預應力鋼絞線疲勞性能研究

雷 歡，鄒易清，覃巍巍，蘇 韓，韋耀淋

（柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州545005）

橋梁是關系社會和國家經濟協調發展的生命線，在國家大力倡導的“一帶一路”的建設中，基礎設施的互聯互通是先導，而橋梁則是實現交通基礎設施互聯互通網絡的重要樞紐。隨著國民經濟發展和交通工程發展的加速，橋梁工程建設規模也不斷加大，隨之對橋梁用拉索的技術要求也越來越高。斜拉索疲勞設計一般不用活載滿值，而是取（0.5～0.6）倍的活載應力幅值[1]，一般公路實測活載強度僅達到設計活載的13%，特殊情況下達到37%[2]。而隨著橋梁技術的發展，對拉索的疲勞性能需求不斷提升，其疲勞應力幅從100多兆帕提升至200多兆帕，某些工程更是達到400 MPa以上。FAST工程通過最常用的耐疲勞應力譜分解方法——雨流計數法[3-4]，分析得出索網工作狀態下實際疲勞應力幅最高可以達到455 MPa[5]，考慮到FAST工程結構、使用年限及工況的復雜性，要求索網主索滿足500 MPa疲勞應力幅[6]。相關研究結果表明，母材對拉索疲勞性能有著重大的影響[5]，而單根鋼絲的疲勞極限到實橋索組裝件的疲勞設計應力幅值，折減將近140 MPa[1].

以往針對拉索疲勞性能進行了大量的理論分析與試驗研究，使得拉索疲勞性能得到了不斷的改善，現階段橋梁用拉索疲勞應力幅需求最高達到了400 MPa.但是系統性的針對鋼絞線疲勞性能進行研究的資料較少，因此研究鋼絞線母材疲勞性能極限具有重要意義。本文針對鋼絞線疲勞應力幅、錨固方式及鋼絞線表面狀態這三個疲勞性能影響因素進行分析，得出改善鋼絞線疲勞性能的方法，為提升拉索疲勞性能的研究奠定了基礎。

1 不同表面狀態疲勞性能研究

現階段，鋼絞線的表面狀態主要有光面、鍍鋅、環氧三大類，其中鍍鋅與環氧的主要目的是為了提升鋼絞線的抗腐蝕能力。一束鋼絞線由7根鋼絲繞制而成，在實際使用過程中7根鋼絲之間存在相對移動，導致鋼絲與鋼絲之間存在著摩擦作用，因此理論上鋼絞線表面狀態對疲勞性能是有影響的。本文針對這三種表面狀態的鋼絞線進行疲勞性能研究，分別取六組進行疲勞試驗。為突出對比性，試驗應力幅選用350 MPa與400 MPa兩種情況，鋼絞線選用1 860 MPa強度級別，錨固方式統一采用夾片錨固，應力上限0.45Fptk，加載頻率8 Hz的要求進行疲勞試驗，試驗裝夾及過程如圖1所示，試驗結果如表1所示。

圖1 鋼絞線疲勞試驗裝夾與過程

表1 不同表面狀態疲勞試驗結果

由表1所示的試驗結果可以看出，在選用夾片錨固方式的前提下，當疲勞應力幅為350 MPa時，三種表面狀態鋼絞線疲勞性能相近，均能滿足試驗要求。當應力幅達到400 MPa時，所有鋼絞線疲勞性能均不能滿足要求，但從加載循環次數來看，環氧鋼絞線疲勞性能要優于其它兩種表面狀態的疲勞性能。原因分析，鋼絞線表面噴涂環氧涂層后，鋼絲與鋼絲之間的摩擦系數減小，從而降低了疲勞試驗過程中鋼絲之間摩擦帶來的損失；鍍鋅鋼絞線表面由于鋅層的存在，也能夠增加鋼絲之間的潤滑作用，使得其疲勞性能有一定提升，但是由于鍍鋅工序溫度較高，鍍鋅鋼絞線生產過程中，高溫會對鋼絞線母材性能產生一定影響，導致其疲勞性能的提升不明顯。本次試驗證明了不同表面狀態鋼絞線疲勞性能的差異性，其疲勞性能的基本趨勢是：環氧涂層優于鍍鋅涂層，鍍鋅涂層優于光面。

2 不同錨固方式疲勞性能研究

目前，拉索的錨固方式主要有四大類，分別為冷鑄錨固、夾片錨固、擠壓錨固以及冷鑄擠壓復合錨固，其中冷鑄擠壓復合錨固技術已經應用于FAST工程，并取得了良好的效果，冷鑄擠壓復合錨固結構如圖2所示。與拉索錨固技術對應的鋼絞線錨固技術也可分為這四大類，本文針對這四種錨固方式給鋼絞線疲勞性能造成的不同影響進行研究，找出最有利于鋼絞線疲勞性能的錨固方式。每種錨固方式各自選擇六組鋼絞線進行試驗，為突出對比性，試驗應力幅選用350 MPa與400 MPa兩種情況，鋼絞線統一采用1 860 MPa強度級別的環氧鋼絞線，應力上限0.45 Fptk，加載頻率8 Hz的要求進行疲勞試驗。由于在研究表面狀態時，已經研究過夾片錨固條件下350 MPa與400 MPa條件下環氧鋼絞線疲勞性能，為避免資源浪費，這里直接使用其數據進行分析。試驗結果如表2所示，圖3為擠壓錨固結構方式，圖4為夾片錨固條件下鋼絞線的疲勞斷裂情況。

圖2 冷鑄擠壓復合錨固結構示意圖

表2 不同錨固方式試驗結果

圖3 擠壓錨固方式

圖4 夾片錨固方式下鋼絞線疲勞斷裂情況

由表2所示的試驗結果可以看出，在選用環氧鋼絞線進行疲勞試驗的前提條件下，應力幅為350 MPa時，不同的錨固方式對鋼絞線疲勞性能的影響較小，當疲勞應力幅上升至400 MPa時，四種錨固方式均不能滿足要求，尤其是夾片錨固方式，其加載循環次數顯著低于其他錨固方式，且其斷裂位置基本處于夾持位置，說明當應力幅提升至400 MPa時夾片錨固方式對其疲勞性能有較大的影響。原因分析，350 MPa疲勞應力幅是鋼絞線疲勞性能的普通要求，本次試驗再次證明了現有錨固方式的可靠性，但是當疲勞應力幅提升至400 MPa時，夾片錨固形式由于在夾持位置對鋼絞線存在一定程度的損傷，當疲勞性能提升時，損傷位置給母材疲勞性能帶來的影響隨即凸顯出來，從其它錨固方式的斷裂位置與方式來看，普通鋼絞線受材質本身的性能限制，不能滿足高應力幅疲勞性能要求，但是由于冷鑄錨固、擠壓錨固、冷鑄擠壓復合錨固三種結構本身對絞線沒有形成表面缺口，所以其高應力幅條件下的疲勞性能要優于夾片錨固形式。

3 不同應力幅疲勞性能研究

疲勞性能好壞的衡量指標有三個，分別是應力上限、應力幅、載荷循環次數。橋梁用拉索應力上限一般為0.4Fptk或者0.45Fptk，載荷循環次數一般為200萬次，從以往工程的需求來看，應力上限與載荷循環次數變化不大，拉索疲勞應力幅是衡量拉索疲勞性能最重要的指標。隨著橋梁在結構與跨度上的不斷突破，對拉索疲勞應力幅的要求也越來越高。從前面的研究可以發現，當應力幅為400 MPa時，疲勞試驗均沒有通過，為驗證鋼絞線疲勞應力幅極限是否為 400 MPa，本次將針對 360 MPa，380 MPa，390 MPa三種疲勞應力幅進行試驗。每種應力幅選擇3組鋼絞線進行試驗。從不同錨固方式試驗結果來看，冷鑄錨固、擠壓錨固、冷鑄擠壓錨固三種不同錨固方式對單根鋼絞線的疲勞性能影響基本沒有差異，考慮到試驗資源有限，本次試驗僅針對冷鑄擠壓復合錨固方式進行試驗，鋼絞線統一采用1 860 MPa強度級別的環氧鋼絞線，應力上限0.45Fptk，加載頻率8 Hz的要求進行疲勞試驗。試驗結果如表3所示。

表3 不同應力幅疲勞試驗結果

由表3所示的試驗結果可以看出，在采用冷鑄擠壓復合錨固方式的條件下，結合以往疲勞試驗經驗，可以判斷鋼絞線基本能夠滿足390 MPa疲勞應力幅要求或者有潛力能夠滿足390 MPa疲勞性能的要求。

結合前面針對不同表面狀態、不同錨固方式進行的疲勞試驗結果，基本可以判斷，針對普通1 860 MPa強度級別的鋼絞線來說，在0.45Fptk應力上限條件下，鋼絞線疲勞應力幅極限在400 MPa左右。根據前述的母材相對于拉索，其疲勞應力幅應高出140 MPa的原則，普通1 860 MPa強度級別鋼絞線拉索的疲勞應力幅應控制在260 MPa以內，若需要提升鋼絞線拉索疲勞應力幅，則需要對鋼絞線母材本身的性能進行提升。

4 結論與建議

通過上述試驗表明，表面狀態、疲勞應力幅、錨固方式均對鋼絞線疲勞性能有影響，具體結論如下：

1）鋼絞線表面狀態對其疲勞性能有明顯影響，具體的疲勞性能差異性表現為：環氧鋼絞線優于鍍鋅鋼絞線，鍍鋅鋼絞線優于光面鋼絞線；

2）夾片錨固方式在錨固段對鋼絞線表面造成的咬痕，當疲勞應力幅處于常規水平時（350 MPa），咬痕造成的影響基本可以忽略，但當疲勞應力幅提升至400 MPa時，咬痕將顯著影響鋼絞線疲勞性能；

3）冷鑄錨固、擠壓錨固、冷鑄擠壓復合錨固三種錨固方式對鋼絞線疲勞性能的影響差異基本一致；

4）普通1 860 MPa強度級別的鋼絞線在0.45 Fptk應力上限的條件下，其極限疲勞應力幅約400 MPa，根據拉索與母材疲勞應力幅選用原則，鋼絞線拉索疲勞應力幅應控制在260 MPa以內；

5）若需要開發更高疲勞應力幅的拉索，需要對拉索母材本身的力學性能進行改善與優化，選用性能更加優良的原材料或者提升鋼絞線生產工藝水平。