2000MPa平行鋼絲拉索冷鑄錨固安全性能研究

石藝歌，王士杰

（中鐵大橋（鄭州）纜索有限公司 鄭州市 450044）

隨著技術的發(fā)展，斜拉索用鋼絲抗拉強度級別越來越高，從最初1570MPa、1670MPa直至目前的2000MPa，例如蕪湖長江公鐵大橋（主跨588m）和滬通長江大橋（主跨1092m）均采用抗拉強度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，從高強鋼絲、冷鑄錨具、冷鑄填料三個關鍵受力構件進行質(zhì)量控制，然后進行試驗索的彎曲疲勞試驗、靜載破斷試驗等檢測。

1 冷鑄錨結構

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，高強鋼絲穿入分絲板后進行鐓頭，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構（見圖1）。

2 高強鋼絲

2000MPa高強鋼絲由國內(nèi)專業(yè)廠家生產(chǎn)，主要技術指標見表1。鋼絲使用前按照鋼絲生產(chǎn)廠家檢驗項目取樣數(shù)量的5%進行抽樣檢測，檢測項目包括抗拉強度、屈服強度、伸長率、彈性模量、反復彎曲、纏繞性能、扭轉性能等，經(jīng)檢驗合格后方可投入使用。

3 冷鑄錨具

依據(jù)《公路斜拉橋設計細則》（JTG／T D65-01-2007）標準要求，運營狀態(tài)斜拉索安全系數(shù)不應小于2.5，施工狀態(tài)斜拉索安全系數(shù)不應小于2.0，斜拉索錨具的安全系數(shù)不應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，應符合《合金結構鋼》（GB／T 3077-2015）的規(guī)定。

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

表1 2000MPa高強鋼絲技術指標

3.2 冷鑄錨具設計

錨具的結構尺寸由以下幾個因素確定：錨杯小端孔徑應滿足索體穿過及填料灌注工藝間隙的要求；大端孔徑應滿足鋼絲發(fā)散空間、鋼絲穿入分絲板后的鐓頭間隙；錨杯內(nèi)鋼絲的有效錨固長度（lsc）應滿足冷鑄錨固填料與鋼絲的粘結強度的要求，應大于鋼絲在冷鑄填料中的拔出試驗的最小握裹長度；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)向應力要求（見圖2）。

錨杯強度驗算包括：內(nèi)外螺紋強度校核（彎曲、剪切、擠壓）、錨杯危險斷面驗算（錨窩退刀槽處）、錨杯環(huán)向應力；錨圈強度驗算包括：螺紋強度（彎曲、剪切、擠壓）、端面承壓。通過錨具強度驗算可以知道，錨杯是由鍛件屈服強度控制其結構尺寸，錨圈是錨墊板承壓控制其外形尺寸，因此考慮到錨具結構尺寸的緊湊性及經(jīng)濟性，錨杯采用42CrMo，錨圈采用35CrMo。

在2000MPa平行鋼絲拉索錨具設計時，分絲板灌注流道間隙增大，適當延長錨固段鋼絲的發(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，降低拉索接觸應力以及由此產(chǎn)生的二次彎曲應力，提高拉索的彎曲疲勞性能（見圖3）。另外，錨具結構的細節(jié)設計要合理，變截面部位出現(xiàn)尖角或圓角半徑不夠大，會造成應力集中；錨具表面光潔度不足，加工過程留下的劃痕、刀痕、磨削裂紋等也會造成應力集中，都可能導致錨具在交變應力作用下發(fā)生疲勞斷裂。因此在高強度斜拉索錨具結構設計中，更應注重細節(jié)部位的處理：變截面部位應采用圓角過渡，且圓角半徑不能太小，以降低應力集中；加工時應控制表面及圓角處的光潔度，提高表面質(zhì)量，以利于增強材料的疲勞強度。

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→進廠檢驗→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→成品入庫。

錨杯及錨圈的坯件為鍛鋼件，需進行調(diào)質(zhì)熱處理，過高的熱處理強度，會過大地增加材料的硬度和脆性，增加工件機加工難度，同時也會增加工件的內(nèi)應力，產(chǎn)生表面裂縫，結合廠家錨具制造經(jīng)驗，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）標準要求，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第1部分：試驗方法》（GB／T230.1-2009）標準規(guī)定進行硬度檢測。錨杯及錨圈均按照《鍛鋼件超聲檢測》（JB／T 8467-2014）規(guī)定的2級要求逐件進行超聲波探傷檢驗，成品表面均按照《鍛鋼件磁粉檢測》（JB／T 8468-2014）規(guī)定的2級要求逐件進行磁粉探傷。

冷鑄錨具有規(guī)格型號和產(chǎn)品流水號標志，同規(guī)格的部件具有互換性。每套錨具均有質(zhì)量保證書，標明各主要部件的材質(zhì)、化學成分、機械性能、探傷報告等，填寫各部件硬度、尺寸加工誤差、滲鋅層厚度等檢測結果。

3.4 冷鑄錨具防護

錨具防護目前主要有常用3種方式：電鍍鋅、熱浸鋅和粉末滲鋅。粉末滲鋅是一種化學熱處理工藝，能夠形成鋅鐵合金保護層，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)設置→滲鋅（升溫、恒溫、冷卻）→出爐→水洗→干燥→檢驗→鈍化→封閉。

錨具粉末滲鋅主要特點：涂層厚度均勻，梯形螺紋直接滿足旋合配合精度；滲鋅層為擴散冶金結合，鋅鐵合金與基體金屬結合強度高；滲鋅層硬度高，耐磨損性能好；涂層耐腐蝕性強，工藝過程環(huán)保，沒有氫脆現(xiàn)象。粉末滲鋅錨具經(jīng)1000h中性鹽霧試驗，試件表面未出現(xiàn)紅銹。錨具3種防護方式技術指標對比見表2。

表2 電鍍鋅、熱浸鋅和粉末滲鋅指標比較

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（細骨料）組成，是在常溫下灌注高溫下固化，形成圓臺狀冷鑄體，將鋼絲握裹楔進錨杯，形成整體結構傳遞索力。為了滿足2000MPa高強鋼絲的錨固強度，我們在原有冷鑄填料配方的基礎上，進行了多次配方試制，經(jīng)過常溫抗壓強度試驗、高溫抗壓強度試驗、熱老化試驗、鋼絲拔出試驗等，開發(fā)出性能更好的QS2160冷鑄填料。該配方主要特點是，冷鑄體為海島結構的環(huán)氧樹脂合金，固化物具有超高的斷裂韌性、抗裂紋擴展能力和熱穩(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。試件常溫抗壓強度從147MPa提高到160MPa以上，滿足了高強鋼絲的錨固要求。

5 斜拉索試驗

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

5.1 彎曲疲勞試驗

按照《大跨度斜拉橋平行鋼絲拉索》（JT／T 775-2016）標準要求對試驗索進行了彎曲疲勞性能試驗檢測。試驗索規(guī)格為PESC7-511，公稱破斷索力39311kN。疲勞試驗加載波形為正弦波，頻率0.6Hz，疲勞加載峰值為17699kN（0.45），應力幅為4916kN（250MPa）；200萬次疲勞加載過程中動恒載保持穩(wěn)定，未見異常；疲勞試驗完成后，對該試驗索進行了軸向拉伸試驗，試驗最大荷載為37407kN，加載過程中未見異常；試驗完成后檢查，未見鋼絲斷裂和護套破損等現(xiàn)象，且錨圈與錨杯能自由旋合。具體檢測數(shù)據(jù)和結果見表3。

表3 PESC7-511斜拉索彎曲疲勞性能試驗檢測結果

5.2 靜載試驗

按照《大跨度斜拉橋平行鋼絲拉索》（JT／T 775-2016）標準要求對試驗索進行了靜載性能試驗檢測。試驗索規(guī)格為PESC7-547，公稱破斷索力42102kN。試驗中，各級加載穩(wěn)定，未見異常；試驗荷載最大值為41712kN，持荷5min后卸載，未見異常；試驗完成后檢查，未見鋼絲斷裂和護套破損等現(xiàn)象，且錨圈與錨杯能自由旋合。具體檢測數(shù)據(jù)和結果見表4。

表4 PESC7-547斜拉索靜載性能試驗檢測結果

6 結語

斜拉索鋼絲抗拉強度級別提高后，需要與之匹配的冷鑄錨具和冷鑄填料，以滿足結構受力。采用42CrMo錨杯、35CrMo錨圈及QS2160冷鑄填料制造的2000MPa平行鋼絲拉索試驗索，經(jīng)彎曲疲勞試驗及靜載試驗檢驗，各項指標符合設計和標準規(guī)范要求，冷鑄錨固性能安全可靠，為2000MPa平行鋼絲拉索項目的實施奠定了基礎，也可作為類似項目的參考。