石龍 馬林 朱穎 陳勝利

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國重點實驗室， 北京 100081

橋梁纜索主要由纜索鋼絲、錨具、防腐防護(hù)體系等部分組成，是鐵路大跨度橋梁的重要承力部件。纜索制造及錨具技術(shù)的發(fā)展水平?jīng)Q定了鐵路斜拉橋、懸索橋及斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁的跨越能力和建造質(zhì)量［1］。纜索錨具分為冷鑄錨、熱鑄錨等形式。除在懸索橋主纜索股錨固中多采用熱鑄錨外，其余拉吊索部件多采用冷鑄錨。冷鑄錨具有更好的靜力性能和疲勞性能［2］。相關(guān)研究多針對具體橋梁纜索錨具進(jìn)行設(shè)計、計算和驗證［3-6］，或從制造、安裝、張拉等角度研究相關(guān)工藝參數(shù)對纜索錨具的影響［7-8］，而未開展纜索錨固部件結(jié)構(gòu)參數(shù)對錨具力學(xué)性能影響的研究。

本文以鐵路纜索體系橋梁中采用的7 mm 平行鋼絲冷鑄錨為對象，選擇典型錨具規(guī)格和索體強度級別開展錨具參數(shù)化設(shè)計分析，研究纜索錨具的力學(xué)性能規(guī)律和關(guān)鍵影響參數(shù)，通過索體靜載、疲勞試驗，對高強索體的錨具結(jié)構(gòu)設(shè)計和整索受力性能進(jìn)行試驗驗證，為提升纜索錨具設(shè)計水平和高強度纜索體系在鐵路橋梁中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 錨具參數(shù)化設(shè)計分析

1.1 設(shè)計參數(shù)及計算方法

冷鑄錨具的設(shè)計應(yīng)滿足如下條件［2，9］：①錨杯內(nèi)鋼絲與冷鑄填料間的黏結(jié)應(yīng)力應(yīng)小于兩者黏結(jié)應(yīng)力的容許值；②錨杯中冷鑄填料椎體的壓應(yīng)力應(yīng)小于冷鑄填料壓應(yīng)力容許值；③冷鑄填料椎體作用于錨杯壁引起的環(huán)向應(yīng)力，應(yīng)小于錨杯鋼材拉應(yīng)力容許值。

冷鑄錨具結(jié)構(gòu)見圖1，錨具結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 冷鑄錨具主要設(shè)計參數(shù)

圖1 冷鑄錨具結(jié)構(gòu)

為了保證拉索鋼絲握裹有效，應(yīng)計算錨具的最小椎體長度，保證鋼絲與冷鑄填料黏結(jié)應(yīng)力（τb）小于容許值，即

式中：d為鋼絲直徑，取7 mm；σb為鋼絲公稱抗拉強度；K為有效錨固長度系數(shù)，考慮錨口位置鋼絲不能充分黏結(jié)，取2/3［9］；[τb]為鋼絲與冷鑄填料黏結(jié)應(yīng)力容許值，一般為25 MPa［9］。

關(guān)于β、θ、Ae等尺寸設(shè)計，應(yīng)保證冷鑄填料錐體壓應(yīng)力（σc）小于容許值，即

式中：Pb為拉索鋼絲束公稱破斷荷載；[σc]為冷鑄填料椎體壓應(yīng)力容許值，取160 MPa［10］。

關(guān)于Di、Dj等尺寸設(shè)計，應(yīng)保證錨杯環(huán)向應(yīng)力（σr）小于容許值，即

式中：[σr]為錨杯環(huán)向應(yīng)力容許值，參照文獻(xiàn)［11］中42CrMo材料取值。

根據(jù)式（1），計算得到強度為1 860、2 000、2 100、2 200 MPa 的7 mm 鋼絲錨杯椎體長度最小值分別為195、210、221、231 mm。對于目前在部分新建鐵路斜拉橋中采用的2 100 MPa 級7 mm 鋼絲拉索［11］，錨杯最小椎體長度不應(yīng)小于221 mm。

錨具設(shè)計在滿足以上各項條件的同時，應(yīng)避免錨固尺寸選擇過大，對塔、梁錨固部位空間提出過高要求，既不利于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，也會造成材料浪費。

1.2 參數(shù)影響分析

以451 孔規(guī)格、2 100 MPa 級7 mm 平行鋼絲拉索為例，分析D0、L1、β、θ、錨杯平均厚度（Di-Dj）對冷鑄填料和錨杯的受力影響。錨具結(jié)構(gòu)參數(shù)分析取值見表2。

表2 錨具結(jié)構(gòu)參數(shù)分析取值

1）后端椎體內(nèi)徑

D0為235 ～ 355 mm 時，σc和σr與D0關(guān)系曲線見圖2。可知：①D0越大對錨具結(jié)構(gòu)受力越有利；②D0< 275 mm 時，σc超過160 MPa 的限值；D0為235 ～355 mm時，σr滿足規(guī)范限值要求。

圖2 σc和σr與D0關(guān)系曲線

2）錨杯椎體長度

L1為450 ～ 750 mm 時，σc和σr與L1關(guān)系曲線見圖3。可知：①L1越大對錨具結(jié)構(gòu)受力越有利；②L1<550 mm 時，σc超過160 MPa 的限值；③L1為450 ～750 mm 時，σr滿足規(guī)范限值要求。

圖3 σc和σr與L1關(guān)系曲線

3）錨杯錐角

β為（1/30 ～ 1/4）rad 時，σc和σr與β關(guān)系曲線見圖4?？芍孩匐S著β增加，σc逐漸增大，而σr先減小后增大；②β> 1/5 rad 時，σc超過160 MPa 限值；③β為（1/30 ～ 1/4）rad時，σr滿足規(guī)范限值要求。

圖4 σc和σr與β關(guān)系曲線

實際設(shè)計中，錨杯錐角取值不能過小，否則難以發(fā)揮錨具的楔形受力效應(yīng)，導(dǎo)致冷鑄填料變形過大，出現(xiàn)失錨現(xiàn)象。

4）冷鑄填料摩擦角

θ為0.140 ～ 0.480 rad 時，σc和σr與θ關(guān)系曲線見圖5?？芍孩佴仍酱髮﹀^具結(jié)構(gòu)受力越有利；②θ<0.349 rad 時，σc超過160 MPa 的限值；③θ< 0.297 rad時，σr超過390 MPa的限值。

圖5 σc和σr與θ關(guān)系曲線

5）錨杯平均厚度

（Di-Dj）為67 ～ 247 mm時，σc和σr與（Di-Dj）關(guān)系曲線見圖6?？芍孩伲―i-Dj）越大對錨具結(jié)構(gòu)受力越有利；②無論（Di-Dj）如何變化，σc保持不變；③（Di-Dj） <127 mm時，σr超過390 MPa的限值。

圖6 σc和σr與（Di - Dj）關(guān)系曲線

綜上，與錨杯環(huán)向應(yīng)力相比，冷鑄填料椎體壓應(yīng)力是錨具結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制因素。

1.3 不同強度級別錨具設(shè)計

在保持σc和σr基本不變的情況下，以451孔規(guī)格、7 mm 平行鋼絲拉索為例，對比拉索鋼絲強度為1 860、2 000、2 100、2 200 MPa 時，拉索錨具主要設(shè)計參數(shù)的差異。計算時，β取1/14 rad，θ取0.423 rad。不同強度級別錨具設(shè)計參數(shù)見表3?？梢?，隨著鋼絲強度級別的提高，D0、L1、Di-Dj基本呈線性增加。

表3 不同強度級別錨具設(shè)計參數(shù)

2 索體靜載和疲勞試驗

考慮樣品制造和加載設(shè)備條件，選擇55絲規(guī)格的2 100 MPa 級7 mm 平行鋼絲斜拉索，采用本文設(shè)計方法進(jìn)行索體試驗。

2.1 索體靜載試驗

索體靜載試驗主要驗證冷鑄錨具的靜載錨固效率系數(shù)、錨具內(nèi)縮值、破斷時錨具損傷及鋼絲斷絲情況，共制作6 根55 絲規(guī)格的2 100 MPa 級7 mm 平行鋼絲斜拉索，開展索體靜載試驗。索體靜載試驗加載情況見圖7。

圖7 索體靜載試驗加載情況

索體伸長值和張拉力的關(guān)系曲線見圖8?？芍孩佼?dāng)張拉力不超過0.85Pb時，索體伸長值和張拉力成線性關(guān)系，索體處于彈性狀態(tài)，6 根索的伸長值偏差在13.8%以內(nèi)。②當(dāng)張拉力在0.85Pb～ 0.90Pb時，索體伸長值-張拉力曲線出現(xiàn)屈服點，索體處于屈服臨界狀態(tài)。③當(dāng)張拉力超過0.90Pb時，索體伸長值增幅明顯變大，索體進(jìn)入屈服狀態(tài)，張拉力達(dá)到0.95Pb時6根索均未出現(xiàn)破斷情況。

圖8 索體伸長值和張拉力的關(guān)系曲線

索體靜載試驗結(jié)果見表4?？芍孩?根索的靜載錨固效率系數(shù)和錨具內(nèi)縮值均滿足文獻(xiàn)［10］的要求；②破斷時錨具未發(fā)現(xiàn)損傷，錨具受力狀態(tài)滿足設(shè)計要求。

表4 索體靜載試驗結(jié)果

2.2 索體疲勞試驗

索體疲勞試驗主要驗證冷鑄錨具錨固部位在疲勞荷載作用下的受力性能。制作5 根55 絲規(guī)格的2 100 MPa 級7 mm 平行鋼絲斜拉索，開展索體疲勞試驗，疲勞荷載上限值為0.45Pb，疲勞應(yīng)力幅值250 MPa。

索體疲勞試驗結(jié)果見表5?？芍囼炈鞯钠谛阅軡M足文獻(xiàn)［10］的相關(guān)要求。

表5 索體疲勞試驗結(jié)果

3 結(jié)論

1）與錨杯環(huán)向應(yīng)力相比，冷鑄填料椎體壓應(yīng)力是錨具結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制因素。

2）后端椎體內(nèi)徑、錨杯椎體長度、冷鑄填料摩擦角和錨杯平均厚度增大，對錨具受力有利，但會造成錨具尺寸增大、材料用量增加，在設(shè)計時可控制尺寸取值，滿足受力要求即可。

3）從冷鑄填料椎體受力角度考慮，錨杯錐角越大越不利；從錨杯環(huán)向受力角度考慮，錨杯錐角存在最優(yōu)值，可使錨杯環(huán)向應(yīng)力達(dá)到最小。

4）試驗索的靜載錨固效率系數(shù)、錨具內(nèi)縮值、破斷時錨具損傷及鋼絲斷絲情況均滿足規(guī)范要求，張拉力超過0.90Pb時，索體進(jìn)入屈服狀態(tài)。

5）試驗索的疲勞性能滿足規(guī)范要求，索體應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在291萬次以上仍未達(dá)到疲勞極限狀態(tài)。