大跨徑懸索橋2 000 MPa主纜索股性能試驗研究

李明鵬

(重慶萬橋交通科技發(fā)展有限公司，重慶 401336)

懸索橋是以纜索為主要承重結(jié)構(gòu)的橋梁，由主纜、索塔、錨碇、吊索、加勁梁等構(gòu)件組成，具有受力性能好、跨越能力大、抗震能力強、輕巧美觀、結(jié)構(gòu)形式多樣及對地形適應(yīng)能力強[1-2]等特點，在現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，已成為特大跨度橋梁的首選橋型。

近年來,隨著鋼材冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼絲抗拉強度從早期的1 570 MPa發(fā)展到超過2 000 MPa。對大跨徑斜拉橋，采用更高強度的斜拉索既可減小其直徑，又可降低結(jié)構(gòu)橫風位移，這不僅能夠滿足超大跨度鐵路或公鐵兩用斜拉橋重載的需求，還能節(jié)約拉索鋼絲用量，降低斜拉索造價[3-4]。目前已建成的商合杭蕪湖長江大橋及主跨1 092 m的滬通長江大橋均采用了2 000 MPa平行鋼絲斜拉索[5-6]，未來將有更多的跨江大橋采用2 000 MPa平行鋼絲拉索。

隨著懸索橋跨徑及荷載的不斷上升，更高強度的主纜索股的研制與應(yīng)用勢在必行。目前已通車的南沙大橋坭洲水道橋(主跨1 688 m)、楊泗港長江大橋(主跨1 700 m)為國內(nèi)率先采用1 960 MPa鋼絲主纜的懸索橋。在建的連鎮(zhèn)鐵路五峰山長江大橋為國內(nèi)荷載最重的公鐵兩用懸索橋，采用1 860 MPa鍍鋅高強鋼絲主纜，主纜擠圓后直徑達1.3 m，為國內(nèi)主纜直徑最大的懸索橋[7]。目前2 000 MPa級鋼絲生產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟，若要進一步提高懸索橋的跨越和承載能力，則需減輕索股的自重[8]，為此，本文對2 000 MPa主纜索股的靜載、動載、抗滑移、抗腐蝕等性能進行研究。

1 2 000 MPa主纜索股靜動載試驗

1.1 靜載試驗

1) 試驗?zāi)康模簷z驗所使用的材料、工藝制作的成品主纜索股的靜載性能是否達到規(guī)定要求。

2) 試驗依據(jù)：GB/T 36483—2018《懸索橋用主纜平行鋼絲索股》。

3) 試驗內(nèi)容：試驗索分2種規(guī)格，每3根為1組。試件錨具兩端面之間的距離為4.3 m，試驗中測定索股的靜載破斷荷載、抗拉彈性模量、靜載破斷延伸率、鑄體回縮值和鑄體材料密實度，觀察試件的破壞形式及記錄斷絲情況[9]。靜載試驗如圖1所示。

圖1 2 000 MPa主纜索股靜載試驗

4) 試驗過程：試驗中用經(jīng)緯儀觀測試驗索張拉端索長的變化量，用游標卡尺測量張拉端錨具鑄體材料內(nèi)縮值，用百分表觀測固定端錨具鑄體材料回縮值。(1) 當試驗加載至0.6Pb后，卸載至0.1Pb, 觀察錨具是否異常并測量錨杯回縮值，判斷錨具的強度儲備是否足夠；(2) 當加載至0.95Pb時，測量索股伸長量及錨具的內(nèi)縮值，計算索股極限伸長率，并觀察索股內(nèi)鋼絲的斷絲情況；(3) 靜載試驗后剖面檢查索股錨頭及錨杯內(nèi)鋅銅合金的澆鑄密實度。2 000 MPa主纜索股靜載試驗結(jié)果如表1所示。

表1 2 000 MPa主纜索股靜載試驗結(jié)果

從表1可知，在達到索股破斷荷載時，索股極限延伸率、鋼絲斷絲率及效率系數(shù)均滿足規(guī)范要求，索股錨具結(jié)構(gòu)及強度合理。

1.2 動載試驗

目的是檢驗2 000 MPa主纜索股的疲勞性能[10]，通過觀察和記錄斷絲情況及鑄體材料密實度，驗證主纜索股制作工藝的科學性、適用性。動載試驗索與靜載試驗索設(shè)備相同，動載試驗如圖2所示。

圖2 2 000 MPa主纜索股動載試驗

試驗按照載荷上限2 414 kN、下限1 810 kN的要求進行200萬次疲勞試驗，在疲勞試驗過程中保證荷載峰值不小于2 414 kN，荷載谷值不大于1 810 kN，疲勞試驗加載波形為正弦波形，加載頻率為 1.6 Hz。動載試驗結(jié)果如表2所示。

表2 2 000 MPa主纜索股動載試驗結(jié)果

由表2主纜索股動載試驗結(jié)果表明，2 000 MPa主纜索股在經(jīng)過200萬次疲勞試驗后，索股斷絲為0，疲勞后的拉伸試驗效率系數(shù)超過95%，動載試驗指標滿足規(guī)范要求。

2 抗滑移試驗

懸索橋的主纜通過吊桿與橋面連接，吊桿與主纜通過索夾連接。索夾抗滑力不足會導(dǎo)致索夾在主纜上滑移，滑移后將改變吊索狀態(tài),使豎直索變成斜吊索。索一旦發(fā)生滑移將改變主梁的受力狀態(tài)及吊索的內(nèi)力，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，而且索夾在主纜上的滑移會刻傷主纜纏絲，損壞防銹層,進而使纏絲破壞，導(dǎo)致主纜損傷[11-12]。索夾和鋼絲之間的摩擦力由螺栓緊固力和抗滑摩阻系數(shù)決定，螺栓緊固力與主纜強度無關(guān)，因此抗滑摩阻系數(shù)的大小很關(guān)鍵。為了保證索夾在主纜上不出現(xiàn)滑移，需測定2 000 MPa鍍鋅鋁鋼絲的抗滑摩阻系數(shù)。

試驗采用Φ5.5-127預(yù)制平行鋼絲索股，長度為9 m，截面按主纜實際截面制作?？够圃囼炇疽馊鐖D3所示。試驗索一端安裝索夾，索夾為C 型索夾( 8孔)，長度600 mm，共配8個高強雙頭螺栓；另一端為主纜錨具，錨具端安裝穿心式千斤頂和測力傳感器，用千斤頂產(chǎn)生的頂推力模擬索夾在主纜上的下滑力，其值由傳感器讀取。當頂推力逐漸增大至試驗索夾開始滑移，此時所測的推力值為索夾與主纜之間的最大抗滑力，索夾的抗滑摩阻系數(shù)公式可由下式計算：

(1)

式中：μ為抗滑摩阻系數(shù)；F為索夾開始滑動時千斤頂頂推力，kN；Q為索夾滑動時螺栓的預(yù)緊力，kN；m為緊固壓力的不均勻系數(shù)，取2.8。3組重復(fù)試驗測得的主纜抗滑移試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

經(jīng)公式(1)計算，3組抗滑移試驗所測的索夾抗滑移系數(shù)均大于0.3，大于規(guī)范取值0.15，滿足規(guī)范要求。

圖3 2 000 MPa主纜索股抗滑移試驗示意

表3 主纜索股抗滑移試驗結(jié)果

3 抗腐蝕試驗

近年來，隨著防腐技術(shù)的不斷提升，懸索橋主纜鋼絲表面鍍層大多采用鋅鋁合金。鋅鋁鍍層的抗腐蝕能力比傳統(tǒng)的熱鍍鋅鋼絲強，鹽霧試驗表明，鋅鋁合金鍍層在同等厚度情況下，抗腐蝕壽命是熱鍍鋅層的2倍以上。2 000 MPa主纜索股鋼絲的抗拉強度及鍍層均有改變，因此可通過自然狀態(tài)及加速狀態(tài)下的鹽霧試驗，研究2 000 MPa主纜索股的抗腐蝕性能。

3.1 自然腐蝕試驗

自然腐蝕試驗是將鋼絲及索股暴露于自然環(huán)境中，通過定期觀察鋼絲及索股的銹蝕狀況以評價其抗腐蝕性能。將長度為2 m、抗拉強度為2 000 MPa的鍍鋅鋁鋼絲索股3根，在試驗園區(qū)內(nèi)進行自然腐蝕試驗，鋼絲索股試件如圖4所示。

自然腐蝕試驗歷時1年，鍍鋅鋁鋼絲及鋼絲索股外觀無明顯變化，歷時3年，鋼絲表面泛白，未見明顯腐蝕。

圖4 2 000 MPa主纜索股自然腐蝕試驗

3.2 人工加速腐蝕試驗

由于主纜在自然環(huán)境中受到多種復(fù)雜因素的綜合作用，因而要更真實地再現(xiàn)材料在自然大氣中的腐蝕，通過實驗室加速腐蝕試驗預(yù)測材料大氣腐蝕行為及腐蝕規(guī)律，必須盡可能地將大氣中的環(huán)境因素綜合起來考慮，為此本試驗采取最接近自然環(huán)境腐蝕的多因子循環(huán)復(fù)合腐蝕試驗方法。

主纜鋼絲受大氣中氧氣、硫化物、氮氧化物、氯化物、酸雨pH值等成分和溫度、紫外線等因素影響，會在大氣環(huán)境中發(fā)生腐蝕[13-15]。實驗室加速腐蝕試驗是模擬主纜索股所處自然界環(huán)境，以人工配制鹽溶液來模擬酸雨、酸霧等大氣腐蝕成分，其中包括了硫化物、氮氧化物、氯化物等腐蝕化學成分，還模擬了溫度變化、紫外線等環(huán)境因素對主纜索股的影響。

盡管鋼絲在出廠時已經(jīng)進行了加速腐蝕試驗，但為了進一步驗證2 000 MPa的鍍鋅鋁鋼絲的抗腐蝕性能，在實驗室內(nèi)進行了人工加速腐蝕試驗。該試驗參照GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》，在ZHS-030多功能氣候環(huán)境試驗箱中進行，腐蝕試劑為中性NaCl溶液，濃度5%，pH值 6.5～7.2。

試驗前清洗主纜試件，測量鋼絲及索股直徑并稱重，將試件放入鹽霧箱。腐蝕試驗前期，每隔30 d將試件取出，用清水沖洗并風干，對試件外觀拍照記錄，隨后測量試件的直徑和剩余質(zhì)量。300 d后每隔20 d取出試件，進行記錄、測量及拉伸試驗。

加速腐蝕試驗結(jié)果顯示，腐蝕30 d后，鋼絲索股表面出現(xiàn)白色氧化鋅；90 d后，鋼絲索股表面出現(xiàn)細小的點蝕；300 d左右鋼絲索股表面嚴重銹蝕，鍍層損失比達到65%，但鋼絲力學性能無明顯變化；420 d后，索股表面鍍層全部損失，直徑減小約10%，鋼絲極限強度低于1 500 MPa。加速腐蝕試驗表明鋅鋁合金鍍層的抗腐蝕壽命為鍍鋅鋼絲的2倍。

4 結(jié)論

1) 2 000 MPa主纜索股靜動載試驗表明，PPWS-91和PPWS-127公稱破斷索力、極限延伸率及斷絲率均滿足性能要求。經(jīng)200萬次疲勞試驗后，2種規(guī)格的主纜索股的斷絲率均為0，疲勞后的拉伸試驗效率系數(shù)超過95%，靜動載試驗指標滿足規(guī)范要求。

2) 2 000 MPa主纜索股的抗滑移試驗表明，3組試驗測得的主纜與索夾抗滑摩阻系數(shù)為0.3，大于規(guī)范取值0.15，主纜滿足索夾抗滑移要求。

3) 人工索股腐蝕試驗結(jié)果表明，索股在腐蝕210 d后，鋼絲屈服強度略有降低，索股表面出現(xiàn)明顯的褐色腐蝕；腐蝕420 d后，索股直徑減小約10%，表面鍍層全部損失，鋼絲極限強度顯著降低。加速腐蝕試驗表明鋅鋁合金鍍層有著更優(yōu)異的抗腐蝕性能，抗腐蝕壽命為鍍鋅鋼絲的2倍。