朱元 張銘 張峰

（1.柳州歐維姆機械股份有限公司 545006；2.湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司 武漢430000）

引言

隨著基礎建設的加快，工程結構質(zhì)量成為了社會關注的焦點，如何快速提前感知工程結構存在的風險以及如何提高其耐久性成為日后路橋工程發(fā)展的方向。近些年橋梁工業(yè)得到了突飛猛進的擴展，而橋梁結構安全性與生命安全緊密關聯(lián)，橋梁健康檢測逐步成為關注的焦點。尤其是橋梁上的拉索是生命線的關鍵點之一，拉索的使用壽命長度和拉索使用工況的可監(jiān)控度，成為預防發(fā)生橋梁坍塌事故需要完善的地方。

目前國內(nèi)外對橋梁拉索的監(jiān)控檢測還主要集中在日常的人為維護和檢測索力，例如壓力傳感器、磁通量傳感器、頻率法檢測儀器等等。這幾種檢測手段都需要安裝在拉索索體外，且其工作效率差而且耗費時間長，且檢測手段比較落后，無法對拉索的使用狀態(tài)進行實時監(jiān)控。因此本文結合工程需求，開發(fā)了一種植入拉索索體內(nèi)的可實現(xiàn)實時監(jiān)控拉索索力，且提高拉索抗疲勞性能的一種高應力幅智能拉索。

高應力幅、智能拉索的研制可以有效地實現(xiàn)對拉索索力的實時監(jiān)控，有效檢測拉索的使用工況，提前預測拉索的使用壽命及其可靠性。另外其可用于高應力幅工況的橋梁拉索工程，能夠提高拉索的耐久性和安全性，確保拉索的使用壽命更長久。

本文根據(jù)香溪長江公路大橋設計提出吊桿需滿足300MPa的大動載荷疲勞和大位移偏擺幅度需求，開發(fā)出高出標準規(guī)范疲勞性能且可耦合光纖光柵的智能拉索產(chǎn)品。

1 工程概況

香溪長江公路大橋是湖北省骨架公路網(wǎng)中第6縱（鄖縣—來鳳）的第2條支線（興山—五峰）跨越長江的節(jié)點工程，橋址位于長江三峽兵書寶劍峽峽口。大橋全長883.2m，主橋為主跨519m（計算跨徑）中承式鋼桁架拱橋。主橋長531.2m，橋跨組合為：2×35m預應力混凝土T梁+531.2m（主孔兩過渡墩之間的跨度）+9×30m預應力混凝土T梁。大橋按四車道一級公路設計，橋面梁全寬27.3m（不含兩側各2.5m寬人行道），汽車荷載等級為公路I級。橋型布置如圖1所示[1]。

圖1 橋型布置Fig.1 Bridge arrangement

主橋拱肋采用空間變截面桁架式結構，主桁下弦桿中心線凈跨徑為508m，下弦中心矢高為127.0m，矢跨比為1／4。主拱軸線采用懸鏈線線形，拱軸系數(shù)為2.0。桁架拱采用雙片主桁，上、下游兩榀主桁平行布置，主桁的橫向中心距為25.3m。主桁采用易于控制腹桿穩(wěn)定的柏式桁架，主桁拱頂截面徑向高采用12.0m，拱腳截面徑向高采用14.0m。主桁采用變節(jié)間布置，共有12.0m、11.8m兩種布置方式，橋面以上主桁節(jié)間長度為12.0m，吊桿間距為12.0m；橋面以下主桁節(jié)間長度為11.8m，拱上立柱間距為11.8m。

吊桿采用單吊桿體系，橫橋向吊桿中心距25.3m。要求吊桿滿足高應力幅疲勞性能，通過提高拉索的疲勞性能有利于橋梁結構風險的降低，延長拉索的使用壽命，從而保障橋梁主體結構的安全性能。

2 拉索性能指標需求

2.1 設計目標

根據(jù)工程設計需求，短吊桿采用37根1860MPa級φ15.2mm的環(huán)氧鋼絞線作為吊桿承載體，索體結構采用雙層無粘結HDPE成品索結構，PE外層設計成雙螺旋線結構抑制風雨激振。要求吊桿在滿足0.4Fptk應力上限的設計索力下，能夠?qū)崿F(xiàn)300MPa的應力幅疲勞次數(shù)200萬次的性能指標。吊桿索體中耦合光纖光柵智能鋼絞線，用于對吊桿索力進行實時監(jiān)控。

2.2 設計標準

拉索錨具應有可靠的錨固性能和足夠的承載能力，錨具錨固夾持性能符合《預應力筋用錨具、夾具和連接器》，錨固效率系數(shù)≥0.95%，極限延伸率≥2%。疲勞性能達到《斜拉索設計、測試和安裝條例》（PTI-2001）等相關規(guī)范要求[2]。光纖光柵精度控制在0.5%左右，應力應變值符合線性同步規(guī)律達到99.5%及以上。

2.3 吊桿空間結構設計需求

根據(jù)設計條件拉索有效穿索孔道為φ248×16mm的空間，且能夠方便張拉空間需求為500mm×1000mm×800mm。目前國內(nèi)外采用吊桿設計載體有鋼絲、鋼絲繩、鋼絞線，而由于鋼管拱錨箱結構空間有限，要求吊桿承載體的錨具結構尺寸必須盡量要小，確保降低錨下應力對整個錨箱受力的影響，如圖2所示[1]。

3 拉索可行性技術分析

本項目設計所要求解決的問題主要在于吊桿錨具結構需適合拱肋和箱梁的狹小空間結構，通過優(yōu)化錨箱結構空間來實現(xiàn)降低整個橋體結構的重量和造價成本，因此必須開發(fā)出結構緊湊型的錨具結構產(chǎn)品。

3.1 錨固結構對比分析

吊桿最大公稱破斷索力不小于9600kN，換算成鋼絲根數(shù)為151，換算為鋼絞線根數(shù)為37。而根據(jù)香溪河橋的設計特點，首先考慮合適的錨具尺寸能夠滿足穿索孔道的設計需求。鋼絲吊桿采用冷鑄錨固方式，而鋼絞線目前只采用夾片式，以上兩種錨固方式錨具結構尺寸大，對穿索孔道和錨固區(qū)提出了更大的空間要求，無法適應本項目空間有限的需求。而采用鋼絞線整體擠壓錨固方式，錨具結構尺寸相對較小，各種索錨具對比如圖3所示。

圖2 上錨腔空間結構（單位：mm）Fig.2 Spatial structure of anchorage box（unit：mm）

圖3 各種抗索錨具對比Fig.3 Comparative drawings of various cable anchors

3.2 如何實現(xiàn)拉索錨具抗疲勞性能

拉索的抗疲勞性能，主要取決于承載體（鋼絲、鋼絞線）母材質(zhì)量的好壞，其次是錨具承載體的夾持握裹效果以及錨夾具對承載體的損傷程度。從圖3可以看出，常規(guī)吊桿的鋼絲索和夾片式鋼絞線錨固結構與索體有一定的折角，鋼絲或鋼絞線在錨固區(qū)內(nèi)形成一定的折彎，拉索在動態(tài)受力的工況下，折彎處是鋼絲或鋼絞線容易發(fā)生疲勞損傷的薄弱點。

本文工程中，鋼絲索和夾片式鋼絞線拉索的錨固尺寸較大無法滿足設計需求，因此為了適應設計目標，專門開發(fā)了一種采用整體擠壓+冷鑄復合錨固鋼絞線原理的結構，如圖4所示為擠壓錨固原理圖。

圖4 擠壓錨固原理Fig.4 Extrusion anchorage principle

本文方案采用專用的擠壓模具和千斤頂及擠壓裝置，采用徑向擠壓變形的方式使錨固套產(chǎn)生永久性的塑性變形，使相互平行隔離的鋼絞線嵌入到錨固套內(nèi)腔金屬層形成一種相互夾持握裹的整體，如圖5所示（高應力幅錨具結構）[4]。該結構相對以上兩種方式，錨具結構尺寸可以降低20%～30%左右，可以滿足上錨點空間安裝需求和方便穿索孔徑設計。再加上由于鋼絞線相互隔離平行，改善了鋼絞線在錨固段的折彎疲勞損傷隱患，降低了鋼絞線的抗疲勞折彎系數(shù)，并且通過設計延長筒的方式，增強索體剝除PE的裸露段鋼絞線的握裹穩(wěn)定性，從而可提高整個錨固區(qū)索體的抗疲勞、抗微震動性能。

圖5 高應力幅錨具結構Fig.5 High stress amplitude anchor structure

3.3 高應力幅疲勞性能的保障措施

1.開發(fā)鋼絞線相互平行隔離夾持握裹的擠壓式錨固套，確保了鋼絞線避免折角損傷產(chǎn)生應力集中的問題，改善了鋼絞線束整體抗疲勞的穩(wěn)定性，如圖6所示。

圖6 擠壓錨固套結構Fig.6 Structure drawing of extruded anchorage sleeve

2.錨固套出口端采用灌注彈性體保護材料，可以有效地抵抗拉索在振動情況下鋼絞線在出口處容易發(fā)生相互摩擦，避免鋼絞線的微磨損風險。

3.錨頭外表面通過采用特殊刀具車削螺紋，并進行噴丸除應力的方式，提高了錨頭螺紋處的抗疲勞性能，有效減少了錨頭表面裂紋。

4.另外為了滿足拉索300MPa的高應力幅，還專門聯(lián)合鋼絞線廠家開發(fā)了一種高疲勞的鋼絞線盤條制作母材。

4 智能索方案實施及工藝試驗

4.1 智能拉索成品索設計方案

本項目采用37根φ15.2mm的高強鋼絞線，將智能筋嵌入到其中一根中心或邊心鋼絞線的鋼絲上，再將多根鋼絞線集束為成品索后擠塑成PE多層防護索體結構，組裝在擠壓錨具內(nèi)，通過擠壓將鋼絞線握裹成形。智能成品結構如圖7所示。

這種設計方案，可以有效地將拉索中心索力通過光纖光柵傳感器進行檢測，由于鋼絞線是采用無粘結相互隔離保護，光纖光柵嵌入到鋼絲槽內(nèi)，在制作流程中可以更好地有效保護傳感器耐久性。

圖7 智能索設計方案Fig.7 Intelligent cable design scheme

4.2 智能索制作

拉索索體最中間的鋼絞線的中心絲，通過刻痕設備在鋼絲上刻槽，將光纖光柵嵌入。然后再制作成光纖成品拉索，光纖光柵拉索如圖8所示。

圖8 智能筋制作Fig.8 Intelligent bar manufacture

關鍵工藝控制：制作光纖光柵索—鋼絞線束放線—擠塑PE索體—裁索—裝配錨具—錨具擠壓成形—錨頭加工螺紋—超張拉—信號檢測。

采用鋼絲刻槽設計，避免了擠壓過程及使用中鋼絞線對傳感器的擠壓破壞，同時拉索制作過程中需要對光纖光柵進行保護處理，通過在光纖表面包裹一層保護套進行隔離，并且在擠壓工裝上進行開孔，先將光纖光柵引出錨具，進行工藝過程控制。

4.3 智能索試驗測試

本項目采用了光纖光柵與鋼絞線拉索耦合技術，光纖光柵是折射率沿光纖軸線發(fā)生周期性變化的一小段光纖纖芯，它可將入射光中某一特定波長的光部分或全部發(fā)射，它的反射的中心波長方程式為λB＝2NeffΛ，式中：λB為光柵布喇格波長，Neff為纖芯的有效折射率，Λ為光柵周期[5]。

對智能拉索進行靜載試驗測試：制作了兩根PL1和PL2試驗索，光纖光柵波長的測定選用解調(diào)儀ZX-FP-C16，試驗索在柳州歐維姆公司實驗室張拉臺座上進行拉伸試驗。試驗時先張拉0.1F（F為標準破斷力）預緊，試驗過程每0.1F張拉一次，并持荷5min，張拉到0.95F時試驗停止，兩根自感知試驗索在0.95F時均未發(fā)生損壞，事實證明，自感知拉索不影響拉索的靜載錨固性能。表1為單根智能索的原始數(shù)據(jù)。

試驗索PL1和PL2的波長數(shù)據(jù)見表2，試驗數(shù)據(jù)分析見圖9。

表1 單根智能索波長測試數(shù)據(jù)Tab.1 Single intelligent cable wavelength test data

表2 成品拉索波長測試數(shù)據(jù)Tab.2 Final cable wavelength test data

圖9 測試數(shù)據(jù)分析Fig.9 Analysis of test data

由以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，PL1和PL2兩組成品拉索的測試數(shù)據(jù)基本接近單根鋼絞線智能拉索的原始數(shù)據(jù)，可以判斷出光纖光柵智能索檢測的數(shù)據(jù)誤差是在控制范圍內(nèi)，這種智能拉索的制作工藝可達到設計需求。

4.4 高疲勞拉索試驗

試件疲勞性能試驗采用德國IST公司生產(chǎn)的10MN疲勞試驗機來進行，該系統(tǒng)的最大試驗負荷為±10MN，疲勞頻率1.5Hz，疲勞試驗裝置如圖10所示。

圖10 疲勞試驗裝置Fig.10 Fatigue testing equipment

試驗結果見表3，可見通過前文的技術措施改進和優(yōu)化設計，這種結構的拉索體系可以滿足應力幅度300MPa的疲勞次數(shù)200萬次。

表3 疲勞試驗結果Tab.3 Fatigue test results

5 結語

本文針對香溪長江公路橋短吊桿的高應力幅疲勞性能需求，根據(jù)設計指標開發(fā)了一種全新錨固原理的鋼絞線復合式整體擠壓錨固的智能筋拉索，對錨固結構和索體工藝的技術進行了研發(fā)設計和試驗論證。開發(fā)的新型錨固結構技術在具有適應拉索的高疲勞、可靠錨固性能的同時，也縮小了拉索的錨頭結構尺寸，有利于錨箱結構的優(yōu)化設計。對于拱橋吊桿中尤其是拱橋處短索動載大、擺幅大的工況，有利于提高其安全性能。另外通過植入光纖光柵智能筋到拉索索體內(nèi)與鋼絞線進行耦合，通過多點分布式測量并建立集成監(jiān)控系統(tǒng)和可以有效地對吊桿索力進行實時監(jiān)控。