楊錦峰

摘 要：研究了鋅-5%鋁-混合稀土合金高強(qiáng)鋼絲的各項(xiàng)性能，對(duì)配套鋼絲進(jìn)行鋼絲主纜索股及制索工藝研究。研制了5-127主纜絲股，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，形成了穩(wěn)定的主纜制索成型工藝。鍍鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲的防腐性能優(yōu)于鍍鋅鋼絲，可替代鍍鋅鋼絲作為主纜索股鋼絲，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：懸索橋；主纜索；合金高強(qiáng)鋼絲；錨具；鋅-5%鋁-混合稀土合金

中圖分類號(hào)：TG356 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）16-0060-02

1 概述

鋅鋁合金鍍層是Zn-5%Al-RE的共晶合金，它既有鋅的陰極保護(hù)效果，又有鋁的屏障保護(hù)作用，其共晶組織是鋅和鋁片層相間的均勻機(jī)械混合物，可保護(hù)它在腐蝕環(huán)境下均勻氧化，是橋梁纜索用鍍鋅鋼絲的優(yōu)良替代鍍層。

我國(guó)鋼絲鋼絞線生產(chǎn)廠家均在這種新型的鍍層技術(shù)開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行過(guò)研究，目前已投入生產(chǎn)設(shè)備的廠家有天津冶金集團(tuán)環(huán)鐘鋼絲有限公司，已可以生產(chǎn)1770MPa級(jí)別以下的鋼絲，但均處于起步階段，還需要進(jìn)行試驗(yàn)研究的完善。

由于國(guó)內(nèi)工程項(xiàng)目不斷推陳出新，對(duì)鋼絲及拉索制品均提出很高的要求。本文對(duì)鋅-5%鋁-混合稀土合金高強(qiáng)鋼絲的各項(xiàng)性能進(jìn)行了研究，并對(duì)配套鋼絲進(jìn)行鋼絲拉索錨具及制索工藝的設(shè)計(jì)，形成了穩(wěn)定的主纜制索成型工藝，具有極高的推廣價(jià)值。

2 主纜索股熱鑄錨錨頭設(shè)計(jì)

懸索橋的主纜一般是由多股的主纜標(biāo)準(zhǔn)索股組成，標(biāo)準(zhǔn)索股主要由平行鋼絲絲股和熱鑄錨兩部分組成，其主纜絲股一般有5-127和5-91等多種規(guī)格。根據(jù)《懸索橋預(yù)制主纜絲股技術(shù)條件》（JT/T 395-1999）、《公路懸索橋吊索》（JT/T449-2001）、《斜拉橋熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》（GB/T 18365-2001）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可知，懸索橋索股的熱鑄錨具應(yīng)達(dá)到以下設(shè)計(jì)要求：

（1）靜載性能達(dá)到JT/T 395-1999《懸索橋預(yù)制主纜絲股技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求：最大試驗(yàn)荷載≥95%公稱破斷荷載；（2）疲勞性能達(dá)到GB/T 18365-2001《斜拉橋熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)的要求：應(yīng)力上限0.4σb，應(yīng)力下限0.28σb，經(jīng)200萬(wàn)次脈沖加載后斷絲不大于總數(shù)的5%。

根據(jù)單根鋼絲與合金在單位面積上的附著力，可計(jì)算索股熱鑄錨的錨杯內(nèi)鋼絲錨固長(zhǎng)度為：

其中dw為主纜鋼絲直徑，取5mm；為主纜鋼絲在錨杯內(nèi)的錨固長(zhǎng)度；σb為主纜鋼絲公稱抗拉強(qiáng)度，取1770MPa；K為鋼絲錨固安全系數(shù)，取K=2.5；ν為單根鋼絲與合金在單位面積上的附著力，取v=20MPa。經(jīng)計(jì)算可得≥277mm。

熱鑄錨具的錨杯結(jié)構(gòu)，對(duì)熱鑄錨具的受力進(jìn)行分析。其計(jì)算條件為：（1）錨杯材料為ZG310-570，σS≥310MPa，計(jì)算時(shí)以屈服強(qiáng)度σS為設(shè)計(jì)依據(jù)。（2）鋼絲公稱直徑（d）為5mm，鋼絲強(qiáng)度等級(jí)（fptk）為1770MPa，鋼絲索最小破斷力（Pb）為3163KN/4413KN。（3）灌鑄材料為鋅銅合金，其粘結(jié)強(qiáng)度（σBb）≥20MPa，壓縮強(qiáng)度（σcb）≥110MPa。

5-91型和5-127型絲股的錨杯內(nèi)鋼絲錨固長(zhǎng)度均大于277mm（見(jiàn)表1），因此可認(rèn)定合金對(duì)鋼絲的粘結(jié)應(yīng)力σB滿足要求。

熱鑄鐓頭錨采用合金澆注，絲股受力過(guò)程中的壓縮應(yīng)力為σc：

其中：θ為合金錐角，ρ為合金對(duì)鋼的摩擦角（tanρ=0.2），=。

靜載及疲勞試驗(yàn)。按照交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T395-1999《懸索橋預(yù)制主纜絲股技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)OVMRM5-127規(guī)格的主纜索股進(jìn)行了靜載性能試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：試驗(yàn)最大拉力大于公稱破斷力的95%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《斜拉橋熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》（GB/T18365-2001），對(duì)OVMRM5-127規(guī)格的主纜索股進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后對(duì)試件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有1根絲股發(fā)生破斷，斷絲率為0.79%，其余部位無(wú)明顯損傷，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的斷絲率不大于5%的要求。

3 主纜平行鋼絲索股制作

主纜采用PPWS法施工，工廠預(yù)制平行鋼絲索股，以127絲為例研究主纜平行鋼絲索股制作，將127根Φ5mm的鍍鋅鋁高強(qiáng)鋼絲通過(guò)工廠生產(chǎn)線編制成束，索股豎向排列成尖頂?shù)恼呅危枚ㄐ屠υ鷰Ы壴?/p>

主纜單個(gè)索股由直徑Φ5mm的127根高強(qiáng)鍍鋅鋁平行鋼絲平行集束成六角形斷面，每隔1.5m用定型包扎帶繞纏，并在兩頭固結(jié)熱鑄錨具而成。具體制作流程見(jiàn)圖1。

（1）標(biāo)志絲的制作。為了便于在制造、架設(shè)主纜索股過(guò)程中觀察、辨別平行鋼絲索股是否扭轉(zhuǎn)，在平行鋼絲索股六角形截面左上角設(shè)一標(biāo)志絲，沿錨杯之外全長(zhǎng)涂上紅色。（2）標(biāo)準(zhǔn)絲的制作。預(yù)知平行鋼絲索股長(zhǎng)度是通過(guò)位于正六角形索股截面邊上角的一根經(jīng)過(guò)精確測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)絲來(lái)控制的。因此標(biāo)準(zhǔn)絲的長(zhǎng)度測(cè)量精度是保證索長(zhǎng)的關(guān)鍵。其制作精度為1/15000。標(biāo)準(zhǔn)絲采用基線測(cè)長(zhǎng)法制作。設(shè)置的測(cè)長(zhǎng)基線測(cè)距為300m，采用分段基線法制作標(biāo)準(zhǔn)絲，即將精確測(cè)量的長(zhǎng)直線分?jǐn)?shù)次來(lái)控制標(biāo)準(zhǔn)絲的下料長(zhǎng)度，見(jiàn)圖2測(cè)長(zhǎng)基線位于車間內(nèi)，避免外界環(huán)境的影響。在標(biāo)準(zhǔn)絲制作前，根據(jù)主跨中心點(diǎn)、東西主索鞍中心點(diǎn)、東西邊跨中心點(diǎn)、東西散索鞍起彎點(diǎn)、索股兩端點(diǎn)等九個(gè)位置及設(shè)計(jì)要求的相應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)位置，對(duì)整條基線長(zhǎng)度重新標(biāo)定。每根索股均對(duì)應(yīng)一根標(biāo)準(zhǔn)絲。在每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)粘貼一段經(jīng)檢驗(yàn)過(guò)的鋼尺，以適應(yīng)各索股長(zhǎng)度的微小差異。每根索股上的標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)按照?qǐng)D紙要求作出明顯的標(biāo)記。（3）平行鋼絲索股制作。主纜索股制作工藝流程為：放絲→分絲→聚并成型→牽引→繞包→顏色標(biāo)記→成盤。索股的車間布置，見(jiàn)圖3。（4）制錨工藝。將主纜索股用鋅銅合金固結(jié)于錨杯的制錨工藝是在制錨平臺(tái)上完成。其具體過(guò)程包括：1）錨杯內(nèi)腔用清洗液清洗干凈，并灌水測(cè)量容積。2）鋼絲穿入錨杯并固定，按工藝卡控制伸入錨杯的鋼絲長(zhǎng)度。3）錨杯下口應(yīng)用石棉或耐火泥充分密封，以保證注入的合金不從下口漏出。并上密封定位夾具實(shí)現(xiàn)垂直固定，使鋼絲索股的軸線與錨杯的前端面成直角。用角尺校正，使其角度控制在90±0.5°。4）將主纜索股和錨杯在澆鑄臺(tái)用專用工具垂直固定，確保錨杯下的主纜索股垂直長(zhǎng)度及彎曲半徑符合規(guī)范要求。5）預(yù)熱：鋅銅合金的熔化溫度不得高于600℃，澆鑄鋅銅合金前應(yīng)將錨杯預(yù)熱至（150±10）℃，澆鑄容器預(yù)熱至200℃以上，保證鋅銅合金澆鑄溫度為（460±10）℃。6）澆鑄：將合金注入錨杯時(shí)，應(yīng)避免任何振動(dòng)，澆鑄應(yīng)一次完成，不得中斷。7）冷卻：通過(guò)空氣冷卻，為提高生產(chǎn)效率，可采用風(fēng)扇加快冷卻速度。錨頭表面溫度低于80℃之前不得有任何移動(dòng)。8）反頂：待錨頭及澆鑄合金完全冷卻至常溫后，將錨頭固定在頂壓臺(tái)上，在錨鑄體后端頂壓，頂壓力2000KN，持荷5min，卸壓后測(cè)量索股的外移量小于5mm為合格。9）錨杯內(nèi)合金澆鑄應(yīng)密實(shí)、無(wú)氣孔，實(shí)際澆鑄量應(yīng)為理論計(jì)算澆鑄量的92%以上。合金鑄入率按下式進(jìn)行計(jì)算：，其中：Vz為合金鑄入率（%）；m為實(shí)際灌入合金量（g）；Vb為錨杯內(nèi)容積（ml）；ρ為合金密度（g/cm3）；10）所有錨頭的澆鑄按上述規(guī)定檢測(cè)。11）錨杯安裝完畢后，在其表面進(jìn)行噴鋅防護(hù)。12）為方便索股的架設(shè)，用紅色油漆在錨頭頂面寫主纜索股編號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)鍍鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲拉索進(jìn)行研制，主纜拉索及配套的錨具滿足鋼絲拉索及主纜索的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，靜載破斷力不小于拉索公稱破斷力的95%；疲勞性能按拉索應(yīng)力上限為0.4σb，應(yīng)力下限0.28σb，經(jīng)200萬(wàn)次脈沖加載后斷絲不大于總數(shù)的5%。鋼絲相關(guān)力學(xué)性能滿足GB/T17101-1997《橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲》的要求，而鋼絲的防腐性能要優(yōu)于鍍鋅鋼絲，若替代鍍鋅鋼絲作為主纜索股鋼絲將可大大提升懸索橋主纜的防腐性能，具有良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)形成了穩(wěn)定的主纜制索成型工藝，可滿足主纜索股的生產(chǎn)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]林曉晟，莫旭健，蔣冶鑫.鋅-5%鋁-稀土合金鍍層的工藝與實(shí)踐[J].金屬制品，2011，02：16-19.

[2]侯世璋.鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲的生產(chǎn)[J].金屬制品，2008，02：29-30+32.

[3]葉覺(jué)明，鐘建馳.橋梁纜索系統(tǒng)的腐蝕與防護(hù)[J].鋼結(jié)構(gòu)，2005，02：85-89.