大跨徑懸索橋2 000 MPa主纜索股性能試驗研究

李明鵬

(重慶萬橋交通科技發展有限公司，重慶 401336)

懸索橋是以纜索為主要承重結構的橋梁，由主纜、索塔、錨碇、吊索、加勁梁等構件組成，具有受力性能好、跨越能力大、抗震能力強、輕巧美觀、結構形式多樣及對地形適應能力強[1-2]等特點，在現代橋梁結構中占據重要地位，已成為特大跨度橋梁的首選橋型。

近年來,隨著鋼材冶煉技術的不斷發展，鋼絲抗拉強度從早期的1 570 MPa發展到超過2 000 MPa。對大跨徑斜拉橋，采用更高強度的斜拉索既可減小其直徑，又可降低結構橫風位移，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，還能節約拉索鋼絲用量，降低斜拉索造價[3-4]。目前已建成的商合杭蕪湖長江大橋及主跨1 092 m的滬通長江大橋均采用了2 000 MPa平行鋼絲斜拉索[5-6]，未來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，更高強度的主纜索股的研制與應用勢在必行。目前已通車的南沙大橋坭洲水道橋(主跨1 688 m)、楊泗港長江大橋(主跨1 700 m)為國內率先采用1 960 MPa鋼絲主纜的懸索橋。在建的連鎮鐵路五峰山長江大橋為國內荷載最重的公鐵兩用懸索橋，采用1 860 MPa鍍鋅高強鋼絲主纜，主纜擠圓后直徑達1.3 m，為國內主纜直徑最大的懸索橋[7]。目前2 000 MPa級鋼絲生產技術逐漸成熟，若要進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2 000 MPa主纜索股的靜載、動載、抗滑移、抗腐蝕等性能進行研究。

1 2 000 MPa主纜索股靜動載試驗

1.1 靜載試驗

1) 試驗目的：檢驗所使用的材料、工藝制作的成品主纜索股的靜載性能是否達到規定要求。

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

3) 試驗內容：試驗索分2種規格，每3根為1組。試件錨具兩端面之間的距離為4.3 m，試驗中測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度，觀察試件的破壞形式及記錄斷絲情況[9]。靜載試驗如圖1所示。

圖1 2 000 MPa主纜索股靜載試驗

4) 試驗過程：試驗中用經緯儀觀測試驗索張拉端索長的變化量，用游標卡尺測量張拉端錨具鑄體材料內縮值，用百分表觀測固定端錨具鑄體材料回縮值。(1) 當試驗加載至0.6Pb后，卸載至0.1Pb, 觀察錨具是否異常并測量錨杯回縮值，判斷錨具的強度儲備是否足夠；(2) 當加載至0.95Pb時，測量索股伸長量及錨具的內縮值，計算索股極限伸長率，并觀察索股內鋼絲的斷絲情況；(3) 靜載試驗后剖面檢查索股錨頭及錨杯內鋅銅合金的澆鑄密實度。2 000 MPa主纜索股靜載試驗結果如表1所示。

表1 2 000 MPa主纜索股靜載試驗結果

從表1可知，在達到索股破斷荷載時，索股極限延伸率、鋼絲斷絲率及效率系數均滿足規范要求，索股錨具結構及強度合理。

1.2 動載試驗

目的是檢驗2 000 MPa主纜索股的疲勞性能[10]，通過觀察和記錄斷絲情況及鑄體材料密實度，驗證主纜索股制作工藝的科學性、適用性。動載試驗索與靜載試驗索設備相同，動載試驗如圖2所示。

圖2 2 000 MPa主纜索股動載試驗

試驗按照載荷上限2 414 kN、下限1 810 kN的要求進行200萬次疲勞試驗，在疲勞試驗過程中保證荷載峰值不小于2 414 kN，荷載谷值不大于1 810 kN，疲勞試驗加載波形為正弦波形，加載頻率為 1.6 Hz。動載試驗結果如表2所示。

表2 2 000 MPa主纜索股動載試驗結果

由表2主纜索股動載試驗結果表明，2 000 MPa主纜索股在經過200萬次疲勞試驗后，索股斷絲為0，疲勞后的拉伸試驗效率系數超過95%，動載試驗指標滿足規范要求。

2 抗滑移試驗

懸索橋的主纜通過吊桿與橋面連接，吊桿與主纜通過索夾連接。索夾抗滑力不足會導致索夾在主纜上滑移，滑移后將改變吊索狀態,使豎直索變成斜吊索。索一旦發生滑移將改變主梁的受力狀態及吊索的內力，對結構產生不利影響，而且索夾在主纜上的滑移會刻傷主纜纏絲，損壞防銹層,進而使纏絲破壞，導致主纜損傷[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決定，螺栓緊固力與主纜強度無關，因此抗滑摩阻系數的大小很關鍵。為了保證索夾在主纜上不出現滑移，需測定2 000 MPa鍍鋅鋁鋼絲的抗滑摩阻系數。

試驗采用Φ5.5-127預制平行鋼絲索股，長度為9 m，截面按主纜實際截面制作。抗滑移試驗示意如圖3所示。試驗索一端安裝索夾，索夾為C 型索夾( 8孔)，長度600 mm，共配8個高強雙頭螺栓；另一端為主纜錨具，錨具端安裝穿心式千斤頂和測力傳感器，用千斤頂產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。當頂推力逐漸增大至試驗索夾開始滑移，此時所測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公式可由下式計算：

(1)

式中：μ為抗滑摩阻系數；F為索夾開始滑動時千斤頂頂推力，kN；Q為索夾滑動時螺栓的預緊力，kN；m為緊固壓力的不均勻系數，取2.8。3組重復試驗測得的主纜抗滑移試驗數據如表3所示。

經公式(1)計算，3組抗滑移試驗所測的索夾抗滑移系數均大于0.3，大于規范取值0.15，滿足規范要求。

圖3 2 000 MPa主纜索股抗滑移試驗示意

表3 主纜索股抗滑移試驗結果

3 抗腐蝕試驗

近年來，隨著防腐技術的不斷提升，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的熱鍍鋅鋼絲強，鹽霧試驗表明，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度及鍍層均有改變，因此可通過自然狀態及加速狀態下的鹽霧試驗，研究2 000 MPa主纜索股的抗腐蝕性能。

3.1 自然腐蝕試驗

自然腐蝕試驗是將鋼絲及索股暴露于自然環境中，通過定期觀察鋼絲及索股的銹蝕狀況以評價其抗腐蝕性能。將長度為2 m、抗拉強度為2 000 MPa的鍍鋅鋁鋼絲索股3根，在試驗園區內進行自然腐蝕試驗，鋼絲索股試件如圖4所示。

自然腐蝕試驗歷時1年，鍍鋅鋁鋼絲及鋼絲索股外觀無明顯變化，歷時3年，鋼絲表面泛白，未見明顯腐蝕。

圖4 2 000 MPa主纜索股自然腐蝕試驗

3.2 人工加速腐蝕試驗

由于主纜在自然環境中受到多種復雜因素的綜合作用，因而要更真實地再現材料在自然大氣中的腐蝕，通過實驗室加速腐蝕試驗預測材料大氣腐蝕行為及腐蝕規律，必須盡可能地將大氣中的環境因素綜合起來考慮，為此本試驗采取最接近自然環境腐蝕的多因子循環復合腐蝕試驗方法。

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，會在大氣環境中發生腐蝕[13-15]。實驗室加速腐蝕試驗是模擬主纜索股所處自然界環境，以人工配制鹽溶液來模擬酸雨、酸霧等大氣腐蝕成分，其中包括了硫化物、氮氧化物、氯化物等腐蝕化學成分，還模擬了溫度變化、紫外線等環境因素對主纜索股的影響。

盡管鋼絲在出廠時已經進行了加速腐蝕試驗，但為了進一步驗證2 000 MPa的鍍鋅鋁鋼絲的抗腐蝕性能，在實驗室內進行了人工加速腐蝕試驗。該試驗參照GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》，在ZHS-030多功能氣候環境試驗箱中進行，腐蝕試劑為中性NaCl溶液，濃度5%，pH值 6.5～7.2。

試驗前清洗主纜試件，測量鋼絲及索股直徑并稱重，將試件放入鹽霧箱。腐蝕試驗前期，每隔30 d將試件取出，用清水沖洗并風干，對試件外觀拍照記錄，隨后測量試件的直徑和剩余質量。300 d后每隔20 d取出試件，進行記錄、測量及拉伸試驗。

加速腐蝕試驗結果顯示，腐蝕30 d后，鋼絲索股表面出現白色氧化鋅；90 d后，鋼絲索股表面出現細小的點蝕；300 d左右鋼絲索股表面嚴重銹蝕，鍍層損失比達到65%，但鋼絲力學性能無明顯變化；420 d后，索股表面鍍層全部損失，直徑減小約10%，鋼絲極限強度低于1 500 MPa。加速腐蝕試驗表明鋅鋁合金鍍層的抗腐蝕壽命為鍍鋅鋼絲的2倍。

4 結論

1) 2 000 MPa主纜索股靜動載試驗表明，PPWS-91和PPWS-127公稱破斷索力、極限延伸率及斷絲率均滿足性能要求。經200萬次疲勞試驗后，2種規格的主纜索股的斷絲率均為0，疲勞后的拉伸試驗效率系數超過95%，靜動載試驗指標滿足規范要求。

2) 2 000 MPa主纜索股的抗滑移試驗表明，3組試驗測得的主纜與索夾抗滑摩阻系數為0.3，大于規范取值0.15，主纜滿足索夾抗滑移要求。

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