李明鵬

(重慶萬(wàn)橋交通科技發(fā)展有限公司，重慶 401336)

懸索橋是以纜索為主要承重結(jié)構(gòu)的橋梁，由主纜、索塔、錨碇、吊索、加勁梁等構(gòu)件組成，具有受力性能好、跨越能力大、抗震能力強(qiáng)、輕巧美觀、結(jié)構(gòu)形式多樣及對(duì)地形適應(yīng)能力強(qiáng)[1-2]等特點(diǎn)，在現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，已成為特大跨度橋梁的首選橋型。

近年來(lái),隨著鋼材冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼絲抗拉強(qiáng)度從早期的1 570 MPa發(fā)展到超過(guò)2 000 MPa。對(duì)大跨徑斜拉橋，采用更高強(qiáng)度的斜拉索既可減小其直徑，又可降低結(jié)構(gòu)橫風(fēng)位移，這不僅能夠滿足超大跨度鐵路或公鐵兩用斜拉橋重載的需求，還能節(jié)約拉索鋼絲用量，降低斜拉索造價(jià)[3-4]。目前已建成的商合杭蕪湖長(zhǎng)江大橋及主跨1 092 m的滬通長(zhǎng)江大橋均采用了2 000 MPa平行鋼絲斜拉索[5-6]，未來(lái)將有更多的跨江大橋采用2 000 MPa平行鋼絲拉索。

隨著懸索橋跨徑及荷載的不斷上升，更高強(qiáng)度的主纜索股的研制與應(yīng)用勢(shì)在必行。目前已通車(chē)的南沙大橋坭洲水道橋(主跨1 688 m)、楊泗港長(zhǎng)江大橋(主跨1 700 m)為國(guó)內(nèi)率先采用1 960 MPa鋼絲主纜的懸索橋。在建的連鎮(zhèn)鐵路五峰山長(zhǎng)江大橋?yàn)閲?guó)內(nèi)荷載最重的公鐵兩用懸索橋，采用1 860 MPa鍍鋅高強(qiáng)鋼絲主纜，主纜擠圓后直徑達(dá)1.3 m，為國(guó)內(nèi)主纜直徑最大的懸索橋[7]。目前2 000 MPa級(jí)鋼絲生產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟，若要進(jìn)一步提高懸索橋的跨越和承載能力，則需減輕索股的自重[8]，為此，本文對(duì)2 000 MPa主纜索股的靜載、動(dòng)載、抗滑移、抗腐蝕等性能進(jìn)行研究。

1 2 000 MPa主纜索股靜動(dòng)載試驗(yàn)

1.1 靜載試驗(yàn)

1) 試驗(yàn)?zāi)康模簷z驗(yàn)所使用的材料、工藝制作的成品主纜索股的靜載性能是否達(dá)到規(guī)定要求。

2) 試驗(yàn)依據(jù)：GB/T 36483—2018《懸索橋用主纜平行鋼絲索股》。

3) 試驗(yàn)內(nèi)容：試驗(yàn)索分2種規(guī)格，每3根為1組。試件錨具兩端面之間的距離為4.3 m，試驗(yàn)中測(cè)定索股的靜載破斷荷載、抗拉彈性模量、靜載破斷延伸率、鑄體回縮值和鑄體材料密實(shí)度，觀察試件的破壞形式及記錄斷絲情況[9]。靜載試驗(yàn)如圖1所示。

圖1 2 000 MPa主纜索股靜載試驗(yàn)

4) 試驗(yàn)過(guò)程：試驗(yàn)中用經(jīng)緯儀觀測(cè)試驗(yàn)索張拉端索長(zhǎng)的變化量，用游標(biāo)卡尺測(cè)量張拉端錨具鑄體材料內(nèi)縮值，用百分表觀測(cè)固定端錨具鑄體材料回縮值。(1) 當(dāng)試驗(yàn)加載至0.6Pb后，卸載至0.1Pb, 觀察錨具是否異常并測(cè)量錨杯回縮值，判斷錨具的強(qiáng)度儲(chǔ)備是否足夠；(2) 當(dāng)加載至0.95Pb時(shí)，測(cè)量索股伸長(zhǎng)量及錨具的內(nèi)縮值，計(jì)算索股極限伸長(zhǎng)率，并觀察索股內(nèi)鋼絲的斷絲情況；(3) 靜載試驗(yàn)后剖面檢查索股錨頭及錨杯內(nèi)鋅銅合金的澆鑄密實(shí)度。2 000 MPa主纜索股靜載試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 2 000 MPa主纜索股靜載試驗(yàn)結(jié)果

從表1可知，在達(dá)到索股破斷荷載時(shí)，索股極限延伸率、鋼絲斷絲率及效率系數(shù)均滿足規(guī)范要求，索股錨具結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度合理。

1.2 動(dòng)載試驗(yàn)

目的是檢驗(yàn)2 000 MPa主纜索股的疲勞性能[10]，通過(guò)觀察和記錄斷絲情況及鑄體材料密實(shí)度，驗(yàn)證主纜索股制作工藝的科學(xué)性、適用性。動(dòng)載試驗(yàn)索與靜載試驗(yàn)索設(shè)備相同，動(dòng)載試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 2 000 MPa主纜索股動(dòng)載試驗(yàn)

試驗(yàn)按照載荷上限2 414 kN、下限1 810 kN的要求進(jìn)行200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)，在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中保證荷載峰值不小于2 414 kN，荷載谷值不大于1 810 kN，疲勞試驗(yàn)加載波形為正弦波形，加載頻率為 1.6 Hz。動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 2 000 MPa主纜索股動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

由表2主纜索股動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果表明，2 000 MPa主纜索股在經(jīng)過(guò)200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后，索股斷絲為0，疲勞后的拉伸試驗(yàn)效率系數(shù)超過(guò)95%，動(dòng)載試驗(yàn)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

2 抗滑移試驗(yàn)

懸索橋的主纜通過(guò)吊桿與橋面連接，吊桿與主纜通過(guò)索夾連接。索夾抗滑力不足會(huì)導(dǎo)致索夾在主纜上滑移，滑移后將改變吊索狀態(tài),使豎直索變成斜吊索。索一旦發(fā)生滑移將改變主梁的受力狀態(tài)及吊索的內(nèi)力，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，而且索夾在主纜上的滑移會(huì)刻傷主纜纏絲，損壞防銹層,進(jìn)而使纏絲破壞，導(dǎo)致主纜損傷[11-12]。索夾和鋼絲之間的摩擦力由螺栓緊固力和抗滑摩阻系數(shù)決定，螺栓緊固力與主纜強(qiáng)度無(wú)關(guān)，因此抗滑摩阻系數(shù)的大小很關(guān)鍵。為了保證索夾在主纜上不出現(xiàn)滑移，需測(cè)定2 000 MPa鍍鋅鋁鋼絲的抗滑摩阻系數(shù)。

試驗(yàn)采用Φ5.5-127預(yù)制平行鋼絲索股，長(zhǎng)度為9 m，截面按主纜實(shí)際截面制作?？够圃囼?yàn)示意如圖3所示。試驗(yàn)索一端安裝索夾，索夾為C 型索夾( 8孔)，長(zhǎng)度600 mm，共配8個(gè)高強(qiáng)雙頭螺栓；另一端為主纜錨具，錨具端安裝穿心式千斤頂和測(cè)力傳感器，用千斤頂產(chǎn)生的頂推力模擬索夾在主纜上的下滑力，其值由傳感器讀取。當(dāng)頂推力逐漸增大至試驗(yàn)索夾開(kāi)始滑移，此時(shí)所測(cè)的推力值為索夾與主纜之間的最大抗滑力，索夾的抗滑摩阻系數(shù)公式可由下式計(jì)算：

(1)

式中：μ為抗滑摩阻系數(shù)；F為索夾開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)千斤頂頂推力，kN；Q為索夾滑動(dòng)時(shí)螺栓的預(yù)緊力，kN；m為緊固壓力的不均勻系數(shù)，取2.8。3組重復(fù)試驗(yàn)測(cè)得的主纜抗滑移試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

經(jīng)公式(1)計(jì)算，3組抗滑移試驗(yàn)所測(cè)的索夾抗滑移系數(shù)均大于0.3，大于規(guī)范取值0.15，滿足規(guī)范要求。

圖3 2 000 MPa主纜索股抗滑移試驗(yàn)示意

表3 主纜索股抗滑移試驗(yàn)結(jié)果

3 抗腐蝕試驗(yàn)

近年來(lái)，隨著防腐技術(shù)的不斷提升，懸索橋主纜鋼絲表面鍍層大多采用鋅鋁合金。鋅鋁鍍層的抗腐蝕能力比傳統(tǒng)的熱鍍鋅鋼絲強(qiáng)，鹽霧試驗(yàn)表明，鋅鋁合金鍍層在同等厚度情況下，抗腐蝕壽命是熱鍍鋅層的2倍以上。2 000 MPa主纜索股鋼絲的抗拉強(qiáng)度及鍍層均有改變，因此可通過(guò)自然狀態(tài)及加速狀態(tài)下的鹽霧試驗(yàn)，研究2 000 MPa主纜索股的抗腐蝕性能。

3.1 自然腐蝕試驗(yàn)

自然腐蝕試驗(yàn)是將鋼絲及索股暴露于自然環(huán)境中，通過(guò)定期觀察鋼絲及索股的銹蝕狀況以評(píng)價(jià)其抗腐蝕性能。將長(zhǎng)度為2 m、抗拉強(qiáng)度為2 000 MPa的鍍鋅鋁鋼絲索股3根，在試驗(yàn)園區(qū)內(nèi)進(jìn)行自然腐蝕試驗(yàn)，鋼絲索股試件如圖4所示。

自然腐蝕試驗(yàn)歷時(shí)1年，鍍鋅鋁鋼絲及鋼絲索股外觀無(wú)明顯變化，歷時(shí)3年，鋼絲表面泛白，未見(jiàn)明顯腐蝕。

圖4 2 000 MPa主纜索股自然腐蝕試驗(yàn)

3.2 人工加速腐蝕試驗(yàn)

由于主纜在自然環(huán)境中受到多種復(fù)雜因素的綜合作用，因而要更真實(shí)地再現(xiàn)材料在自然大氣中的腐蝕，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)預(yù)測(cè)材料大氣腐蝕行為及腐蝕規(guī)律，必須盡可能地將大氣中的環(huán)境因素綜合起來(lái)考慮，為此本試驗(yàn)采取最接近自然環(huán)境腐蝕的多因子循環(huán)復(fù)合腐蝕試驗(yàn)方法。

主纜鋼絲受大氣中氧氣、硫化物、氮氧化物、氯化物、酸雨pH值等成分和溫度、紫外線等因素影響，會(huì)在大氣環(huán)境中發(fā)生腐蝕[13-15]。實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)是模擬主纜索股所處自然界環(huán)境，以人工配制鹽溶液來(lái)模擬酸雨、酸霧等大氣腐蝕成分，其中包括了硫化物、氮氧化物、氯化物等腐蝕化學(xué)成分，還模擬了溫度變化、紫外線等環(huán)境因素對(duì)主纜索股的影響。

盡管鋼絲在出廠時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了加速腐蝕試驗(yàn)，但為了進(jìn)一步驗(yàn)證2 000 MPa的鍍鋅鋁鋼絲的抗腐蝕性能，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了人工加速腐蝕試驗(yàn)。該試驗(yàn)參照GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》，在ZHS-030多功能氣候環(huán)境試驗(yàn)箱中進(jìn)行，腐蝕試劑為中性NaCl溶液，濃度5%，pH值 6.5～7.2。

試驗(yàn)前清洗主纜試件，測(cè)量鋼絲及索股直徑并稱(chēng)重，將試件放入鹽霧箱。腐蝕試驗(yàn)前期，每隔30 d將試件取出，用清水沖洗并風(fēng)干，對(duì)試件外觀拍照記錄，隨后測(cè)量試件的直徑和剩余質(zhì)量。300 d后每隔20 d取出試件，進(jìn)行記錄、測(cè)量及拉伸試驗(yàn)。

加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果顯示，腐蝕30 d后，鋼絲索股表面出現(xiàn)白色氧化鋅；90 d后，鋼絲索股表面出現(xiàn)細(xì)小的點(diǎn)蝕；300 d左右鋼絲索股表面嚴(yán)重銹蝕，鍍層損失比達(dá)到65%，但鋼絲力學(xué)性能無(wú)明顯變化；420 d后，索股表面鍍層全部損失，直徑減小約10%，鋼絲極限強(qiáng)度低于1 500 MPa。加速腐蝕試驗(yàn)表明鋅鋁合金鍍層的抗腐蝕壽命為鍍鋅鋼絲的2倍。

4 結(jié)論

1) 2 000 MPa主纜索股靜動(dòng)載試驗(yàn)表明，PPWS-91和PPWS-127公稱(chēng)破斷索力、極限延伸率及斷絲率均滿足性能要求。經(jīng)200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后，2種規(guī)格的主纜索股的斷絲率均為0，疲勞后的拉伸試驗(yàn)效率系數(shù)超過(guò)95%，靜動(dòng)載試驗(yàn)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

2) 2 000 MPa主纜索股的抗滑移試驗(yàn)表明，3組試驗(yàn)測(cè)得的主纜與索夾抗滑摩阻系數(shù)為0.3，大于規(guī)范取值0.15，主纜滿足索夾抗滑移要求。

3) 人工索股腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，索股在腐蝕210 d后，鋼絲屈服強(qiáng)度略有降低，索股表面出現(xiàn)明顯的褐色腐蝕；腐蝕420 d后，索股直徑減小約10%，表面鍍層全部損失，鋼絲極限強(qiáng)度顯著降低。加速腐蝕試驗(yàn)表明鋅鋁合金鍍層有著更優(yōu)異的抗腐蝕性能，抗腐蝕壽命為鍍鋅鋼絲的2倍。