文|廣東省公路建設(shè)有限公司虎門二橋分公司 張鑫敏

隨著懸索橋主跨跨徑的增大，主纜的自重呈非線性加速增長，導(dǎo)致主纜材料強(qiáng)度用以承擔(dān)其自身重量的比例增大，用于承擔(dān)使用荷載的比例相對減小，承載效率降低，因此，提高主纜強(qiáng)度、減輕自重成為突破更大跨徑的關(guān)鍵。由廣東省交通運(yùn)輸廳組織實(shí)施的“1960MPa懸索橋主纜索股技術(shù)研究”于2009年啟動，該項(xiàng)目依托虎門二橋工程，深入研究了盤條合金組分、連鑄偏析、索氏體化技術(shù)，鋼絲拉拔、熱鍍鋅鋁技術(shù)，索股錨固、預(yù)成型等關(guān)鍵技術(shù)。其研究成果總體達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

虎門二橋全景圖

項(xiàng)目總體技術(shù)路線圖

該項(xiàng)目研究針對1960MPa主纜鋼絲及索股在虎門二橋懸索橋應(yīng)用，以自主創(chuàng)新、集成創(chuàng)新為主導(dǎo)，以產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合的模式開展研究工作。實(shí)施過程中統(tǒng)籌考慮研究與成果應(yīng)用時間，既保證研究成果服務(wù)于虎門二橋工程建設(shè)，又能通過工程實(shí)踐檢驗(yàn)研究成果，促進(jìn)理論、方法的完善和技術(shù)水平的提升。

1960MPa纜索鋼絲用盤條開發(fā)

提高鋼絲強(qiáng)度的一般技術(shù)方法是增加碳含量，國產(chǎn)1770MPa鋼絲采用82碳盤條，技術(shù)路線為高錳。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，1960MPa鋼絲需要提高盤條碳含量。為同時滿足強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)等性能的要求，各鋼廠還進(jìn)行了特殊的盤條成分設(shè)計(jì)，同時對冶煉和軋制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和提升。盤條成分設(shè)計(jì)需綜合考慮合理的含碳量和其他金屬含量。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)研究，選擇用于制作1960MPa鋼絲的3種盤條成分組成，如表1所示。

表1 1960MPa鋼絲用盤條化學(xué)成分

盤卷技術(shù)

1960MPa主纜

為滿足優(yōu)質(zhì)的扭轉(zhuǎn)等性能，研發(fā)和應(yīng)用了橋梁纜索鋼絲盤條索氏體化處理，改進(jìn)和提高盤條組織和均勻性，在國內(nèi)第一次應(yīng)用在線水浴（EDC）、離線鹽?。―LP）和離線鉛?。↙P）等大直徑盤條熱處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了索氏體組織≥90%，金相組織均勻。基于上述研究，首次成功應(yīng)用了盤條EDC處理和離線LP處理，自主設(shè)計(jì)了國內(nèi)首條DLP生產(chǎn)線，并形成了全套的生產(chǎn)工藝技術(shù)。經(jīng)盤條試驗(yàn)和鋼絲加工結(jié)果檢驗(yàn)，熱處理效果達(dá)到或優(yōu)于國外目前公認(rèn)的盤條質(zhì)量。其中，在線EDC技術(shù)和工藝在節(jié)能環(huán)保方面處于國際領(lǐng)先水平。

1960MPa懸索橋主纜用高強(qiáng)度鋼絲開發(fā)

1960MPa高強(qiáng)度鋅鋁合金鍍層鋼絲拉拔技術(shù)研究

該項(xiàng)研究立足于高碳鋼高強(qiáng)度大直徑鋼絲在生產(chǎn)線上的拉拔過程，研究了在現(xiàn)代化大生產(chǎn)條件下鋼絲拉拔組織、性能變化規(guī)律。通過對不同應(yīng)變量鋼絲的組織演變觀察分析以探求鋼絲拉拔過程中組織與力學(xué)性能演變過程。研究了高碳鋼絲在拉拔過程中的微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能隨拉拔應(yīng)變量的變化規(guī)律；系統(tǒng)地分析了高碳鋼絲拉拔過程中的織構(gòu)演變過程，分析了鋼絲織構(gòu)對鋼絲力學(xué)性能的影響，同時對鋼絲的熱鍍過程中的再結(jié)晶織構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。重點(diǎn)研究了含碳量為0.87%左右的過共析鋼鋼絲經(jīng)索氏體化后，在不同拉拔應(yīng)變量下縱截面方向的微觀組織變化，創(chuàng)新性的采用了大應(yīng)變量拉拔技術(shù)，利用滲碳體碎化后非晶帶的纖維強(qiáng)化和滲碳體顆粒的彌散強(qiáng)化來提高光面鋼絲的強(qiáng)度和韌性。

同時，研究了低溫時效對鋼絲扭轉(zhuǎn)性能的影響，模擬拉絲溫升對鋼絲扭轉(zhuǎn)性能的影響，為拉絲過程中工藝的制定與控制提供參考。研究了熱鍍溫度對鋼絲扭轉(zhuǎn)性能的影響，模擬鍍鋅溫度對鋼絲扭轉(zhuǎn)性能的影響，研究其影響的機(jī)制，開發(fā)出了強(qiáng)度達(dá)到1960MPa、扭轉(zhuǎn)次數(shù)達(dá)到14次以上的鋅鋁合金鍍層鋼絲成套制作技術(shù)。該創(chuàng)新點(diǎn)經(jīng)江蘇省經(jīng)信委鑒定，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。鋼絲抗疲勞性能經(jīng)過美國結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室認(rèn)證，超過了目前國際上ISO及美國標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

基于無接觸式新型鋼絲鋅鋁合金鍍層控制技術(shù)研究

鍍層質(zhì)量對于橋梁纜索的耐久性至關(guān)重量。對于鋅鋁合金鍍層鋼絲，由于鋁的流動性較好，因此其熱鍍速度為傳統(tǒng)熱鍍鋅的2倍以上。該研究創(chuàng)新性的將非接觸式的電磁熱鍍抹拭法+氣體抹拭法的復(fù)合抹拭技術(shù)用于鋅鋁合金鋼絲的雙鍍技術(shù)，通過控制洛倫磁力的大小、分布和氮?dú)獾臍鈮?，?shí)現(xiàn)了鍍層質(zhì)量和均勻性的精確控制，實(shí)現(xiàn)了鋅鋁合金熱鍍技術(shù)的高速、低耗和綠色環(huán)保。

鍍鋅鋼絲表面粘上液態(tài)鍍鋅層垂直向上穿過電磁抹拭裝置，當(dāng)移動到鋅層電磁抹拭原理圖所示位置時，線圈中通入的交變電流在鋼件區(qū)域感應(yīng)產(chǎn)生交變磁場，交變磁場在鍍鋅層中，產(chǎn)生方向與感應(yīng)線圈電流方向相反的感應(yīng)渦流電流，根據(jù)麥克斯韋電磁場微分方程，隨著鋼件向上移動過程中，鍍鋅層中的渦流電流在交變感應(yīng)磁場的作用下，受到斜向下的洛倫茲力的作用，阻止了液態(tài)鍍鋅層向上移動，克服鍍鋅層之間的粘附力，將多余的鋅液抹拭下去，通過改變磁力大小和分布，從而達(dá)到控制鋅層重量的效果。

鋅層電磁抹拭原理

在熱鍍鋅鋁合金后，采用氣體抹拭法(主要是氮?dú)?精確控制鋅鋁合金成品的表面質(zhì)量。其方法創(chuàng)造性地使具有一定壓力的氣體，通過環(huán)形氣刀裝置在鋼絲周圍產(chǎn)生高速氣流，高速氣流作用在鍍層表面時產(chǎn)生抹拭力，將表面多余的合金熔液抹拭回合金鍋去。氣體抹拭原理為鋼件從鋅鍋出來之后，垂直向上移動過程中，氣刀中噴出的高壓氣體作用在鋼絲上，表面鍍鋅層在氣流以及重力的作用下，沿著向下回流到鋅鍋里面去。通過控制氣體壓力和氣刀高度、角度等參數(shù)控制鍍層的質(zhì)量和均勻性。

采用非接觸式復(fù)合抹拭技術(shù)后，熱鍍速度從傳統(tǒng)的每秒10米提高到每秒20米，鍍層重量達(dá)到每平方米300克，鍍層均勻性好，其硫酸銅次數(shù)可達(dá)到4次，其抗鹽霧腐蝕能力較傳統(tǒng)的熱鍍鋅鋼絲提高了1倍。該創(chuàng)新點(diǎn)經(jīng)江蘇省經(jīng)信委鑒定，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

鋅鋁合金鍍層鋼絲與傳統(tǒng)熱鍍鋅鋼絲的鍍層抗腐蝕能力對比

1960MPa懸索橋主纜索股制作技術(shù)研究

針對1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲懸索橋主纜索股，由于強(qiáng)度性能的提高和鋅鋁合金鍍層的特點(diǎn)，可能影響到索股制造工藝和性能，特別是錨固工藝和性能，需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究和試驗(yàn)。首先需要研發(fā)合適的錨具結(jié)構(gòu)和錨固方法，并進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究，以實(shí)現(xiàn)主纜索股錨具錨固技術(shù)的可靠開發(fā)應(yīng)用。同時，需要進(jìn)行系統(tǒng)的索股制造工藝試驗(yàn)，檢驗(yàn)和確定合適的1960MPa鋼絲主纜索股的制作工藝。

錨具和錨固技術(shù)

根據(jù)國內(nèi)外懸索橋主纜錨固的經(jīng)驗(yàn)，虎門二橋1960MPa鋼絲和主纜索股研發(fā)應(yīng)用項(xiàng)目仍選擇熱鑄錨錨固方法，主要研究內(nèi)容包括錨具設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析，以及錨固工藝研究。

錨具選材及結(jié)構(gòu)尺寸。通過設(shè)計(jì)計(jì)算和有限元分析，選擇了錨具結(jié)構(gòu)和主要尺寸。該研究同時選取ZG310-570和ZG20Mn兩種鑄鋼材料，研究了不同的熱處理方式對材料顯微組織、力學(xué)性能(含低溫沖擊性能)和焊接性能的影響，以確定1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲索股的錨具材料。研究表明，ZG310-570鑄鋼經(jīng)正火+回火后的金相組織為鐵素體+珠光體構(gòu)成，晶粒度達(dá)7級以上；ZG20Mn鑄鋼經(jīng)“退火+調(diào)質(zhì)”處理后的金相組織為回火索氏體，晶粒度達(dá)9級以上。ZG20Mn鑄鋼經(jīng)熱處理后的屈服強(qiáng)度、延伸率高于ZG310-570鑄鋼，特別是室溫沖擊韌性較ZG310-570提高了4倍，為ZG20Mn，其低溫沖擊韌性也明顯優(yōu)于ZG310570鑄鋼，這對防止材料的低溫脆性有利。在以上研究基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的采用經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的ZG20Mn材料作為1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲主纜索股的錨具材料，并實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)。

錨固性能試驗(yàn)。由于1960MPa鋼絲強(qiáng)度提高兩個等級，且鋅鋁合金鍍層和鋅鍍層存在一些差異，為此進(jìn)行了1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲的單絲錨固試驗(yàn)和索股錨固試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋅鋁合金鍍層鋼絲和鍍鋅鋼絲與鋅銅合金的粘結(jié)力區(qū)別不大，滿足1960MPa等級鋅鋁合金鍍層鋼絲的錨固要求，可采用鋅銅合金熱鑄錨。通過對比試驗(yàn)確定了鋼絲有效錨固長度和索股錨固長度，保證鋼絲和索股可靠錨固。同時，還進(jìn)行了錨固助鍍、預(yù)熱灌鑄溫度控制等工藝試驗(yàn)，確定最佳工藝參數(shù)。為檢測127Φ5.0的1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲索股錨固結(jié)構(gòu)在加載狀態(tài)下的受力性能，對錨具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)錨杯無異常，鋅銅合金鑄體未破壞，滿足了破斷荷載≥95%的靜載要求。

主纜索股制作技術(shù)工藝。為保障主纜索股的質(zhì)量，根據(jù)1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲和索股特點(diǎn)，進(jìn)行了制索工藝和設(shè)備改進(jìn)。同時，進(jìn)行了系列索股試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了與高強(qiáng)度鋅鋁合金鍍層相適應(yīng)的制索工藝和生產(chǎn)線。為減少工地架設(shè)難度和工作量，項(xiàng)目自主研發(fā)了一種索鞍區(qū)域“工廠預(yù)先成型的索股”索股制造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)主索鞍、散索鞍段索股在工廠內(nèi)預(yù)制成矩形段。該技術(shù)采用多道雙層卡箍定型，預(yù)成型兩端過渡段采用鋼絲纏繞等方式，控制預(yù)成型段索股的形狀。通過工廠內(nèi)放索試驗(yàn)、入鞍試驗(yàn)以及以往項(xiàng)目預(yù)成型主纜索股制作經(jīng)驗(yàn)來看，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了主纜索股在現(xiàn)場架設(shè)直接入鞍，提高了索股的架設(shè)質(zhì)量和效率，有效保護(hù)了鋼絲表面鍍層，避免了采用鍍鋅鋼絲索股預(yù)成型技術(shù)編制鋅鋁合金鍍層鋼絲單元索股帶來的成型性差的缺點(diǎn)。

索股試驗(yàn)

為了確保我國和世界第一列特大懸索橋主纜1960MPa鋼絲和索股研發(fā)應(yīng)用項(xiàng)目絕對可靠，在鋼絲性能可靠的前提下，進(jìn)行了系統(tǒng)的索股試驗(yàn)研究，確保1960MPa鋼絲懸索橋主纜結(jié)構(gòu)安全應(yīng)用，為其他橋梁纜索應(yīng)用儲備性能。

靜載性能。委托中國船舶工業(yè)金屬結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測中心對12根鋅鋁合金鍍層鋼絲索股（三種應(yīng)用鋼絲各至少3根索股）和1根鍍鋅鋼絲索股進(jìn)行了軸向靜載性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，索股破斷載荷基本在100%或以上破斷載荷下破斷，索股的靜載性能滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

抗疲勞性能。在鋼絲疲勞試驗(yàn)合格的基礎(chǔ)上，3種應(yīng)用鋼絲各制作至少3根索股進(jìn)行動載疲勞試驗(yàn)，共抽取15條索股動載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果全部合格。

為了與國外優(yōu)質(zhì)盤條鋼絲比較，還分別選用進(jìn)口DLP盤條和國產(chǎn)EDC盤條鋼絲制作索股，進(jìn)行了應(yīng)力上限為40%抗拉強(qiáng)度、應(yīng)力幅值為200MPa、200萬次的索股疲勞試驗(yàn)和應(yīng)力上限為40%抗拉強(qiáng)度、應(yīng)力幅值為250MPa、300萬次的索股延壽疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明國產(chǎn)盤條和進(jìn)口優(yōu)質(zhì)品牌盤條鋼絲索股疲勞性能基本相似，不存在明顯差別。

抗滑移性能。根據(jù)鋅鋁合金鍍層鋼絲和鋅鍍層鋼絲主纜（索夾）抗滑移性能對比試驗(yàn)，鋅鋁合金鍍層比鋅鍍層鋼絲主纜抗滑移力低10%至12%，與高麗制鋼公司單絲摩阻系數(shù)試驗(yàn)結(jié)論一致，具有一定的參考價值。

放索試驗(yàn)。試驗(yàn)索按照虎門二橋坭洲水道橋主纜索股要求制作，長度為3100米，規(guī)格為1960MPa等級Φ5毫米×127絲鋅鋁合金鍍層鋼絲主纜索股。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，試制索股的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，保證了懸索橋使用鋅鋁合金鍍層鋼絲主纜索股制作和放索質(zhì)量。

鹽霧試驗(yàn)。通過鹽霧試驗(yàn)后測鍍層失重和力學(xué)性能變化的方法，對比兩種鍍層鋼絲的耐腐蝕性能。研究結(jié)果表明，在抗鹽霧腐蝕方面，熱鍍鋅鋁鍍層鋼絲是熱鍍鋅鋼絲的2倍以上，具有更長久的耐環(huán)境腐蝕能力。

首次實(shí)現(xiàn)1960MPa纜索3萬噸級實(shí)橋應(yīng)用

主纜索股錨具結(jié)構(gòu)尺寸

該項(xiàng)目針對超大跨徑橋梁建設(shè)對纜索強(qiáng)度、壽命性能提出的更高要求，系統(tǒng)研究了超高強(qiáng)度鋼絲拉拔、熱處理以及鍍層制備等生產(chǎn)技術(shù)，成功開發(fā)出纜索用1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲（其鋼絲抗拉強(qiáng)度≥1960MPa，扭轉(zhuǎn)次數(shù)≥14次，疲勞應(yīng)力上限達(dá)到0.45σb,應(yīng)力幅值達(dá)到510MPa。）并在此基礎(chǔ)上，通過選擇與鋼絲強(qiáng)度相適應(yīng)的高強(qiáng)度錨具材料，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，開發(fā)出成熟的1960MPa主纜索股錨固技術(shù)，1960MPa主纜索股的錨固效率達(dá)到95%以上。研制出的1960MPa索股的靜載性能良好，通過第三方檢測，最大靜荷載≥95%標(biāo)稱破斷荷載，靜載延伸率≥2%，彈性模量≥1.90×105MPa。）

完善了制索工藝，發(fā)明了一種懸索橋主纜用預(yù)制平行鋼絲預(yù)成型索股的制作方法（ZL201510906592.8），研制出了懸索橋主纜用1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲及索股，經(jīng)第三方權(quán)威鑒定技術(shù)水平達(dá)到國際領(lǐng)先。同時，完成1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲及主纜索股抗疲勞性能研究，1960MPa鍍層鋼絲及主纜索股抗疲勞性能優(yōu)異，1960MPa鍍層鋼絲經(jīng)美國檢測試驗(yàn)，動靜載性能優(yōu)于國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

主纜索股通過了應(yīng)力上限0.40σb，應(yīng)力幅為200MPa條件下，疲勞應(yīng)力循環(huán)次超過200萬次的動載試驗(yàn)。該創(chuàng)新成果增加了纜索強(qiáng)度，降低了纜索的重量，不僅可降低架設(shè)的難度，而且大大降低了工程的投資成本。該產(chǎn)品已成功應(yīng)用于虎門二橋，首次實(shí)現(xiàn)國際上1960MPa纜索項(xiàng)目3萬噸級實(shí)橋應(yīng)用。