香溪長江公路大橋高應力幅智能拉索設計論證

朱元 張銘 張峰

（1.柳州歐維姆機械股份有限公司 545006；2.湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司 武漢430000）

引言

隨著基礎(chǔ)建設的加快，工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量成為了社會關(guān)注的焦點，如何快速提前感知工程結(jié)構(gòu)存在的風險以及如何提高其耐久性成為日后路橋工程發(fā)展的方向。近些年橋梁工業(yè)得到了突飛猛進的擴展，而橋梁結(jié)構(gòu)安全性與生命安全緊密關(guān)聯(lián)，橋梁健康檢測逐步成為關(guān)注的焦點。尤其是橋梁上的拉索是生命線的關(guān)鍵點之一，拉索的使用壽命長度和拉索使用工況的可監(jiān)控度，成為預防發(fā)生橋梁坍塌事故需要完善的地方。

目前國內(nèi)外對橋梁拉索的監(jiān)控檢測還主要集中在日常的人為維護和檢測索力，例如壓力傳感器、磁通量傳感器、頻率法檢測儀器等等。這幾種檢測手段都需要安裝在拉索索體外，且其工作效率差而且耗費時間長，且檢測手段比較落后，無法對拉索的使用狀態(tài)進行實時監(jiān)控。因此本文結(jié)合工程需求，開發(fā)了一種植入拉索索體內(nèi)的可實現(xiàn)實時監(jiān)控拉索索力，且提高拉索抗疲勞性能的一種高應力幅智能拉索。

高應力幅、智能拉索的研制可以有效地實現(xiàn)對拉索索力的實時監(jiān)控，有效檢測拉索的使用工況，提前預測拉索的使用壽命及其可靠性。另外其可用于高應力幅工況的橋梁拉索工程，能夠提高拉索的耐久性和安全性，確保拉索的使用壽命更長久。

本文根據(jù)香溪長江公路大橋設計提出吊桿需滿足300MPa的大動載荷疲勞和大位移偏擺幅度需求，開發(fā)出高出標準規(guī)范疲勞性能且可耦合光纖光柵的智能拉索產(chǎn)品。

1 工程概況

香溪長江公路大橋是湖北省骨架公路網(wǎng)中第6縱（鄖縣—來鳳）的第2條支線（興山—五峰）跨越長江的節(jié)點工程，橋址位于長江三峽兵書寶劍峽峽口。大橋全長883.2m，主橋為主跨519m（計算跨徑）中承式鋼桁架拱橋。主橋長531.2m，橋跨組合為：2×35m預應力混凝土T梁+531.2m（主孔兩過渡墩之間的跨度）+9×30m預應力混凝土T梁。大橋按四車道一級公路設計，橋面梁全寬27.3m（不含兩側(cè)各2.5m寬人行道），汽車荷載等級為公路I級。橋型布置如圖1所示[1]。

圖1 橋型布置Fig.1 Bridge arrangement

主橋拱肋采用空間變截面桁架式結(jié)構(gòu)，主桁下弦桿中心線凈跨徑為508m，下弦中心矢高為127.0m，矢跨比為1／4。主拱軸線采用懸鏈線線形，拱軸系數(shù)為2.0。桁架拱采用雙片主桁，上、下游兩榀主桁平行布置，主桁的橫向中心距為25.3m。主桁采用易于控制腹桿穩(wěn)定的柏式桁架，主桁拱頂截面徑向高采用12.0m，拱腳截面徑向高采用14.0m。主桁采用變節(jié)間布置，共有12.0m、11.8m兩種布置方式，橋面以上主桁節(jié)間長度為12.0m，吊桿間距為12.0m；橋面以下主桁節(jié)間長度為11.8m，拱上立柱間距為11.8m。

吊桿采用單吊桿體系，橫橋向吊桿中心距25.3m。要求吊桿滿足高應力幅疲勞性能，通過提高拉索的疲勞性能有利于橋梁結(jié)構(gòu)風險的降低，延長拉索的使用壽命，從而保障橋梁主體結(jié)構(gòu)的安全性能。

2 拉索性能指標需求

2.1 設計目標

根據(jù)工程設計需求，短吊桿采用37根1860MPa級φ15.2mm的環(huán)氧鋼絞線作為吊桿承載體，索體結(jié)構(gòu)采用雙層無粘結(jié)HDPE成品索結(jié)構(gòu)，PE外層設計成雙螺旋線結(jié)構(gòu)抑制風雨激振。要求吊桿在滿足0.4Fptk應力上限的設計索力下，能夠?qū)崿F(xiàn)300MPa的應力幅疲勞次數(shù)200萬次的性能指標。吊桿索體中耦合光纖光柵智能鋼絞線，用于對吊桿索力進行實時監(jiān)控。

2.2 設計標準

拉索錨具應有可靠的錨固性能和足夠的承載能力，錨具錨固夾持性能符合《預應力筋用錨具、夾具和連接器》，錨固效率系數(shù)≥0.95%，極限延伸率≥2%。疲勞性能達到《斜拉索設計、測試和安裝條例》（PTI-2001）等相關(guān)規(guī)范要求[2]。光纖光柵精度控制在0.5%左右，應力應變值符合線性同步規(guī)律達到99.5%及以上。

2.3 吊桿空間結(jié)構(gòu)設計需求

根據(jù)設計條件拉索有效穿索孔道為φ248×16mm的空間，且能夠方便張拉空間需求為500mm×1000mm×800mm。目前國內(nèi)外采用吊桿設計載體有鋼絲、鋼絲繩、鋼絞線，而由于鋼管拱錨箱結(jié)構(gòu)空間有限，要求吊桿承載體的錨具結(jié)構(gòu)尺寸必須盡量要小，確保降低錨下應力對整個錨箱受力的影響，如圖2所示[1]。

3 拉索可行性技術(shù)分析

本項目設計所要求解決的問題主要在于吊桿錨具結(jié)構(gòu)需適合拱肋和箱梁的狹小空間結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化錨箱結(jié)構(gòu)空間來實現(xiàn)降低整個橋體結(jié)構(gòu)的重量和造價成本，因此必須開發(fā)出結(jié)構(gòu)緊湊型的錨具結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。

3.1 錨固結(jié)構(gòu)對比分析

吊桿最大公稱破斷索力不小于9600kN，換算成鋼絲根數(shù)為151，換算為鋼絞線根數(shù)為37。而根據(jù)香溪河橋的設計特點，首先考慮合適的錨具尺寸能夠滿足穿索孔道的設計需求。鋼絲吊桿采用冷鑄錨固方式，而鋼絞線目前只采用夾片式，以上兩種錨固方式錨具結(jié)構(gòu)尺寸大，對穿索孔道和錨固區(qū)提出了更大的空間要求，無法適應本項目空間有限的需求。而采用鋼絞線整體擠壓錨固方式，錨具結(jié)構(gòu)尺寸相對較小，各種索錨具對比如圖3所示。

圖2 上錨腔空間結(jié)構(gòu)（單位：mm）Fig.2 Spatial structure of anchorage box（unit：mm）

圖3 各種抗索錨具對比Fig.3 Comparative drawings of various cable anchors

3.2 如何實現(xiàn)拉索錨具抗疲勞性能

拉索的抗疲勞性能，主要取決于承載體（鋼絲、鋼絞線）母材質(zhì)量的好壞，其次是錨具承載體的夾持握裹效果以及錨夾具對承載體的損傷程度。從圖3可以看出，常規(guī)吊桿的鋼絲索和夾片式鋼絞線錨固結(jié)構(gòu)與索體有一定的折角，鋼絲或鋼絞線在錨固區(qū)內(nèi)形成一定的折彎，拉索在動態(tài)受力的工況下，折彎處是鋼絲或鋼絞線容易發(fā)生疲勞損傷的薄弱點。

本文工程中，鋼絲索和夾片式鋼絞線拉索的錨固尺寸較大無法滿足設計需求，因此為了適應設計目標，專門開發(fā)了一種采用整體擠壓+冷鑄復合錨固鋼絞線原理的結(jié)構(gòu)，如圖4所示為擠壓錨固原理圖。

圖4 擠壓錨固原理Fig.4 Extrusion anchorage principle

本文方案采用專用的擠壓模具和千斤頂及擠壓裝置，采用徑向擠壓變形的方式使錨固套產(chǎn)生永久性的塑性變形，使相互平行隔離的鋼絞線嵌入到錨固套內(nèi)腔金屬層形成一種相互夾持握裹的整體，如圖5所示（高應力幅錨具結(jié)構(gòu)）[4]。該結(jié)構(gòu)相對以上兩種方式，錨具結(jié)構(gòu)尺寸可以降低20%～30%左右，可以滿足上錨點空間安裝需求和方便穿索孔徑設計。再加上由于鋼絞線相互隔離平行，改善了鋼絞線在錨固段的折彎疲勞損傷隱患，降低了鋼絞線的抗疲勞折彎系數(shù)，并且通過設計延長筒的方式，增強索體剝除PE的裸露段鋼絞線的握裹穩(wěn)定性，從而可提高整個錨固區(qū)索體的抗疲勞、抗微震動性能。

圖5 高應力幅錨具結(jié)構(gòu)Fig.5 High stress amplitude anchor structure

3.3 高應力幅疲勞性能的保障措施

1.開發(fā)鋼絞線相互平行隔離夾持握裹的擠壓式錨固套，確保了鋼絞線避免折角損傷產(chǎn)生應力集中的問題，改善了鋼絞線束整體抗疲勞的穩(wěn)定性，如圖6所示。

圖6 擠壓錨固套結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure drawing of extruded anchorage sleeve

2.錨固套出口端采用灌注彈性體保護材料，可以有效地抵抗拉索在振動情況下鋼絞線在出口處容易發(fā)生相互摩擦，避免鋼絞線的微磨損風險。

3.錨頭外表面通過采用特殊刀具車削螺紋，并進行噴丸除應力的方式，提高了錨頭螺紋處的抗疲勞性能，有效減少了錨頭表面裂紋。

4.另外為了滿足拉索300MPa的高應力幅，還專門聯(lián)合鋼絞線廠家開發(fā)了一種高疲勞的鋼絞線盤條制作母材。

4 智能索方案實施及工藝試驗

4.1 智能拉索成品索設計方案

本項目采用37根φ15.2mm的高強鋼絞線，將智能筋嵌入到其中一根中心或邊心鋼絞線的鋼絲上，再將多根鋼絞線集束為成品索后擠塑成PE多層防護索體結(jié)構(gòu)，組裝在擠壓錨具內(nèi)，通過擠壓將鋼絞線握裹成形。智能成品結(jié)構(gòu)如圖7所示。

這種設計方案，可以有效地將拉索中心索力通過光纖光柵傳感器進行檢測，由于鋼絞線是采用無粘結(jié)相互隔離保護，光纖光柵嵌入到鋼絲槽內(nèi)，在制作流程中可以更好地有效保護傳感器耐久性。

圖7 智能索設計方案Fig.7 Intelligent cable design scheme

4.2 智能索制作

拉索索體最中間的鋼絞線的中心絲，通過刻痕設備在鋼絲上刻槽，將光纖光柵嵌入。然后再制作成光纖成品拉索，光纖光柵拉索如圖8所示。

圖8 智能筋制作Fig.8 Intelligent bar manufacture

關(guān)鍵工藝控制：制作光纖光柵索—鋼絞線束放線—擠塑PE索體—裁索—裝配錨具—錨具擠壓成形—錨頭加工螺紋—超張拉—信號檢測。

采用鋼絲刻槽設計，避免了擠壓過程及使用中鋼絞線對傳感器的擠壓破壞，同時拉索制作過程中需要對光纖光柵進行保護處理，通過在光纖表面包裹一層保護套進行隔離，并且在擠壓工裝上進行開孔，先將光纖光柵引出錨具，進行工藝過程控制。

4.3 智能索試驗測試

本項目采用了光纖光柵與鋼絞線拉索耦合技術(shù)，光纖光柵是折射率沿光纖軸線發(fā)生周期性變化的一小段光纖纖芯，它可將入射光中某一特定波長的光部分或全部發(fā)射，它的反射的中心波長方程式為λB＝2NeffΛ，式中：λB為光柵布喇格波長，Neff為纖芯的有效折射率，Λ為光柵周期[5]。

對智能拉索進行靜載試驗測試：制作了兩根PL1和PL2試驗索，光纖光柵波長的測定選用解調(diào)儀ZX-FP-C16，試驗索在柳州歐維姆公司實驗室張拉臺座上進行拉伸試驗。試驗時先張拉0.1F（F為標準破斷力）預緊，試驗過程每0.1F張拉一次，并持荷5min，張拉到0.95F時試驗停止，兩根自感知試驗索在0.95F時均未發(fā)生損壞，事實證明，自感知拉索不影響拉索的靜載錨固性能。表1為單根智能索的原始數(shù)據(jù)。

試驗索PL1和PL2的波長數(shù)據(jù)見表2，試驗數(shù)據(jù)分析見圖9。

表1 單根智能索波長測試數(shù)據(jù)Tab.1 Single intelligent cable wavelength test data

表2 成品拉索波長測試數(shù)據(jù)Tab.2 Final cable wavelength test data

圖9 測試數(shù)據(jù)分析Fig.9 Analysis of test data

由以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，PL1和PL2兩組成品拉索的測試數(shù)據(jù)基本接近單根鋼絞線智能拉索的原始數(shù)據(jù)，可以判斷出光纖光柵智能索檢測的數(shù)據(jù)誤差是在控制范圍內(nèi)，這種智能拉索的制作工藝可達到設計需求。

4.4 高疲勞拉索試驗

試件疲勞性能試驗采用德國IST公司生產(chǎn)的10MN疲勞試驗機來進行，該系統(tǒng)的最大試驗負荷為±10MN，疲勞頻率1.5Hz，疲勞試驗裝置如圖10所示。

圖10 疲勞試驗裝置Fig.10 Fatigue testing equipment

試驗結(jié)果見表3，可見通過前文的技術(shù)措施改進和優(yōu)化設計，這種結(jié)構(gòu)的拉索體系可以滿足應力幅度300MPa的疲勞次數(shù)200萬次。

表3 疲勞試驗結(jié)果Tab.3 Fatigue test results

5 結(jié)語

本文針對香溪長江公路橋短吊桿的高應力幅疲勞性能需求，根據(jù)設計指標開發(fā)了一種全新錨固原理的鋼絞線復合式整體擠壓錨固的智能筋拉索，對錨固結(jié)構(gòu)和索體工藝的技術(shù)進行了研發(fā)設計和試驗論證。開發(fā)的新型錨固結(jié)構(gòu)技術(shù)在具有適應拉索的高疲勞、可靠錨固性能的同時，也縮小了拉索的錨頭結(jié)構(gòu)尺寸，有利于錨箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。對于拱橋吊桿中尤其是拱橋處短索動載大、擺幅大的工況，有利于提高其安全性能。另外通過植入光纖光柵智能筋到拉索索體內(nèi)與鋼絞線進行耦合，通過多點分布式測量并建立集成監(jiān)控系統(tǒng)和可以有效地對吊桿索力進行實時監(jiān)控。