吳國強， 鄒敏勇

（中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430056）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟持續(xù)快速增長，我國斜拉橋建設(shè)蓬勃發(fā)展，國內(nèi)陸續(xù)建成蘇通長江公路大橋、天興洲公鐵兩用長江大橋、銅陵公鐵兩用長江大橋等具有世界影響力的大跨度斜拉橋工程［1-3］。斜拉橋設(shè)計建造技術(shù)理論日臻成熟，因剛度大、跨越能力強、對建設(shè)條件適應(yīng)性好等優(yōu)點成為大跨度鐵路橋、公鐵兩用橋的主力橋型。斜拉索兩端分別連接主塔、主梁，將主梁索承受荷載傳遞至主塔直至基礎(chǔ)，對斜拉橋結(jié)構(gòu)安全起到至關(guān)重要的作用，斜拉索設(shè)計是斜拉橋設(shè)計建造的關(guān)鍵內(nèi)容。

新建商合杭高鐵蕪湖長江公鐵大橋主橋為主跨588 m的公鐵兩用斜拉橋［4］，受橋位附近軍用機場飛行凈空限制，其橋面以上有效塔高僅為常規(guī)斜拉橋的一半，運營狀態(tài)下斜拉索單索最大索力達16 000 kN，是世界范圍內(nèi)單索索力最大的斜拉索。傳統(tǒng)的1 670 MPa、1 770 MPa 甚至 1 860 MPa 平行鋼絲斜拉索難以滿足工程實際要求，需研制標準抗拉強度2 000 MPa 以上、索規(guī)格547 絲以上的超高強度、超大噸位預(yù)制平行鋼絲斜拉索。

1 工程概況

商合杭高鐵蕪湖長江公鐵大橋是新建商丘—合肥—杭州高鐵的關(guān)鍵性控制工程，大橋位于已建蕪湖長江大橋上游3.5 km處，采用商合杭高鐵、市域軌道交通與市政道路共4 線鐵路6 車道城市主干路共通道建設(shè)。大橋主橋采用（99.3+238+588+224+85.3）m=1 234.6 m 高低矮塔鋼桁梁斜拉橋（見圖1），為充分利用被限制的凈空高度，兩主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計為門字形高、低矮塔，主梁設(shè)計為2片主桁的箱桁組合結(jié)構(gòu)［4］。

圖1 商合杭高鐵蕪湖長江公鐵大橋橋式布置圖

蕪湖長江公鐵大橋全橋共有斜拉索304根，在高塔與低塔兩側(cè)各布置有21 對、17 對斜拉索，塔上索間距2.0 m，梁上索間距14.0 m，梁端每個錨固位置布置有2 根斜拉索。斜拉索采用鋼絲直徑為7 mm、標準抗拉強度為2 000 MPa 的預(yù)制平行鋼絲斜拉索，索規(guī)格為211φ7～547φ7 共 10 種 ， 斜 拉 索 制 造 長 度 48.087～320.969 m，最小索質(zhì)量3.27 t，最大索質(zhì)量56.33 t。主力和附加力組合作用下單根斜拉索最大索力16 000 kN。斜拉索梁端錨固采用設(shè)置在下弦鋼箱內(nèi)的鋼錨箱，塔端錨固則采用鋼錨梁。

2 斜拉索選型設(shè)計

2.1 選型

目前斜拉索主要分為平行鋼絲斜拉索和鋼絞線斜拉索2種［5］，2者最大區(qū)別是平行鋼絲斜拉索廠內(nèi)預(yù)制后運輸至現(xiàn)場再進行掛設(shè)張拉，而鋼絞線斜拉索則是現(xiàn)場牽引張拉單根鋼絞線后再將多根鋼絞線、PE套筒、兩端錨具組拼而成。鋼絞線斜拉索鋼絲標準抗拉強度通常為1 860 MPa，而預(yù)制平行鋼絲斜拉索鋼絲標準抗拉強度通常為 1 670、1 770 MPa［6］，1 860 MPa 的平行鋼絲斜拉索也有少量工程應(yīng)用［7］。

平行鋼絲斜拉索相較于鋼絞線斜拉索有以下優(yōu)點：

（1）索體直徑小。在同等鋼絲強度下鋼絞線斜拉索索體迎風(fēng)面積比平行鋼絲斜拉索大50%，對于大跨度斜拉橋而言，減小索體直徑可降低風(fēng)荷載作用下主梁變形，如蕪湖長江公鐵大橋可將風(fēng)荷載作用下主梁橫向變形降低30%。

（2）索體受力均勻。平行鋼絲斜拉索為工廠制造，現(xiàn)場整索張拉、調(diào)整，鋼絲受力均勻可靠，而鋼絞線斜拉索則采用現(xiàn)場逐根牽引、張拉的施工工藝，方便施工的同時產(chǎn)生每股鋼絞線初始狀態(tài)不一致、索力張拉不均勻的問題。

（3）質(zhì)量穩(wěn)定，防腐性能優(yōu)。平行鋼絲斜拉索制造及索體、錨具密封均為廠內(nèi)標準化預(yù)制，而鋼絞線斜拉索是現(xiàn)場將半成品張拉組拼為成品，與空氣接觸概率大、成品質(zhì)量一致性差。

基于以上原因，結(jié)合項目建設(shè)條件及結(jié)構(gòu)受力特點，選用綜合性能更優(yōu)的預(yù)制平行鋼絲斜拉索。

標準抗拉強度2 000 MPa 平行鋼絲斜拉索與抗拉強度1 860 MPa平行鋼絲斜拉索相比有以下優(yōu)點：

（1）減小索體直徑、迎風(fēng)面積及索體承受風(fēng)荷載，改善結(jié)構(gòu)受力。

（2）用鋼量減少8%，經(jīng)濟性能較優(yōu)。

（3）最大單索索體質(zhì)量可從61 t 降低為56 t，運輸和掛設(shè)更為方便。

綜上所述，在綜合考慮我國目前平行鋼絲斜拉索技術(shù)生產(chǎn)水平和既有研究成果的基礎(chǔ)上，確定平行鋼絲抗拉強度等級采用2 000 MPa。

2.2 鋼絲技術(shù)條件

橋梁纜索用鋼絲需要在保證抗拉強度基礎(chǔ)上同時具有較好的塑性、韌性［8-9］。鋼絲關(guān)鍵技術(shù)指標抗拉強度表征鋼絲總體承載能力；扭轉(zhuǎn)試驗中扭轉(zhuǎn)次數(shù)直接反應(yīng)鋼絲扭轉(zhuǎn)性能，同時也是表征鋼絲材質(zhì)、成品質(zhì)量與制造工藝的重要指標；硫酸銅試驗指標則反映鋼絲表面鋅鋁鍍層均勻性，是鋼絲耐久性重要保證。蕪湖長江公鐵大橋結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，鋼絲綜合性能要求較高，鋼絲部分關(guān)鍵技術(shù)要求見表1，其余與現(xiàn)行規(guī)范中1 770 MPa鋼絲技術(shù)要求相同。

表1 2 000 MPa級斜拉索用鋼絲技術(shù)要求

2.3 錨具設(shè)計

錨具是斜拉索與塔、梁連接的構(gòu)件，由錨杯、分絲板、螺母等主要受力構(gòu)件和連接筒防護構(gòu)件組成［10］。實橋運營中通過鋼絲與冷鑄錨填料的錨固作用，索力從索體傳遞給錨具，因此應(yīng)根據(jù)不同拉索承載索力配套相應(yīng)錨具，斜拉索采用更高強度鋼絲時，相同規(guī)格拉索能夠承載更大荷載，原有錨具不能滿足受力要求，需要對2 000 MPa平行鋼絲斜拉索錨具材質(zhì)與結(jié)構(gòu)進行研究。

2.3.1 錨具材質(zhì)

斜拉索錨具材質(zhì)要求具有較高的強度、韌性和機加工性能，通常選用合金結(jié)構(gòu)鋼。設(shè)計研究對40Cr、35CrMo、42CrMo 共3 種合金結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)進行對比分析（見表2）。

通過表2數(shù)據(jù)研究分析42CrMo比40Cr和35CrMo強度高，同時淬火后表面硬度較高，且能滿足切削加工要求，考慮錨具結(jié)構(gòu)尺寸緊湊性，最終確定2 000 MPa 超高強度斜拉索錨杯材料為42CrMo，螺母材料為35CrMo。

表2 40Cr、35CrMo、42CrMo力學(xué)性能

2.3.2 錨具結(jié)構(gòu)設(shè)計

對錨杯內(nèi)小端孔徑、大端孔徑、握股長度、錨杯內(nèi)腔錐度、平均壁厚等關(guān)鍵參數(shù)進行計算分析，綜合結(jié)構(gòu)安全、錨固尺寸、經(jīng)濟性等因素，確定2 000 MPa級斜拉索錨具的結(jié)構(gòu)與尺寸，1 670 MPa 與2 000 MPa平行鋼絲斜拉索錨具尺寸對比情況見表3。

表3 不同強度等級下拉所錨杯尺寸對比

從上表數(shù)據(jù)看出錨杯外徑和長度隨鋼絲強度增大有所增加，增大錨杯長度能提供足夠空間供鋼絲在錨杯內(nèi)發(fā)散，保證環(huán)氧填料能更加均勻填充在鋼絲縫隙中，保證拉索錨固性能。此外2 000 MPa 平行鋼絲斜拉索錨具著重注意細節(jié)部位處理，如采用圓角過渡，控制圓角半徑以降低應(yīng)力集中；提高表面及圓角處光潔度可提高表面質(zhì)量，增大材料疲勞強度。2 000 MPa 平行鋼絲斜拉索錨杯三維結(jié)構(gòu)見圖2。

2.3.3 冷鑄錨填料

圖2 錨杯三維結(jié)構(gòu)圖

斜拉索兩端采用冷鑄錨具通過冷鑄填料經(jīng)灌注固化工藝與鋼絲固結(jié)成承載件，冷鑄錨填料是確保冷鑄錨可靠性的關(guān)鍵單元。當(dāng)前標準對冷鑄填料強度要求為常溫下應(yīng)達到147 MPa，該要求主要針對1 670 MPa或1 770 MPa 平行鋼絲斜拉索。在2 000 MPa 斜拉索冷鑄錨錨固中，研究采用強度在170 MPa以上的新型冷鑄錨填料，該填料同時具有更好的熱穩(wěn)定、耐老化、灌注流動性。

2.3.4 錨具粉末滲鋅防護

斜拉索兩端錨具屬于易腐蝕部件，常規(guī)斜拉索錨具采用熱噴涂鋅、電底及熱浸鍍鋅工藝，2 000 MPa 斜拉索錨具設(shè)計采用簡單環(huán)保、涂層均勻、耐磨損、耐腐蝕等性能更優(yōu)的粉末滲鋅防護工藝。

2.3.5 錨固區(qū)結(jié)構(gòu)密封防腐

斜拉索索體與錨具結(jié)合部位是整個防腐體系的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是梁端錨固區(qū)，如果索導(dǎo)管端部防水結(jié)構(gòu)密封失效，索導(dǎo)管將發(fā)生積水并滲入索體、錨具及結(jié)合部位，嚴重影響斜拉索結(jié)構(gòu)的使用壽命。目前索導(dǎo)管部位用油脂、聚氨酯泡沫等耐蝕材料填充，力圖通過密封、填充方式阻止或延緩腐蝕源進入鋼絲與錨具結(jié)構(gòu)。從應(yīng)用效果看2種方法仍不能較好地阻斷雨水進入索導(dǎo)管。

蕪湖長江公鐵大橋斜拉索設(shè)計采用新的斜拉索錨固區(qū)密封防腐體系（見圖3），該體系使用固化為彈性體的聚硫防腐密封膠和不干性膏狀丁基防腐密封膠為主要防護材料，結(jié)合不銹鋼防雨罩構(gòu)成索導(dǎo)管多層密封防腐體系。在運營狀態(tài)下，布置在索導(dǎo)管上端的雙層聚硫防腐密封膠可隨索體變形，保證索體與索導(dǎo)管間填充密實可靠，錨頭位置防護罩內(nèi)填充不干性密封膠以保證錨頭內(nèi)填充密閉。

圖3 錨固區(qū)密封防腐體系示意圖

2.4 斜拉索設(shè)計

采用φ7 mm、標準抗拉強度2 000 MPa平行鋼絲拉索。斜拉索采用雙索面位置，共計有76 對、304 根斜拉索。在上下游各錨點位置并排布置2根拉索，并排拉索梁端中心線間距1.2 m，塔端中心線間距1.98 m。全橋共有 211φ7、265φ7、313φ7、379φ7、421φ7、451φ7、475φ7、499φ7、511φ7、547φ7 共 10 種規(guī)格斜拉索（索體橫斷面示意見圖4）。單根斜拉索最小制造長度48.087 m、最大制造長度320.969 m；索體最小索質(zhì)量3.27 t、最大索質(zhì)量56.33 t（含保護層）。

圖4 索體斷面示意圖（547φ7）

3 試驗研究

3.1 鋼絲力學(xué)性能試驗

采用微合金化、索氏體含量較高的高強度熱軋盤條，結(jié)合合適的鋼絲拉拔、熱鍍、穩(wěn)定化處理技術(shù)進行2 000 MPa 級高強度鋼絲試制，并對以上試制鋼絲進行相關(guān)試驗檢驗，包括拉伸、扭轉(zhuǎn)、反復(fù)彎曲、抗疲勞、抗松弛、纏繞、直線性試驗，以及鍍層質(zhì)量、鍍層均勻性檢驗。鋼絲3種力學(xué)性能試驗見圖5。

試驗結(jié)果表明，鋼絲抗拉強度2 015～2 044 MPa，屈服強度1 810～1 840 MPa，反復(fù)彎曲6～8 次，扭轉(zhuǎn)9～21 次，其余各項力學(xué)性能指標也滿足2 000 MPa 鋼絲技術(shù)條件要求，試制鋼絲具備良好的強度、韌性、塑性等力學(xué)性能。

3.2 成品索力學(xué)性能研究

圖5 鋼絲3種力學(xué)性能試驗

選取265φ7 與547φ7 各1 組斜拉索進行靜載破壞試驗（見圖6），2組斜拉索破斷荷載均大于鋼絲公稱破壞荷載的95%，試件在錨頭間被拉斷，索體延伸率、彈性模量、斷絲率等均滿足標準要求，試驗索卸載后進行索體解剖檢驗、錨具檢查未發(fā)現(xiàn)斷絲，護套、錨具目視無明顯損傷。試驗結(jié)果表明2 000 MPa 平行鋼絲斜拉索滿足靜載性能試驗要求，具有良好的靜載性能。

圖6 547φ7斜拉索靜載性能試驗

選取265φ7 斜拉索為試驗索進行200 萬次彎曲疲勞試驗，應(yīng)力上限0.45σb，應(yīng)力幅250 MPa，疲勞試驗過程中試驗索無斷絲，錨具、護套無可見損傷。對疲勞試驗后的試驗索進行靜載性能試驗，加載至0.95 倍破斷荷載，卸載后進行索體解剖檢驗、錨具檢查，發(fā)現(xiàn)平行鋼絲索未斷絲，護套、錨具目視無明顯損傷。試驗結(jié)果表明2 000 MPa 平行鋼絲斜拉索滿足彎曲疲勞試驗要求，具有良好抗疲勞性能。

3.3 水密性試驗

對經(jīng)過彎曲疲勞試驗及疲勞后靜載試驗的265φ7規(guī)格試驗索進行靜態(tài)、動態(tài)水密性試驗，試驗后解剖索體及錨具連接部位，目測無進水現(xiàn)象，試驗結(jié)果表明斜拉索具有良好的水密性。水密性試驗后索體及錨具解剖見圖7。

圖7 水密性試驗后索體及錨具解剖

4 并排拉索振動控制

斜拉索在風(fēng)、風(fēng)雨及交通荷載作用下，極容易發(fā)生風(fēng)雨振、弛振及參數(shù)振動等大幅度索體振動，進而導(dǎo)致錨固端疲勞或錨頭腐蝕。對于參數(shù)振動與風(fēng)雨振可采用成熟的“外置式阻尼器+索導(dǎo)管內(nèi)高阻尼橡膠減振器+索體表面設(shè)置雙螺旋線”綜合措施加以控制［11］。蕪湖長江公鐵大橋采用并列拉索布置，索間距較?。ㄋ藱M向間距1.98 m、梁端橫向間距1.2 m），易發(fā)生尾流馳振，需針對此類振動進行試驗研究并確定減振措施［12］。

風(fēng)洞試驗選取最長的GS21 號斜拉索（索規(guī)格547φ7，制造長度320.969 m），通過對不采取減振措施下 不 同 風(fēng) 攻 角 （0° 、 3° 、 5°）、 不 同 風(fēng) 偏 角（0°、±10°、±20°、±30°）的并列拉索縮尺風(fēng)洞模型試驗［13］，發(fā)現(xiàn)風(fēng)攻角+5°、風(fēng)偏角+10°、下游拉索在起振風(fēng)速為37.4 m/s 時，開始發(fā)生1 階大幅尾流馳振現(xiàn)象，此時索跨橫向、豎向加速度響應(yīng)分別為79.13、70.70 m/s2， 橫 向 、 豎 向 位 移 響 應(yīng) 分 別 為 61.4、58.8 mm，隨風(fēng)速增大，其振幅繼續(xù)增加后趨于穩(wěn)定。說明蕪湖長江公鐵大橋并排拉索在較低起振風(fēng)速下可能發(fā)生尾流馳振，需要采用相應(yīng)減振措施。下游拉索1/2跨前3階模態(tài)位移響應(yīng)見圖8。

圖8 下游拉索1/2跨前3階模態(tài)位移響應(yīng)（風(fēng)攻角為+5°，風(fēng)偏角為+10°）

針對單根剛性連接桿、3根剛性連接桿、柔性連接桿、增大阻尼減振措施進行風(fēng)洞試驗，結(jié)果表明：單純增加阻尼不能降低尾流馳振，甚至可能產(chǎn)生反效果；剛性連接桿比彈性連接桿減振效果更好；多根剛性連接桿比加1根剛性連接桿減振效果更優(yōu)，工程實踐中根據(jù)研究結(jié)果采用多根剛性連接桿的尾流馳振減振措施。并排拉索尾流馳振減振措施風(fēng)洞試驗見圖9。

圖9 并排拉索尾流馳振減振措施風(fēng)洞試驗

5 結(jié)束語

為減小索體直徑、錨具尺寸，減輕單索質(zhì)量，商合杭高鐵蕪湖長江公鐵大橋在國內(nèi)外首次設(shè)計采用547絲2 000 MPa 級超高強度超大噸位平行鋼絲斜拉索，斜拉索最大破斷力達42 102 kN。設(shè)計過程中對超大噸位斜拉索設(shè)計選型、2 000 MPa 級平行鋼絲技術(shù)條件、超大噸位斜拉索錨具、并排拉索振動控制等關(guān)鍵技術(shù)問題開展研究，通過試制鋼絲力學(xué)性能試驗、試驗索靜載及疲勞性能試驗、并排拉索節(jié)段模型試驗驗證斜拉索的錨固性能、靜載及疲勞力學(xué)性能，提出并驗證控制并排拉索振動的相關(guān)措施。研究結(jié)果表明2 000 MPa 級超高強度超大噸位平行鋼絲斜拉索性能滿足使用要求，能夠應(yīng)用于實橋。商合杭高鐵蕪湖長江公鐵大橋已于2014 年12 月開工，于2019 年5 月鋼梁合龍并完成全部斜拉索掛設(shè)，預(yù)計2020年6月通車。