張小丹，黃維樹 （安徽省交通控股集團(tuán)有限公司養(yǎng)護(hù)管理中心，安徽 合肥 230088）

懸索橋吊索是將加勁梁自重、外荷載傳遞到主纜的主要傳力構(gòu)件，是連接加勁梁和主纜的紐帶，主要承受軸向拉力，吊索在各種荷載的傳遞過(guò)程中有著非常重要的作用，是懸索橋的主要受力構(gòu)件之一。目前吊索主要是由錨頭、高強(qiáng)鋼絲束、叉形耳板組成，但是在交通量越來(lái)越大，加勁梁在交變荷載產(chǎn)生豎向反復(fù)波動(dòng)、在溫度變化時(shí)縱向伸縮，吊索在水氣、濕氣的影響下容易產(chǎn)生銹蝕，特別是在重交通量下交變荷載的頻率和幅度急劇變化的情況下，錨固位置更容易產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致鋼絲銹蝕、斷裂等病害，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了不少橋梁吊索更換的實(shí)例。

1 大橋概況

某跨長(zhǎng)江大橋左汊主橋?yàn)?×1080m三塔兩跨高速公路懸索橋，主梁為扁平流線型鋼箱梁，中塔為鋼-混凝土疊合塔，邊塔為混凝土塔，中塔高175m，邊塔高165m。建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為全封閉、全立交六車道高速公路，設(shè)計(jì)速度為100km/h，橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度為33.0m，瀝青混凝土路面。大橋于2013年12月建成通車，2016年7月通過(guò)交通運(yùn)輸部竣工驗(yàn)收。

大橋共2根主纜，采用預(yù)制平行鋼絲索股，每根主纜由154股索股組成，每股由91根直徑為5.2mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度不小于1770MPa，單根索股無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)3045.53m，重46.2t。吊索采用銷接式索夾，每個(gè)吊點(diǎn)設(shè)置2根吊索，吊索上端通過(guò)叉形耳板與索夾連接，下端通過(guò)叉形耳板與鋼箱梁上的錨板連接，每個(gè)吊點(diǎn)在梁端錨板位置設(shè)計(jì)預(yù)留孔，方便后期吊索更換，全橋共528根吊索，吊點(diǎn)間距16m。索體為預(yù)制平行鋼絲束，鋼絲采用φ5.0mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度不小于1670MPa，鋼絲束外擠包8.0mm，雙層PE進(jìn)行防護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)吊索均采用109根φ5.0mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，吊索上下端錨頭均采用叉形熱鑄錨頭。

2 短吊索主要病害及原因分析

吊索病害表征為吊索下錨端鋼套筒密封圈與錨杯間出現(xiàn)縫隙，且縫隙不斷增長(zhǎng)，吊索上下銷軸中心間距增大，吊索長(zhǎng)度存在增長(zhǎng)現(xiàn)象。吊索下套筒與錨杯連接位置防水性能失效，連接處螺紋銹蝕嚴(yán)重，熱鑄錨內(nèi)鋼絲有坑蝕現(xiàn)象，類似病害跨中短吊索居多（見(jiàn)圖1、圖2）。本次選取1根病害吊索進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析病害產(chǎn)生原因。

圖1 典型病害照片

圖2 病害發(fā)展示意圖

2.1 構(gòu)件銹蝕

通過(guò)外觀檢查發(fā)現(xiàn)，吊索病害主要為下錨端鋼套筒與錨杯連接處斷裂，解剖后發(fā)現(xiàn)下錨杯內(nèi)部不密實(shí)，局部位置存在空隙，導(dǎo)致錨杯內(nèi)腔濕氣侵入，鋼套筒與錨杯連接處鋼絲斷裂，且鋼絲斷口和鋼套筒銹蝕嚴(yán)重，銹蝕程度由下至上逐漸減弱。

2.2 銷軸與襯套

上下銷軸總體完整，表面磨損嚴(yán)重。上下襯套擠壓變形，磨損變形嚴(yán)重，局部位置破損，表面有部分固體潤(rùn)滑劑缺失和破損，且受壓區(qū)潤(rùn)滑劑損失嚴(yán)重（見(jiàn)圖3、圖4）。

圖3 銷軸典型病害照片

圖4 襯套典型病害照片

2.3 病害原因分析

①經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)，病害吊索大部分位于跨中處，且為短吊索，具有明顯的部位特征。病害吊索上下叉形耳板與吊索連接耳板間無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)痕跡（正常索轉(zhuǎn)動(dòng)痕跡明顯），同時(shí)下套筒與錨杯處出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象?？赡転殇N軸與襯套卡死致使叉形耳板不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，吊索受到彎折作用進(jìn)而使鋼套筒與錨杯連接處斷裂，造成錨杯內(nèi)進(jìn)水，鋼絲產(chǎn)生銹蝕。

②懸索橋跨中短吊索區(qū)域車輛行駛等作用引起的加勁梁豎向波動(dòng)，振動(dòng)較為明顯，溫度變化引起縱向位移，吊索偏轉(zhuǎn)振幅比較大，吊索在荷載的作用下，存在應(yīng)力反復(fù)變化情況。同時(shí)，由于跨中吊索長(zhǎng)度較短，其應(yīng)力對(duì)縱向位移極為敏感，因此，跨中短吊索始終處在一個(gè)高應(yīng)力幅的疲勞荷載作用下，反復(fù)的振動(dòng)和偏轉(zhuǎn)加速了吊索鋼套筒、下錨杯等連接位置處的變形和損壞而產(chǎn)生縫隙，防水失效，水氣侵入后造成鋼絲銹蝕，吊索鋼絲產(chǎn)生疲勞破壞。

總體來(lái)看，病害原因主要為短吊索在疲勞荷載作用下叉形耳板與銷軸不能轉(zhuǎn)動(dòng)情況下，致使鋼套筒斷裂脫開(kāi)，防水性能失效，鋼絲在彎折和銹蝕作用下導(dǎo)致部分鋼絲斷裂。

3 優(yōu)化思路

新吊索優(yōu)化部位是根據(jù)病害吊索檢查結(jié)果和病害產(chǎn)生的原因分析，主要針對(duì)上下錨固端的錨杯、鋼套筒、銷軸、襯套及防水罩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，新吊索索體規(guī)格與原設(shè)計(jì)保持一致，均采用109根φ5.0mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲。

3.1 上下錨端優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.1 下錨頭優(yōu)化設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖5）

圖5 下錨端優(yōu)化設(shè)計(jì)

①襯套：銷軸與梁端錨板接觸面采用錫青銅材料襯套不變，錫青銅襯套潤(rùn)滑性能好，但抗變形能力不足。優(yōu)化后銷軸與連接叉耳板接觸面增加DU復(fù)合材料襯套，銷軸與梁端錨板接觸面采用錫青銅材料襯套不變。錫青銅襯套潤(rùn)滑性能好，但抗變形能力不足，銷軸與連接叉耳板接觸面增加DU材料襯套，DU材料襯套滑動(dòng)面采用四氟板膜，耐磨耗性能不足，但抗變形能力強(qiáng)。二者并用，利于銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，能延長(zhǎng)銷軸和襯套壽命。

②銷軸：原銷軸由定位板固定在叉耳板上，優(yōu)化后銷軸長(zhǎng)度縮短至與叉耳板孔厚度一致，銷軸不外露，銷軸兩端用擋板限位，銷軸與叉耳板不固定，增加銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)性能，利用錫青銅材料襯套、DU復(fù)合材料襯套、銷軸互動(dòng)，增加吊索連接部位的轉(zhuǎn)動(dòng)性能，延長(zhǎng)吊索壽命。

③錨杯：由原設(shè)計(jì)材料ZG310-570優(yōu)化為40Cr，通過(guò)錨杯材料優(yōu)化改善錨杯口力學(xué)性能。

④鋼套筒：由原設(shè)計(jì)鋼套筒嵌入錨杯口28mm優(yōu)化為錨杯口嵌入鋼套筒45mm，鋼套筒厚度由原設(shè)計(jì)12.5mm優(yōu)化為23.5mm。鋼套筒與錨杯連接形式由內(nèi)嵌改為外包，有利于提升結(jié)構(gòu)防水性能，提高鋼套筒抗彎能力，并減緩錨杯、鋼護(hù)筒變形。

⑤增加密封罩：原設(shè)計(jì)無(wú)密封罩，優(yōu)化后于鋼套筒上端增加密封罩，提高下錨頭防水性能。

3.1.2 上錨端優(yōu)化設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖6）

圖6 上錨端優(yōu)化設(shè)計(jì)

①銷軸、襯套、錨杯材質(zhì)優(yōu)化與上錨頭相同。

②鋼套筒：由原設(shè)計(jì)鋼套筒嵌入錨杯口28mm優(yōu)化為鋼套筒嵌入錨杯口46mm，鋼套筒厚度由原設(shè)計(jì)12.5mm優(yōu)化為18mm。增加鋼套筒嵌入錨固長(zhǎng)度和厚度，有利于提升結(jié)構(gòu)防水性能，提高鋼套筒抗彎能力，并減緩錨杯、鋼護(hù)筒變形。

3.1.3 新舊吊索優(yōu)化前后對(duì)比表及圖片

見(jiàn)表1、圖7。

新舊吊索優(yōu)化前后對(duì)比表 表1

圖7 新舊吊索對(duì)比圖片

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)吊索構(gòu)造優(yōu)化，新吊索相比舊吊索安全性及耐久性均有提高。一方面新吊索銷軸與叉耳板接觸面增加了DU復(fù)合材料襯套，銷軸改為可轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)襯套與銷軸聯(lián)動(dòng)，利于吊索連接處轉(zhuǎn)動(dòng)，有效解決短吊索疲勞問(wèn)題。另一方面新吊索改進(jìn)了下錨頭與鋼套筒錨固構(gòu)造，增加了構(gòu)件剛度，提高抗變形能力，錨頭與鋼套筒連接形式增加防水功能，增設(shè)防水密封罩，能有效解決下錨頭與鋼套筒連接部位防水問(wèn)題。此吊索優(yōu)化思路可以為后續(xù)懸索橋吊索的更換提供借鑒。