螺洲大橋主纜纏絲及其導(dǎo)入力對(duì)主纜結(jié)構(gòu)的影響分析

劉鑰1朱安靜1鄭則群2

(1.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司武漢430056；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院福州350108)

摘要為了對(duì)懸索橋的主纜做好防護(hù)，選用不同直徑及不同彈性模量計(jì)算了先鋪裝后纏絲、先纏絲后鋪裝2種工序下的纏絲導(dǎo)入力。結(jié)果表明，隨著纏絲彈性模量和纏絲直徑的增加，纏絲導(dǎo)入力增加，斷面溫差對(duì)纏絲導(dǎo)入力的影響不容忽視。為了節(jié)省工期同時(shí)保證施工質(zhì)量，采用先鋪裝6 cm聚丙烯混凝土再纏絲的施工方法，主纜纏絲導(dǎo)入力采用2 500 N。

關(guān)鍵詞自錨式懸索橋主纜防腐涂裝纏絲導(dǎo)入力

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.003

收稿日期：2014-12-14

主纜是懸索橋的主要承重受力構(gòu)件，其設(shè)計(jì)年限為100年，而且是不可更換的，被稱為懸索橋的生命線，主纜的防護(hù)對(duì)維持懸索橋的壽命是極其重要的。文獻(xiàn)[1]通過對(duì)喬治·華盛頓懸索橋主纜索股深入檢查表明，銹蝕或化學(xué)腐蝕是導(dǎo)致主纜承載力能力下降的主要原因。因此，主纜的防護(hù)不容忽視。螺洲大橋的主纜主要采用纏絲涂裝的防護(hù)方式，關(guān)于纏絲導(dǎo)入力的文獻(xiàn)不多，日本做了比較深入的研究[2]，其中包括試驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)在廈門海滄大橋[3]、西堠門大橋[4]以及壩陵河大橋[5]也做了一些研究，其他橋梁要么借鑒已有橋梁，要么隨便取一數(shù)據(jù)。本文結(jié)合已有的文獻(xiàn)，確定了螺洲大橋主纜的纏絲導(dǎo)入力的計(jì)算公式。

1主纜防護(hù)

螺洲大橋的主纜主要采用纏絲涂裝的防護(hù)方式，見圖1。

圖1　主纜防護(hù)材料及構(gòu)造

防護(hù)前先用手工清洗主纜上因施工而殘留的雜物，并用溶劑清洗主纜表面的油污及沙塵等有害物質(zhì)，臨時(shí)覆蓋，待對(duì)該處進(jìn)行涂裝及纏絲時(shí)再揭開。涂裝層包括①磷化底漆，1道，厚約10 μm；②不干性防護(hù)膩?zhàn)樱窦s3 500 μm；③纏繞直徑4 mm鍍鋅鋼絲，并涂厚約10 μm磷化底漆1道；④涂厚約10 μm環(huán)氧底漆1道；⑤涂聚硫密封劑，厚約2 500 μm；⑥彩色防護(hù)漆，厚約250 μm。

在運(yùn)營(yíng)荷載作用下，主纜防護(hù)層跟隨主纜一起變形，從而主纜的防護(hù)層必須是柔性不具備抗彎剛度，如果不對(duì)主纜進(jìn)行纏絲，主纜鋼絲間將缺乏橫向約束，在后期的各種變形中可能散開，導(dǎo)致水氣進(jìn)入造成主纜銹蝕和腐蝕。因此，主纜纏絲是主纜防護(hù)的重點(diǎn)，必須保證纏絲應(yīng)力在任何階段都大于0。

2纏絲導(dǎo)入力計(jì)算原理和方法

2.1　計(jì)算原理

纏絲過程中，由纏絲導(dǎo)入拉力T后，轉(zhuǎn)化為作用于主纜表面的徑向壓應(yīng)力σr；相反，主纜表面也對(duì)纏絲圈施加反作用應(yīng)力σc。根據(jù)作用力和反作用力相等的原理，應(yīng)有σr=σc。式中：σc為主纜對(duì)纏絲的反作用徑向應(yīng)力。在纏絲之后，當(dāng)主纜受二期恒載、汽車荷載作用及溫度變化等影響時(shí)，主纜拉力會(huì)增大，在“泊桑效應(yīng)”作用下纜徑發(fā)生橫向收縮，這樣導(dǎo)致纏絲圈對(duì)主纜的壓力減小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成纏絲松弛、失效。即纏絲設(shè)計(jì)必須滿足的條件為：在二期恒載、汽車荷載和溫度變化作用下纏絲對(duì)主纜表面的壓應(yīng)力大于0，且纏絲應(yīng)力低于纏繞鋼絲屈服點(diǎn)。

2.2　計(jì)算方法

對(duì)于纏絲導(dǎo)入力的計(jì)算方法，在日本大島大橋施工時(shí)，提出了泊桑比方法，在白鳥大橋施工時(shí)，考慮了主纜橫斷面的彈性模量對(duì)泊桑比公式進(jìn)行修正。文獻(xiàn)[6]中總結(jié)了幾種方法，其基本原理相同。計(jì)算公式如下：

(1)

式中：T為纏絲導(dǎo)入力，N；n為安全系數(shù)；EW為纏絲彈性模量，MPa；AW為纏絲面積，mm2；μ為主纜鋼絲的泊桑比；ΔT為主纜在纏絲以后增加的纜力，N；EC為主纜彈性模量，MPa；AC為主纜面積，mm2；DW為纏絲圈直徑，mm；DC為主纜直徑，mm；ε為纏絲時(shí)纏絲的溫度與主纜斷面平均溫度之差引起的應(yīng)變。

纏絲初始導(dǎo)入力與最終的殘留張力相差很大。日本的纏絲導(dǎo)入力損失測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，最終張力僅為初始張力的1/4～1/3，其原因主要是纏絲纏繞后因松弛效應(yīng)造成的拉力降低。因此安全系數(shù)一般取3～4[7]，本文的安全系數(shù)n=3。

溫度變化包括運(yùn)營(yíng)階段體系溫差(取30 ℃)和主纜斷面溫度梯度作用。主纜斷面溫度梯度是影響主纜纏絲力的不可忽略的因素，由于纏繞鋼絲圈與主纜之間有一層不干性密封膏，會(huì)產(chǎn)生熱傳導(dǎo)滯后現(xiàn)象，使得纏繞鋼絲圈與主纜之間存在一定的溫度差，此溫度梯度將引起纏繞鋼絲內(nèi)力值變化。但由于螺洲大橋主纜直徑比較小，內(nèi)、外溫差比較小，在日光作用下纏絲過程的主纜斷面最大溫差為4 ℃，而運(yùn)營(yíng)階段的荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.54，即運(yùn)營(yíng)階段的主纜斷面溫度梯度取1.54×4 ℃≈6 ℃。纏絲的溫度與主纜斷面平均溫度之差引起的應(yīng)變?chǔ)?αΔt。

3纏絲導(dǎo)入力計(jì)算及影響參數(shù)分析

3.1　參數(shù)分析

螺洲大橋主橋?yàn)槿藻^式懸索橋，跨徑布置為：80 m+168 m+168 m+80 m=496 m。共2根主纜，每根主纜中含19股平行鋼絲索股，每股含127-Φ5 mm的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，每根主纜共2 413絲。緊纜后主纜的直徑為274.6 mm(索夾間孔隙率20%)，主纜彈性模量EC=195 GPa。

在國(guó)外，主纜一般在橋面鋪裝完成或者完成大部分后進(jìn)行纏絲，因而二期恒載的影響可以忽略不計(jì)；在國(guó)內(nèi)，包括海滄大橋在內(nèi)的部分懸索橋采用先纏絲后鋪裝，這就需要考慮二期恒載的影響。螺洲大橋運(yùn)營(yíng)階段汽車荷載引起的纜力增量為4 122 kN，橋面鋪裝引起的纜力增量為5 814 kN，體系溫度變化引起的纜力增量為1 501 kN。當(dāng)分別采用直徑為3.5，4.0和4.5 mm及不同彈性模量的軟質(zhì)鋼絲進(jìn)行纏絲時(shí)，所需的纏絲導(dǎo)入力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　纏絲導(dǎo)入力計(jì)算結(jié)果

注：T1為纜力變化引起的纏絲導(dǎo)入力；T2為斷面溫差引起的纏絲導(dǎo)入力。

由表1可見，斷面溫度梯度對(duì)纏絲導(dǎo)入力的影響不容忽視，其導(dǎo)入力約占先鋪裝后纏絲工藝的40%，隨著纏絲彈性模量和纏絲直徑的增加，纏絲導(dǎo)入力增加；如果采用先鋪裝后纏絲，纏絲導(dǎo)入力均小于2 161 N，其抗拉強(qiáng)度為135.9 MPa；如果采用先纏絲后鋪裝，纏絲導(dǎo)入力將大大增加，若采用直徑為4.5 mm的纏絲，纏絲導(dǎo)入力均在3 765 N以上，由于鋪裝引起的纏絲力增量約1 595 N，其抗拉強(qiáng)度為236.2 MPa。若采用先纏絲后鋪裝，則鋪裝引起的纏絲力占先纏絲后鋪裝工藝的42.4%。由表1和式(1)可見，為降低纏絲導(dǎo)入力，可以減小纏絲的直徑或者彈性模量，同時(shí)也可以選擇斷面溫差較小的時(shí)候，即選擇早上和晚上時(shí)候，盡量避開中午時(shí)間段進(jìn)行纏絲。

3.2　工程現(xiàn)場(chǎng)

螺州大橋橋面鋪裝包括6 cm聚丙烯混凝土和4 cmSMA鋪裝，為了節(jié)省工期同時(shí)又保證施工質(zhì)量，在6 cm聚丙烯混凝土澆筑完并倒數(shù)第二次頂推后對(duì)主纜進(jìn)行纏絲。

螺州大橋采用的是直徑為4 mm，彈性模量EC=1.75×105MPa的細(xì)鋼絲。運(yùn)營(yíng)階段主纜增量為4 122 kN，體系溫度差產(chǎn)生的增量為1 501 kN，主纜先纏絲后鋪裝4 cm SMA以及附屬安裝產(chǎn)生的增量為3 607 kN，通過增量算出來的纏絲力T1為1 949 N；斷面溫差算出來的纏絲力T2為396 N，鋪裝引起的纏絲力占先纏絲后鋪裝工藝的32.5%。故主纜需要的最小纏絲導(dǎo)入力為2 345 N，施工采用導(dǎo)入力為2 500 N，其抗拉強(qiáng)度為198.9 MPa。

4結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了螺洲大橋主纜的纏絲涂裝防護(hù)方法，指出其纏絲的重要性，闡述了纏絲導(dǎo)入力的計(jì)算原理，在借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上確定纏絲導(dǎo)入力的計(jì)算方法。采用了直徑3.5，4和4.5 mm及不同的彈性模量對(duì)先鋪裝后纏絲、先纏絲后鋪裝2種工序下的纏絲導(dǎo)入力進(jìn)行影響參數(shù)分析，結(jié)果表明隨著纏絲彈性模量和纏絲直徑的增加，纏絲導(dǎo)入力增加，斷面溫差對(duì)纏絲導(dǎo)入力的影響不容忽視，其導(dǎo)入力約占先鋪裝后纏絲工藝的40%。

為了節(jié)省工期同時(shí)又保證施工質(zhì)量，采用先鋪裝6 cm聚丙烯混凝土再纏絲然后再鋪裝4 cm SMA的施工方法，纏絲導(dǎo)入力增量約占先纏絲后鋪裝工藝的32.5%，OVM提供的纏絲機(jī)能提供所需纏絲導(dǎo)入力，保證整個(gè)纏絲施工工藝的質(zhì)量。

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Calculation of Pretensioning Force of Wrapping

Wires for Main Cables of Louzhou Bridge

LiuYue1,ZhuAnjing1,ZhengZequn2

(1.China Northwest Municipal Engineering Design and Research Institute Co., Ltd., Wuhan 430056, China；

2. College of Civil Engineering, Fuzhou 350108, China)

Abstract：In this paper，for the protection of the main cables of suspension bridge, three different kinds of diameters and different elastic modulus of wrapping wires are selected to calculate the pretensioning force during the two different kinds of processes which are the pavement after wrapping and wrapping after paving. The results of the calculation indicate that, the pretensioning force of the wrapping wires increases with the increase of the elastic modulus and diameters of the wires and the influence of the sectional temperature on that force could not be ignored．In order to save the duration and ensure construction quality at the same time, the construction method of wrapping after 6 cm polypropylene concrete pavement is used during the process of construction. It is proposed that the pretension force of the wrapping wires for the main cables of the Bridge is 2500N.

Key words: self anchored suspension bridge; main cable; anti-corrosive coating; wrapping wire; pretension force