李鴻盛， 闕 明， 宋 健， 郭永兵

(1. 中交一公局重慶萬州高速公路有限公司，重慶 404020； 2. 西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

在懸索橋中，索夾是連接主纜與吊索的關(guān)鍵核心受拉構(gòu)件[1]。索夾主要作用將吊索的作用力傳遞給主纜，同時還需要通過螺栓對主纜產(chǎn)生擠壓力，從而獲得可靠的摩擦力，以抵消吊索在索夾上產(chǎn)生的下滑力[2-3]。騎跨式索夾在索夾頂部開槽，吊索的兩頭均在梁部進行錨固，吊索跨過索夾時會產(chǎn)生較大彎曲應力，需要設置形狀復雜的纜索槽；銷鉸式索夾在圓形索夾本體下設耳板，吊索從耳板吊索孔穿過，銷鉸式索夾可分為左、右對合型與上、下對合型，施工時左、右對合型存在耳板不能完全對齊現(xiàn)象，導致栓桿入孔困難，所以索夾設計一般采用上下對合銷鉸式索夾，上半索夾和下半索夾間通過螺栓座聯(lián)系。鑄造式索夾為加工方便，常將螺栓座設計為整體鑄件；下半索夾的耳板構(gòu)造簡單，鑄件量大，目前，銷鉸式索夾均采用鑄造方式加工。

鑄造式索夾有加工便利、技術(shù)成熟的優(yōu)點，但也有其不足之處，特別是隨著國家對環(huán)境保護要求的提高，鑄造加工對環(huán)境影響較大的劣勢越發(fā)明顯。研究論證在大跨度懸索橋上采用焊接式索夾的可行性，并解決其關(guān)鍵技術(shù)問題，符合新經(jīng)濟形勢下的工業(yè)發(fā)展趨勢，對加工制造技術(shù)升級與技術(shù)創(chuàng)新有較大促進作用。

長期以來，針對索夾的研究[4-8]都是以鑄造索夾為背景開展，關(guān)于焊接索夾結(jié)構(gòu)形式、加工工藝、結(jié)構(gòu)受力性能、抗疲勞性能和設計加工制造規(guī)范等都需要展開研究。

1 焊接索夾的優(yōu)勢

鑄造式索夾通過一體澆筑成型，鑄造技術(shù)較為成熟，但是也存在許多劣勢。鑄造加工索夾對鑄鋼件毛坯的鑄造生產(chǎn)工藝技術(shù)和質(zhì)量要求很高，要嚴格控制鑄件的結(jié)構(gòu)、金相、氧化物、雜質(zhì)、澆筑溫度、澆筑速度、澆口方向、模具透氣性、模具密實度、模具含水量等[9]。鑄造缺陷多，一體式鑄造索夾形狀不規(guī)則，金屬液體流動性差可能出現(xiàn)斷流和型腔未填滿等問題，除此以外，形狀變化的地方易出現(xiàn)縮孔、疏松與裂紋。大尺寸索夾在鑄造過程中，金屬液在較大的重力勢能作用下可能會沖壞砂型，導致型砂夾雜進入索夾體金屬之中，索夾內(nèi)部出現(xiàn)氣孔的概率也較大。鑄造索夾材料強度較低，難以適應低溫(-20 ℃以下)環(huán)境。鑄造生產(chǎn)存在對環(huán)境污染大，鑄件生產(chǎn)周期長，鑄鋼件毛坯報廢率高、生產(chǎn)效率低，低溫環(huán)境使用受限，鑄造尺寸受毛坯限制等方面的不足。

由于上述問題的存在，目前索夾制造廠為保證鑄造成型的質(zhì)量，鑄造時需要采用冷鐵、補貼、冒口等多種工藝，如圖1所示。由于制造工藝需求，增加了大量的輔助材料(約為成型件的30%)；為保證加工質(zhì)量，需要給索夾內(nèi)徑預留較大的加工量(一般增加20～30 mm)，一方面消耗材料，另一方面增加工作量，使鑄造索夾經(jīng)濟性較差。

圖1 鑄造索夾澆筑帽口與輔助冷鐵布置

焊接索夾采用鋼板焊接成型，材料直接采購，質(zhì)量可靠，可以根據(jù)需求選擇適應低溫環(huán)境的材料，索夾成型方便，承載能力大，加工過程綠色環(huán)保，結(jié)構(gòu)可靠安全，具有較高的性價比。新型焊接式索夾將推動懸索橋索夾的制造技術(shù)、質(zhì)量水平大幅提高并明顯改善和彌補鑄造工藝的不足。

焊接索夾可選用滿足性能要求的鋼板直接焊接加工，索夾內(nèi)徑的加工預留量可在5 mm以內(nèi)，不需要鑄造類似的輔助材料，因此從加工鋼材用量方面可節(jié)省30%左右。焊接工藝及檢驗要求比鑄造索夾要求高，鋼材單價比鑄鋼略高，綜合比較下來，焊接索夾總體上比鑄造索夾略為經(jīng)濟，但其環(huán)保和滿足低溫環(huán)境的優(yōu)勢非常突出。

綜合分析鑄造與焊接索夾的缺點與優(yōu)勢，可用圖2來比較。

圖2 鑄造與焊接索夾的優(yōu)缺點比較

螺栓座主要功能是承受螺栓壓力并將該壓力傳遞給索夾體。對于銷鉸式鑄造工藝加工的索夾，為避免螺栓座部分的模具復雜導致澆筑困難，直接將螺栓座部分澆筑為整體，如圖3所示。實體螺栓座比較重，為減輕其重量，一般采用盡量縮小索夾左右側(cè)螺栓間距的方式縮小螺栓座尺寸，由于索夾內(nèi)部要進行機械加工，當索夾體螺栓孔間的厚度差太小時，機加工時容易出現(xiàn)缺陷，為避免機加工可能出現(xiàn)的缺陷造成鑄件報廢量加大，設計時直接在有螺栓的地方開1個深槽，如圖3中所示的索夾上的方槽。開了這種深槽口的索夾，在開槽處無法對主纜進行有效密閉，此處成為主纜防護的薄弱處。如果要避免開槽，就需要將左右兩側(cè)螺栓橫向距離加大，從而加寬螺栓座，這樣會造成螺栓座的重量增加。

圖3 鑄造索夾的螺栓座和內(nèi)部開槽

焊接式索夾的螺栓座可采用若干板件進行焊接，因此螺栓座不需要加工成整體，板件間形成空間，可大幅度減小螺栓座的重量，左右兩側(cè)螺栓間距增大的同時螺栓座的重量增加有限，因此可將索夾體設計為整體，如圖4所示，這樣可保持索夾體主纜密切接觸提高主纜的防腐性能。

圖4 圓弧面內(nèi)部完整的焊接索夾

2 焊接索夾關(guān)鍵技術(shù)研究

鑄造式索夾不存在焊縫缺陷，索體和耳板雖然是受拉構(gòu)件，但由于構(gòu)件鑄鋼材料的疲勞強度比較高，因此一般不關(guān)注索夾疲勞問題。但是新型焊接式索夾螺栓座、索夾體、耳板等位置需要進行焊接，許多焊縫都屬于受拉連接焊縫，因此焊接索夾最突出的問題是焊縫疲勞問題。因此，發(fā)展焊接索夾，需要解決以下幾個關(guān)鍵問題。

2.1 焊接索夾合理結(jié)構(gòu)形式問題

焊接式索夾各部件有多種組合形式。合理地構(gòu)成焊接索夾結(jié)構(gòu)，可通過多種方案的設計和計算進行優(yōu)化，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式。圖5是可以采用的幾種結(jié)構(gòu)形式。

圖5 焊接索夾的幾種形式

圖5(a)的優(yōu)勢在于通過設置橫向加勁肋，可以提高耳板的面外剛度，從而可減少耳板的厚度，但是其缺點是焊縫多，應力集中點多，焊接應力大，索夾對主纜的握裹力低；螺栓座未封閉，導致螺栓易腐蝕。圖5(b)耳板與索夾焊縫位置集中在一處，減少了索夾上的焊縫，但是耳板與索夾的連接沒有過渡，此處應力復雜，焊接疲勞強度可能存在問題，并且耳板與索夾聯(lián)系處的橫向剛度較弱，不利于承受橫向風及吊索橫向變形傳遞的作用力；螺栓座齒合面較多適合于長度較大的索夾，密封難度大，不符合焊接式索夾的設計需要。圖5(c)將焊縫分散在3個位置，且不在索夾與耳板相交處焊接，可有效地降低焊縫的應力集中，對提高結(jié)構(gòu)疲勞強度等有優(yōu)勢。通過對多方案的比較，可以選擇合理的焊接索夾結(jié)構(gòu)形式，即方便加工，又能提高索夾各主要受拉焊縫處的疲勞強度。為防止雨水等進入螺栓座，可在圖5(c)的基礎上，增設外側(cè)封板，設計成圖5(d)所示結(jié)構(gòu)形式。

2.2 焊接索夾制造工藝

2.2.1 索夾各部分材料的選擇

索夾可選的材質(zhì)類型比較多，性能也各有差異，材質(zhì)需要滿足索夾在所處橋位自然環(huán)境下的各種受力要求，同時需滿足強度、抗滑移、剛度及加工焊接性能要求，應當具有一定的耐腐蝕和抗疲勞性能以滿足結(jié)構(gòu)的耐久性要求。焊接材料應當根據(jù)3點進行設計：

(1)等強度：選用焊材熔敷金屬的抗拉強度與被焊母材的抗拉強度相等或近似，這是焊接結(jié)構(gòu)鋼最常用的原則。

(2)等韌性：選用焊材熔敷金屬的韌性與被焊母材的韌性相等或近似，在高強鋼焊接時經(jīng)常選用強度等級低于母材但韌性相等的焊材，即低組配等韌性。

(3)等成分：熔敷金屬的化學成分符合或接近母材金屬，這是不銹鋼和耐熱鋼焊接時選材的最主要原則。

根據(jù)上述原則，選擇Q355D鋼，焊接應選用與母材強度相當?shù)暮附硬牧?，并綜合考慮焊縫金屬的強度、韌性等性能符合標準要求，考慮選擇ER55-G焊絲進行焊接，選用的焊絲中含有足夠的脫氧元素Si和Mn，且含碳量較低，焊接過程中可有效的防止CO氣體的產(chǎn)生。

2.2.2 焊接方式的選擇

焊接工藝可以分為手弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護電弧焊、等離子弧焊、熔化極氣體保護焊等[9]。

電阻焊是以電阻熱為熱源的一類焊接方法，包括以熔渣電阻熱為能源的電渣焊和以固體電阻熱為能源的電阻焊，主要有點焊、縫焊、凸焊及對焊等。

焊接式索夾選用CO2氣體保護焊進行焊接，CO2氣保焊具有焊接時電弧穿透能力強、抗氫氣孔能力強、熔敷率高、焊縫成形美觀、易進行全位置焊等優(yōu)點，相對于手工電弧焊，其焊接質(zhì)量更容易得到控制和保證。CO2氣體保護焊主要使用松下YD-500FR1型數(shù)字逆變焊機等焊接設備。

2.2.3 各焊接細節(jié)的焊接工藝設計

由于焊件的厚度、結(jié)構(gòu)及使用條件的不同，其接頭型式及坡口形式也不同。焊接接頭型式有：對接接頭、T形接頭、角接接頭及搭接接頭等。坡口形狀分成I形(不開坡口)、V形、Y形、雙Y形、U形、雙U形、單邊V形、雙單邊Y形、J形等各種坡口形式。坡口的幾何尺寸設計包括坡口面、坡口角度、根部間隙、鈍邊、根部半徑。

通過理論與工藝分析，確定各焊接細節(jié)的焊接工藝，以保證索夾焊接質(zhì)量并提高焊接索夾的抗疲勞能力。

2.2.4 焊接工藝評價及操作規(guī)程設計

通過前述的材料選擇、焊接方式與工藝等研究，將完成焊接索夾制造工藝的制定。在加工制作出實際使用的焊接索夾的基礎上，制定相應的設計、加工規(guī)程，為全面的推廣應用焊接索夾奠定基礎。

焊接索夾的機械加工工藝與鑄造索夾相當，其加工量相對較少，容易實現(xiàn)。

2.3 基于隨機車流理論的焊接索夾疲勞荷載研究

2.3.1 大跨度懸索橋隨機車流模型研究

基于車流量監(jiān)測數(shù)據(jù)研究橋梁運營期細節(jié)疲勞安全水平，研究考慮車流參數(shù)及交通量和車重增長系數(shù)的懸索橋索夾可靠度[10]。焊接索夾受疲勞荷載影響下的疲勞性能評估的前提是確定隨機車流分析模型，建立通用隨機車流分析程序[11]。

2.3.2 基于隨機車流的各吊索疲勞荷載研究

基于車-橋耦合振動分析得到應力時程結(jié)果，采用基于等效應力幅概率密度函數(shù)的可靠性計算方法計算拉索可靠度，具體步驟：

(1)根據(jù)車流-橋耦合振動分析，得到相關(guān)索力的應力時程曲線。

(2)采用雨流計數(shù)法，忽略幅值極小的應力循環(huán)，獲得應力時程曲線的應力范圍直方圖。

(3)根據(jù)應力范圍直方圖，估計等效應力幅。

(4)根據(jù)等效應力幅計算吊索正常運營的疲勞壽命。

(5)根據(jù)疲勞可靠性的極限狀態(tài)方程計算橋梁的抗疲勞可靠度[12]。

在獲取吊索的疲勞荷載譜以后，可以通過理論分析，計算各焊縫細節(jié)的疲勞強度，與實際作用應力譜比較，確定其疲勞細節(jié)是否滿足規(guī)范要求。

2.4 焊接索夾疲勞試驗

實際的焊接加工工藝與規(guī)范的可能有差異，為驗證實際焊接索夾的疲勞承載能力，需要開展疲勞試驗。焊接式索夾是首次使用，在使用期間內(nèi)，反復的汽車荷載作用下焊縫處有可能會產(chǎn)生疲勞破壞。為確保焊縫在工程中的安全使用，必須要通過實驗進行檢驗。

由于在吊索力作用下有循環(huán)應力產(chǎn)生的部位主要在索夾與耳板上的焊縫位置，因此采用下半索夾進行實驗。實驗中使用作動器施加拉力模擬汽車荷載，拉力最大為600 kN，用來模擬有汽車荷載作用下的索夾受力；最小為100 kN，用來模擬無汽車荷載作用下的索夾受力。作動器先施加100 kN的拉力，再把拉力提升至600 kN，再降低至100 kN，這樣1個循環(huán)為1次，每1 s進行2.5次的頻率進行200萬次應力循環(huán)。過程中使用應變片監(jiān)控焊縫處的應變，每5萬次記錄1次焊縫的應變數(shù)據(jù)，每50萬次停機檢查焊縫的表面變化。實驗完成后將不同焊接部位切成樣本進行酸洗檢查，確定焊縫處沒有發(fā)生疲勞破壞。

2.5 焊接索夾設計制造標準與施工方法研究

焊接索夾作為一種新型索夾結(jié)構(gòu)，目前還沒有任何設計與制造標準和規(guī)范來指導其制造加工。通過廣泛文獻調(diào)研和關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實踐，總結(jié)出焊接索夾的設計制造標準及鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝領域相關(guān)成果，從而制定出焊接索夾的合理設計與制造標準。采用試驗驗證法對焊接索夾的性能進行評估，優(yōu)化焊接索夾的設計制造標準。

3 結(jié)束語

懸索橋是目前跨度最大的橋梁結(jié)構(gòu)，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，未來中國將會有更多懸索橋投入建設。

傳統(tǒng)懸索橋索夾采用鑄造工藝，鑄造成型存在工藝復雜，鑄造缺陷多，材料強度低，對低溫環(huán)境適應差，索夾的毛坯鑄造質(zhì)量難以穩(wěn)定控制，鑄件生產(chǎn)周期長，鑄鋼件毛坯的返修、報廢率高，生產(chǎn)效率低，低溫環(huán)境使用受限，鑄造尺寸受毛坯限制等不足。

因此，針對現(xiàn)有鑄造結(jié)構(gòu)索夾存在的上述不足，研制一種成型方便、承載能力大、滿足低溫環(huán)境使用要求、結(jié)構(gòu)可靠安全、具有高性價比的焊接組合式索夾，既可以保證索夾體的內(nèi)在質(zhì)量又能夠提高其承載能力，同時還可以滿足低溫環(huán)境使用要求。

本文從焊接索夾合理結(jié)構(gòu)形式、焊接索夾制造工藝、隨機車流理論、疲勞實驗、制造與施工方法5個方面介紹了焊接式索夾的設計、檢測、施工方面需要研究的關(guān)鍵問題。這些關(guān)鍵問題的解決，將推動懸索橋索夾的制造技術(shù)、質(zhì)量水平的大幅提高并明顯改善和彌補現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的不足。