大直徑高強度鋼絲主纜索股制造技術

彭春陽， 李啟富， 莫仁俊， 王 耀

（1. 柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西 柳州 545005；2. 柳州曙光車橋有限責任公司，廣西 柳州 545000）

長期以來，懸索橋主纜鋼絲一直采用直徑?5 mm 系列，抗拉強度一直維持在1 570～1 770 MPa。隨著橋梁跨徑增大，主纜鋼絲用量增加。提高主纜鋼絲強度，可以減少鋼絲用量，減輕主纜的自重和截面積；增大主纜鋼絲的直徑，可以減少索股數量，降低施工周期；因此，大直徑、高強度鋼絲主纜索股應用于大跨徑懸索橋是未來的發展方向。為適應未來發展趨勢，在國內已可以研制的更高強度1 860、1 960 MPa 級鋼絲，更大直徑?6 mm 系列鋼絲基礎上，開展大直徑、高強度鋼絲主纜索股相關的制造技術研究。武漢楊泗港長江大橋主纜索股鋼絲采用的是?6.2 mm、強度為1 960 MPa 的鍍鋅鋁合金高強鋼絲，與常用的?5.0 mm、強度為1 670 或1 770 MPa 主纜索股相比，鋼絲線徑更大、強度更高，制造相對更困難，本文對其主纜索股制造技術、施工質量控制進行研究。

1 工程概況

武漢楊泗港長江大橋是雙層懸索橋，全長4.134 km，橋面寬32.5 m，主橋跨度布置為465 m+1 700 m+465 m。全橋共2 根主纜，每根由271 股91 根?6.2 mm的索股組成，單根主纜索股長度約為2 836 m，單根索股質量約62 t。見圖1和圖2。

圖2 主纜截面

2 主纜索股制造技術

2.1 結構

主纜索股為正六邊形結構，在六邊形斷面左上角設置紅色油漆涂覆的標志絲，右上角設置精確測量的標準絲。索股每隔1.5 m 用定型包扎帶纏繞定型，兩端裝配熱鑄錨具。見圖3。

圖3 主纜索股

2.2 錨具設計

為保證錨具的錨固效率，對鋼絲與鋅銅合金的握裹性能進行研究；同時對錨杯的錨固結構進行設計、計算、受力分析、試驗驗證。

2.2.1 鋅銅合金的握裹力

分別測試不同握裹長度、相同長度有無錐度的鋼絲拉脫力，由式（1）進行握裹力的計算

式中：λ——握裹力（鋼絲與合金在單位面積上的附著力）,MPa；

F——鋼絲拉脫力，kN；

dw——主纜鋼絲直徑，mm；

L——鋼絲握裹長度，mm。

通過試驗研究發現：鋼絲的拉脫力隨著握裹長度的增大而增大，錨具有錐度，有利于增大鋼絲的握裹力，同時對握裹力的離散程度（工藝穩定性）是有利的。見圖4。

圖4 單根鋼絲握裹力試驗

2.2.2 錨杯

1）結構。錨杯的結構見圖5。

圖5 索股錨杯

2）計算。錨杯的環向應力計算[1]

式中：Ft——錨具環向拉力值；

lsc——錨杯內鑄體材料的有效長度；

tsm——鑄體材料有效長度內錨杯的平均壁厚；

Ns——索股拉力設計值；

φsc——錨杯內鑄體上壓力線與錨杯內錐母線的夾角；

βs——錨杯內錐母線與軸線的夾角。

經計算，錨杯的環向應力值為244.7 MPa，小于材料的屈服強度值，錨杯具有足夠的安全系數。

3）受力分析。根據結構設計圖，進行了ANSYS有限元分析，模擬在受索股破斷索力工況時，錨杯的應力狀況。錨杯所受的最大應力為232.9 MPa，與理論計算值差別不大，小于材料的屈服強度值，錨杯具有足夠的安全系數。見圖6。

圖6 ANSYS有限元分析

2.2.3 錨具制造

錨具制造主要是指索股熱鑄錨杯的制造，工藝流程見圖7。

圖7 索股熱鑄錨杯制造工藝流程

為保證熱鑄錨杯握裹段的制作精度，對熱鑄錨杯的內腔進行機加工并嚴格按照按GB/T 7233.1—2009《鑄鋼件超聲檢測第1 部分：一般用途鑄鋼件》2 級超探要求對錨杯內腔及各部位進行探傷檢測。

2.2.4 錨具防腐工藝

采用熱噴鋅+重防腐涂層的方案進行防護，熱噴鋅厚度＞100 μm，再噴40 μm 厚涂環氧封閉漆進行索股安裝初期的防腐，封閉漆加鋅層能有效防止錨具的腐蝕；橋梁上部結構施工完成后，再對錨具進行進一步的防腐處理，即噴120 μm 厚環氧耐磨漆、80 μm 厚聚氨酯面漆，使整個錨具的防腐層厚度達到340 μm，配合錨室內的除濕系統，此種防腐結構可以有效阻止錨具發生腐蝕，保證主纜錨固性能。

2.2.5 制錨及頂壓工藝控制

錨杯內腔用清洗液清洗干凈，確定鋅銅合金容積，用工裝夾具在錨杯上定位、固定索股的角度及長度位置，鋼絲索股的軸線與錨杯的前端面角度控制在（90±0.5）°；在制錨平臺上澆鑄，澆鑄時鋅銅合金的熔化溫度不得高于600 ℃。錨杯預熱至合適溫度，澆鑄容器預熱至200 ℃以上，保證鋅銅合金澆鑄溫度為（460±10）℃。將合金注入錨杯時，應避免任何振動，澆鑄應一次完成，不得中斷。

錨具及澆鑄合金完全冷卻至常溫后，把索股、錨杯從灌錨平臺上移下。將錨具固定在頂壓臺上，在錨杯大端頂壓，控制頂壓力3 615 kN，持荷5 min，卸壓后測量索股的外移量。經精準容積換算及灌注工藝控制，頂壓回縮值在3 mm內。

2.2.6 靜載及疲勞驗證

為進一步驗證索股靜載、疲勞性能，進行靜載、疲勞試驗：靜載性能達到最大試驗荷載≥95%，公稱破斷荷載；疲勞性能達到應力上限0.45σb，應力幅值200 MPa，經200 萬次脈沖加載后斷絲不大于總數的5%。驗證了其錨固效率完全滿足要求[2]。

2.3 主纜鋼絲的性能

對于索股鋼絲，除要求檢測數據滿足規范要求[3]外，增加了對鋼絲扭轉性能的要求，要求鋼絲滿足100 m 自由扭轉≯3 圈，以此進一步保證索股鋼絲的直線性。

2.4 生產線改造

由于是高強度、大直徑鋼絲主纜索股，生產制作前擔憂纏包力不夠，對生產線進行了改造。

1）對纏包機進行了改進，調整纏包機的張力機構，使得纏包機能夠提供恒扭矩，保證纏包帶不因長度的變化而引起纏包力的變化，即保證纏包力的均勻性。

2）鋼絲的鋼性太大，索股上盤時會影響成盤效果，造成斷帶。為了改善纏包效果，前期將纏包距離由1.5 m 加長為1.8 m。在主纜索股架設過程中，部分索股在工地放索檢驗后發現，距離的加長對纏包效果改善并不明顯，后期將纏包距離由1.8 m 改回了1.5m。

3 主纜索股制作

主纜索股的制作工藝流程見圖8。

圖8 主纜索股制作工藝流程

主纜索股長度是通過標準絲來控制，因此標準絲制作的長度精度直接影響索股的長度精度。楊泗港大橋索股長度2 836 m，標準絲制作采用基線測長法，設置的測長基線為200 m，共需15 次裝夾測量，在充分考慮溫度補償誤差、變量傳遞誤差、累計測量精度誤差等因素下，保證標準絲的測長精度偏差在1/15 000以上，索股的測長精度偏差在1/12 000以上。

4 放索質量及控制方法

為了檢驗索股的制作質量、成盤質量和索股放盤后質量的一致性，在正式生產前按照主纜序號進行了1∶1 的放索試驗。由于場地條件限制，試驗在工廠拉索生產線上進行。在直輥道兩側各一個部位布置升高支架以模擬索鞍，布置間距為6～8 m 的輥道以模擬貓道支撐輥。經放索試驗，索股沒有出現斷帶，索股纏包點成型保持效果良好，說明索股編制纏包張力適宜；索股全長放索后，標志點紅黃油漆標識邊界無明顯滑移，放索全程無明顯索股扭轉和鼓、散絲現象，說明索股內鋼絲長度偏差滿足要求；放索時索股下盤過程在索盤處索股未出現夾絲、卡盤和塌落現象，全長索股成盤質量可靠。

主纜索股放索質量控制，主要是如何控制鼓絲、扭轉問題。產生鼓絲、扭轉的直接原因是索股內各鋼絲間長度不均勻。導致索股內各鋼絲間長度不均勻的原因有2 個：生產制造過程中由于單根鋼絲組合預制成索股時，加工工藝造成索股間各鋼絲存在內應力差；施工現場放索過程中，由于索股是在柔性貓道上牽引，鋼絲在索股牽引過程中經過不同部位，索股下部的鋼絲受到托滾的摩擦力產生拉應力，逐漸向后累積至曲率、高差起伏變化較大的地方，如主索鞍、散索鞍處，造成索股間各鋼絲存在內應力差，同時由于后移限制，鋼絲不可避免鼓出。

為提高索股放索質量，避免索股在施工現場放索過程中出現鼓絲、扭轉問題，可采取以下控制措施。

1）貓道。增加貓道剛度，適當地增大貓道承重索，保證放索時貓道的穩定性并使貓道滾輪的高度保持一致；或分幅對稱布置滾輪，以防放索時貓道產生傾斜；合理設置貓道滾輪，采用合理角度的貓道滾輪，使索股與滾輪成垂直狀態并保持一個面接觸；索鞍處滾輪組的布置也應使索股與滾輪成垂直狀態，索股不與滾輪側面接觸，減少索股的扭轉。

2）索股入鞍后會產生鋼絲分層位移現象，散索鞍處主纜的空間線形及鞍槽平彎和豎彎的共同效應，必然出現鼓絲現象。為了避免索股鼓絲，應確定合理的整形入鞍工藝和順序；在工廠預制索股時，采取索鞍、散索鞍處預成形工藝，減少索股間鋼絲的不均勻，還可提高索股架設效率，縮短架設時間；施工時采取鋼板梳、鋼絲模等工具進行限位調整控制，在主索鞍中跨出口處用四邊形保持器夾緊，保證單根索股整體性，盡量減少串絲等，必要時在側面加設調整夾板；中跨跨中垂度控制在30 cm 左右，邊跨跨中垂度控制在10 cm 左右，便于調整索股，同時減小底層鋼絲的摩擦力；調整索股時，采用木錘在調整部位附近反復不停敲打并利用倒鏈適當上提，以減小鞍槽摩擦力影響。

3）架設牽引過程中，嚴密監督與觀察，杜絕局部鋼絲受掛；避免牽引過程中散絲后，單個或數個鋼絲被掛住，受拉而產生鼓絲。

4）必須將錨跨鼓絲趕至邊跨跨中位置，遠離散索鞍，便于后期恒載增加時，達到消除鼓絲的目的。在緊纜施工過程中，若出現鼓絲問題，可采取平均分配法逐段消除。

5 結語

由于直徑的增大，鋼絲的直線性有比較大地提高，可以改善索股的制造質量，降低索股鼓絲及扭轉出現的概率。楊泗港長江大橋主纜索股的應用，成功地將大跨徑懸索橋高強度鋼絲直徑由5 系列提高到6系列，給后續大跨徑懸索橋建設積累了大跨徑、大直徑、高強度鋼絲主纜索股的經驗，從施工現場的放索效果反饋，大跨徑、大直徑、高強度鋼絲主纜索股的制造已經能夠滿足工程要求。