi)始采用該強(qiáng)度級(jí)別的鋼絞線，如合江長(zhǎng)江公路大橋系桿和吊桿。日本住友電工已經(jīng)生產(chǎn)出強(qiáng)度級(jí)別高達(dá)2300MPa超高強(qiáng)度（Ultra-high Strength）填充型環(huán)氧涂層鋼絞線[2]，并已應(yīng)用于東京Akihabara Pedestrian橋和U-ratakao橋。

可以預(yù)見(jiàn)，隨著技術(shù)進(jìn)步，不久的將來(lái)，我國(guó)也將研制出超高強(qiáng)度鋼絞線，但要將超高強(qiáng)度鋼絞線應(yīng)用于橋梁拉索中，尚需解決錨固的匹配性和可靠性問(wèn)題。隨著鋼絞線強(qiáng)度的增加，其硬度也應(yīng)會(huì)提高，根據(jù)有關(guān)研究，夾片的硬度應(yīng)比夾持的鋼絞線硬度高出8～10（以HRC計(jì)）[3]，所以超高強(qiáng)度鋼絞線的錨固夾片材料和硬度應(yīng)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。鋼絞線強(qiáng)度的提高，對(duì)錨固性能的要求更高，風(fēng)險(xiǎn)也更大，超高強(qiáng)度鋼絞線的錨固產(chǎn)品務(wù)必要經(jīng)過(guò)充分的試驗(yàn)才能予以使用，比如拉索的疲勞試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)等。建議在采用高強(qiáng)度鋼絞線作為拉索產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)明確規(guī)定高強(qiáng)度鋼絞線的性能指標(biāo)、以及錨固性能的可靠性試驗(yàn)報(bào)告要求，以確保工程使用安全。

2 鋼絞線拉索單根換索施工技術(shù)問(wèn)題

在歐美PTI、FIB等先進(jìn)橋梁拉索規(guī)范中，明確要求鋼絞線拉索中的鋼絞線可以逐根張拉、逐根更換。在我國(guó)鋼絞線拉索應(yīng)用的早期，鋼絞線拉索的錨固方案仍采用夾片+灌漿有粘結(jié)錨固系統(tǒng)，如汕頭礐石大橋、漳州戰(zhàn)備大橋和遷安黃臺(tái)湖大橋等，由于在錨具內(nèi)部進(jìn)行了灌漿，日后進(jìn)行換索施工時(shí)，拉索僅能整根更換，不能進(jìn)行單根鋼絞線的更換，這與國(guó)外先進(jìn)的拉索錨固技術(shù)存在一定差距。但隨著國(guó)內(nèi)試驗(yàn)條件完善、加工工藝進(jìn)步，鋼絞線拉索的錨固技術(shù)水平逐步提高，近年來(lái)，越來(lái)越多橋梁的鋼絞線拉索采用了無(wú)粘結(jié)的錨固方案，拉索鋼絞線可以實(shí)現(xiàn)單根更換的功能，如蕪湖長(zhǎng)江二橋、遵貴高速烏江特大橋等。

但要真正實(shí)現(xiàn)鋼絞線拉索單根鋼絞線的更換施工，除了拉索體系結(jié)構(gòu)及無(wú)粘結(jié)錨固技術(shù)保證外，尚需在施工操作技術(shù)上予以確保，結(jié)合鋼絞線拉索施工實(shí)際，應(yīng)關(guān)注以下問(wèn)題。

2.1 確保施工后鋼絞線留長(zhǎng)充足

鋼絞線拉索換索施工是原先安裝施工的逆過(guò)程。更換的首要步驟必定是先要卸除鋼絞線的當(dāng)前索力，鋼絞線卸除索力方法見(jiàn)圖1，卸除索力就需要解除當(dāng)前索力下鋼絞線彈性伸長(zhǎng)量△L。從圖1可知，原先拉索施工時(shí)，務(wù)必要確保錨具后面具有足夠的留長(zhǎng)L1，考慮到鋼絞線更換時(shí)工裝連接，L1應(yīng)大于△L一定的長(zhǎng)度。這是一項(xiàng)很重要的關(guān)乎到日后鋼絞線能否方便更換的技術(shù)措施。

但往往在實(shí)際施工時(shí)，操作人員會(huì)貪圖操作方便，鋼絞線留長(zhǎng)不按要求切割，將鋼絞線留長(zhǎng)切割成“階梯形”，見(jiàn)圖2。如此將導(dǎo)致上層鋼絞線的留長(zhǎng)Li小于正常預(yù)留長(zhǎng)度L1，甚至短于鋼絞線張拉力下的彈性伸長(zhǎng)量△L，將導(dǎo)致日后鋼絞線更換的困難。正確的鋼絞線留長(zhǎng)切割方式應(yīng)見(jiàn)圖3，鋼絞線應(yīng)切割齊整，確保每根的鋼絞線留長(zhǎng)充足。

圖1 鋼絞線單根更換工作示意

圖2 鋼絞線留長(zhǎng)的不當(dāng)切割方式示意

2.2 鋼絞線拉索單根更換技術(shù)的探討

圖3 鋼絞線留長(zhǎng)的正確切割方式

關(guān)于鋼絞線拉索體系，經(jīng)常會(huì)提到鋼絞線可單根更換的特點(diǎn)。確實(shí)，從鋼絞線拉索的錨固原理和結(jié)構(gòu)上看，每一根鋼絞線均是獨(dú)立錨固的，且整束拉索的各鋼絞線是互相平行的，具備單根更換操作的條件。這樣往往會(huì)有一個(gè)理解的誤區(qū)：就是換索必然是更換好一根鋼絞線后，再去更換下一根鋼絞線。

但在實(shí)際換索時(shí)，舊鋼絞線拆除后，需將錨板的錨孔進(jìn)行清理干凈，這就需要一定的人工操作空間，所以較合適的做法是先拆除不少于3列（排）的鋼絞線，然后安裝最左邊一列的新鋼絞線，繼而再卸除右邊的一列舊鋼絞線始終有操作空間進(jìn)行錨孔清理，直至整束的鋼絞線更換完成，見(jiàn)圖4。

圖4 鋼絞線更換過(guò)程示意

根據(jù)上述鋼絞線拉索實(shí)際換索操作需要，建議橋梁設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮允許一整束鋼絞線拉索的鋼絞線卸除1/3～1/5左右（視拉索規(guī)格大小而定）鋼絞線時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)受力仍是安全的。

3 鋼絞線拉索錨具防腐性能

如前所述，橋梁鋼絞線拉索具有鋼絞線可以單根張拉、單根更換的優(yōu)點(diǎn)，而且也是鋼絞線拉索技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。鋼絞線拉索在實(shí)施換索時(shí)，僅是更換拉索鋼絞線和夾片，而錨具是不予更換的。所以為滿足橋梁工程百年設(shè)計(jì)使用壽命要求，相對(duì)既換索又換錨具的平行鋼絲索錨具而言，鋼絞線拉索的錨具防腐性能要求應(yīng)該更高、更嚴(yán)格。

但相比歐美國(guó)家，無(wú)論從規(guī)范建設(shè)，還是從設(shè)計(jì)施工管控，我國(guó)對(duì)橋梁鋼絞線拉索錨具防腐性能的重視還存在欠缺，加上工程招投標(biāo)往往是低價(jià)中標(biāo)，很多橋梁項(xiàng)目鋼絞線拉索錨具表面處理僅為電鍍鋅處理，鍍鋅厚度僅為15μm左右，且施工結(jié)束后缺乏永久性防護(hù)處理，其防腐能力遠(yuǎn)不能滿足橋梁設(shè)計(jì)使用壽命要求，存在一定的隱患。

因此，根據(jù)橋梁鋼絞線拉索在生命周期內(nèi)換索不換錨具的特點(diǎn)，應(yīng)制定合理的錨具防腐措施方案。探討如下：

①錨具內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)應(yīng)合理，能防止水汽滲入錨具內(nèi)部，其密封構(gòu)造應(yīng)能通過(guò)動(dòng)態(tài)水密封試驗(yàn)；

②錨具外表面防護(hù)應(yīng)采用比普通電鍍鋅處理更好的鍍層方案，如粉末滲鋅、熱噴鋅（噴鋅鋁）處理，鍍層厚度不小于85μm；

③施工結(jié)束后，應(yīng)對(duì)錨具等外露構(gòu)件進(jìn)行封閉涂裝處理；

④定期管養(yǎng)，橋梁拉索健康運(yùn)行離不開(kāi)定期管理和養(yǎng)護(hù)，把養(yǎng)護(hù)管理制度落實(shí)到實(shí)處，早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題早處理，確保拉索正常使用環(huán)境；

⑤建議在設(shè)計(jì)階段就把上述要求納入到設(shè)計(jì)圖文件中，使工程項(xiàng)目在招投標(biāo)時(shí)就有明確依據(jù)，避免低價(jià)中標(biāo)后以施工圖無(wú)明確要求為由，以次充好；

⑥建議加強(qiáng)相關(guān)規(guī)范建設(shè)，重視橋梁拉索使用的耐久性，促進(jìn)我國(guó)橋梁拉索產(chǎn)品的技術(shù)質(zhì)量水平。

4 鋼絞線拉索換索后錨具二次錨固性能

橋梁鋼絞線拉索在生命周期內(nèi)是換索不換錨具，那么拉索的鋼絞線、錨固夾片更換后，其錨固性能是否能維持滿足原有的靜載、疲勞錨固性能成為問(wèn)題。由于橋梁鋼絞線拉索的無(wú)粘結(jié)錨固技術(shù)在我國(guó)實(shí)橋應(yīng)用時(shí)間還不長(zhǎng)，還沒(méi)到換索年限，所以目前行業(yè)內(nèi)尚無(wú)換索后進(jìn)行錨具二次錨固性能驗(yàn)證的公開(kāi)資料?？梢灶A(yù)見(jiàn)，換索后錨具二次錨固性能的驗(yàn)證是即將要面臨和研究的新課題。

驗(yàn)證鋼絞線拉索換索后錨具的二次錨固性能最理想的方式是采用實(shí)橋換下的錨具進(jìn)行驗(yàn)證，最具有真實(shí)性。在不可得的情況下，認(rèn)為可按如下方式進(jìn)行研究驗(yàn)證：

①查詢資料，獲取橋梁拉索的設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)，如實(shí)橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算索力和應(yīng)力幅，若有實(shí)橋索力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)更佳；

②制作與實(shí)橋拉索同類(lèi)的錨具，規(guī)格可取相同，也可取具有代表性的規(guī)格，一般不小于19孔；

③進(jìn)行整束疲勞試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)應(yīng)力上限和應(yīng)力幅參照實(shí)橋拉索最大索力和應(yīng)力幅，試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)200萬(wàn)次，試驗(yàn)結(jié)束后，拆除試驗(yàn)鋼絞線和夾片，并保留試驗(yàn)索兩端的錨具；

④將保留的試驗(yàn)錨具的錨孔進(jìn)行清理，并安裝新的試驗(yàn)鋼絞線，并用新夾片錨固；

⑤再次進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，考慮到拉索錨具使用安全裕度，本次疲勞試驗(yàn)應(yīng)力上限和應(yīng)力幅取相關(guān)規(guī)范的規(guī)定值，若拉索類(lèi)別是斜拉橋拉索，則應(yīng)力上限為0.45fptk，應(yīng)力幅為200MPa，試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為200萬(wàn)次；

⑥疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)進(jìn)行靜載試驗(yàn)，靜載試驗(yàn)破斷力不應(yīng)小于試驗(yàn)索的公稱破斷拉力95%。

經(jīng)過(guò)上述二次疲勞錨固性能驗(yàn)證通過(guò)的錨具產(chǎn)品，才能真正滿足鋼絞線拉索單根可換體系的換索不換錨具的使用要求。

5 鋼絞線拉索防火技術(shù)問(wèn)題及措施

橋梁拉索在雷擊、車(chē)輛事故等原因下，拉索會(huì)受到火災(zāi)導(dǎo)致的危害，從而影響橋梁運(yùn)營(yíng)安全。我國(guó)拉索防火技術(shù)措施在實(shí)橋上應(yīng)用仍還未得到普及，相關(guān)規(guī)范還未對(duì)拉索防火要求作出規(guī)定，對(duì)拉索防火技術(shù)也缺少研究和試驗(yàn)，尚無(wú)公認(rèn)成熟的技術(shù)方案。

圖5 鄂黃長(zhǎng)江大橋火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)

圖6 斜拉索防火段設(shè)置示意

2018年3月，鄂黃長(zhǎng)江大橋拉索受一貨車(chē)貨物自燃的影響，導(dǎo)致大橋北塔（5#塔）下游側(cè)J19～J25共計(jì)7根拉索不同程度燒傷，其中J21和J22索出現(xiàn)鋼絲外露。經(jīng)評(píng)審，對(duì)J21和J22拉索進(jìn)行更換。圖5為鄂黃橋貨車(chē)自燃事故現(xiàn)場(chǎng)，火災(zāi)造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失，再次提醒應(yīng)該將橋梁拉索的防火建設(shè)提上日程。

美國(guó)PTI的2012版《斜拉索設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和安裝的建議》[4]規(guī)定了對(duì)斜拉索防火性能要求：在溫度1100℃的外部火源下，拉索受力筋材料（鋼絲或鋼絞線）溫升達(dá)到300℃時(shí)，其耐火時(shí)間不得少于30min，同時(shí)PTI建議指出，30min僅為最低要求，具體耐火時(shí)間可根據(jù)橋梁實(shí)際情況制定。

根據(jù)PTI建議要求，提出拉索防火技術(shù)措施方案。考慮大多數(shù)火源來(lái)自于橋面，比如車(chē)輛事故、人為因素等，若拉索全長(zhǎng)均采取防火措施，則顯得昂貴而不經(jīng)濟(jì)，可以在離橋面高H=3-10m范圍采取防火措施，見(jiàn)圖6。防火措施分兩段設(shè)置，預(yù)埋管及拉索防水罩的外露鋼質(zhì)材料部分可采用鋼結(jié)構(gòu)防火涂料進(jìn)行涂覆；索體段防火措施可采用優(yōu)質(zhì)耐火卷材纏包在索體外周，耐火卷材根據(jù)耐火時(shí)間要求包裹一層或多層，再在外安裝鋼質(zhì)防護(hù)管，索體防火段截面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)橋梁建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，橋梁拉索將會(huì)向高強(qiáng)度、高耐久性的方向發(fā)展，并逐漸重視和要求拉索具有易于運(yùn)營(yíng)的管養(yǎng)功能，要求拉索易于更換、具有防火功能、具有智慧監(jiān)測(cè)功能等等。

鋼絞線拉索體系作為橋梁拉索家族中的一員，也要順應(yīng)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，進(jìn)行深入研究，以期在鋼絞線材料、錨固技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)及管理、換索施工技術(shù)和防火防腐等方面取得新的突破和發(fā)展。