滬通長(zhǎng)江大橋直徑7 mm 2 000 MPa級(jí)鋼絲試驗(yàn)研究

閆志剛， 薛花娟

(1. 中國(guó)鐵路總公司 工程管理中心， 北京 100038； 2. 江蘇東綱金屬制品有限公司，江蘇 江陰 214400)

1 工程概況

滬通鐵路是我國(guó)鐵路網(wǎng)線沿海通道中重要組成部分，是魯東、蘇北與上海、蘇南、浙東地區(qū)最便捷的鐵路運(yùn)輸通道，也是長(zhǎng)三角地區(qū)快速軌道交通網(wǎng)的重要組成部分。上海至南通鐵路長(zhǎng)江大橋(滬通長(zhǎng)江大橋)是新建滬通鐵路的控制性工程，全長(zhǎng)11 072 m，上層雙線6車道公路，下層為4線鐵路，橋位位于江陰長(zhǎng)江公路大橋下游約45 km，蘇通長(zhǎng)江公路大橋上游約40 km[1-4]。其中主航道橋?yàn)?140+462+1 092+462+140)m 五跨雙塔連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，主跨1 092 m，見圖1。

主航道橋跨度大、荷載重，決定了斜拉索索力大、部分斜拉索長(zhǎng)度大，雖然對(duì)三主桁結(jié)構(gòu)斜拉索布置為3個(gè)索面，最大索力高達(dá)13 000 kN，但傳統(tǒng)的斜拉索強(qiáng)度難以滿足實(shí)際的工程需要，需研制2 000 MPa 以上的超高強(qiáng)度斜拉索。隨著鋼絲強(qiáng)度的提高，可以使用更小截面的斜拉索，使得耗鋼量減少，經(jīng)濟(jì)效益明顯。其次，超高強(qiáng)度鋼絲的運(yùn)用，可以減小斜拉索的直徑，減小迎風(fēng)面積，減小風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。另外，超高強(qiáng)度鋼絲的運(yùn)用，降低了最大單索重量，也降低了運(yùn)輸和架設(shè)的困難。因此，2 000 MPa超高強(qiáng)度斜拉索使用鋼絲新產(chǎn)品、新技術(shù)的開發(fā)是橋梁纜索行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)外常用的斜拉索體系有平行鋼絲斜拉索和鋼絞線斜拉索2 種類型[5-6]，兩者各有特點(diǎn)，主要特性比較可參考文獻(xiàn)[7]。而直徑7 mm 2 000 MPa級(jí)鋼絲尚未有工程應(yīng)用，如港珠澳青州航道橋采用直徑7 mm的平行鋼絲斜拉索，鋼絲抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa[8]；楊泗港長(zhǎng)江大橋?yàn)閼宜鳂颍骼|鋼絲強(qiáng)度達(dá)到1 960 MPa，其鋼絲直徑為6.2 mm[9]；虎門二橋坭洲水道橋主纜采用直徑5 mm抗拉強(qiáng)度1 960 MPa的平行鋼絲[10]。滬通長(zhǎng)江大橋斜拉索采用耐久性優(yōu)異的直徑7 mm平行鋼絲制成，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為2 000 MPa，全橋共布置拉索3×2×2×36=432 根，分別選用253-φ7、265-φ7、283-φ7、301-φ7、337-φ7、367-φ7、409-φ7、421-φ7、439-φ7、451-φ7 共10 種規(guī)格(索體斷面示意見圖2)，單根最小制造長(zhǎng)度為134.975 m，單根最大制造長(zhǎng)度為576.193 m。單根最小索重114 kN，最大索重835 kN(含保護(hù)層)。

采用優(yōu)質(zhì)國(guó)產(chǎn)高碳鋼盤條生產(chǎn)出φ7 mm-2 000 MPa超高強(qiáng)度鋼絲后，進(jìn)行200 t批量試制試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該鋼絲在獲得超高強(qiáng)度的同時(shí)，具有良好的塑韌性和成卷鋼絲的通條穩(wěn)定性，即將用于滬通長(zhǎng)江大橋現(xiàn)場(chǎng)施工建設(shè)。

2 2 000 MPa級(jí)鋼絲技術(shù)條件

綜合以往的研究試驗(yàn)和成果[11-12]，直徑7 mm 2 000 MPa鋼絲關(guān)鍵技術(shù)成果主要包括抗拉強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)性能以及硫酸銅試驗(yàn)指標(biāo)性能?？估瓘?qiáng)度要求達(dá)到2 000 MPa，反映了鋼絲的總體承載能力；扭轉(zhuǎn)性能要求達(dá)到12次，反映了鋼絲的材質(zhì)的均勻性和韌性；硫酸銅試驗(yàn)指標(biāo)，反映了鋼絲表面鋅鋁鍍層的均勻性，是鋼絲耐久性能的重要保證，要求達(dá)到4次。在以上重要指標(biāo)突破的基礎(chǔ)上，提出了《滬通長(zhǎng)江大橋用2 000 MPa級(jí)平行鋼絲斜拉索技術(shù)條件》[13]。

(1) 盤條要求

斜拉索使用的鋼絲采用優(yōu)質(zhì)高碳鋼盤條制作而成，盤條的化學(xué)成分見表1。

表1 高碳鋼盤條化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

(2) 鋅鋁合金鍍層鋼絲技術(shù)要求

斜拉索使用的鋼絲為直徑7 mm、抗拉強(qiáng)度2 000 MPa的低松弛鋅鋁合金鍍層鋼絲，鋼絲不允許有任何形式的接頭，其主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合表2規(guī)定。

表2 鋅鋁合金鍍層鋼絲技術(shù)要求

3 試制與試驗(yàn)研究

3.1 鋼絲高強(qiáng)度高韌性機(jī)理

本項(xiàng)目高強(qiáng)度鋼絲是基于共析鋼冷拉強(qiáng)化機(jī)理對(duì)碳含量達(dá)到0.90%以上的過(guò)共析鋼進(jìn)行拉拔并熱鍍鋅鋁合金。其中拉拔是鋼絲獲得高強(qiáng)度、高韌性的主要環(huán)節(jié)。對(duì)于拉拔應(yīng)變小于 2.0的珠光體，隨著變形量的增加，大量的珠光體片層發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，與拉伸軸方向逐漸趨于一致，在變形的過(guò)程中被減薄變成了纖維狀細(xì)條。珠光體片層間距不斷減小，滲碳體片層厚度和鐵素體片層厚度基本上同步減小，鐵素體-滲碳體相界面是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，鐵素體和滲碳體相細(xì)化導(dǎo)致晶粒界面數(shù)量增加，增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，宏觀上表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度的增大。對(duì)于橋梁纜索用鋼絲，盤條組織以索氏體組織(細(xì)珠光體)為主，組織含量達(dá)到90%以上。隨著拉拔，鋼絲的組織結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生變化，其強(qiáng)度提高，塑性降低。

由于索氏體是由鐵素體、滲碳體片層組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，因此索氏體強(qiáng)度可以采用混合律進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中分別考慮鐵素體、滲碳體的強(qiáng)度。

σ=σαVα+σθVθ

( 1 )

式中：σ為變形后鋼絲的抗拉強(qiáng)度；σα、σθ分別為鐵素體、滲碳體的抗拉強(qiáng)度；Vα、Vθ分別為鐵素體、滲碳體的體積分?jǐn)?shù)。

通常在鋼絲拉拔研究中，式( 1 )可表示拉拔鋼絲的抗拉強(qiáng)度。

隨著變形應(yīng)變量的增大，加工硬化使得鐵素體和滲碳體強(qiáng)度均隨之增大。但由于滲碳體不易塑性變形，其加工硬化效應(yīng)可基本忽略。而鐵素體的強(qiáng)度隨片層厚度變化大致符合Hall-Petch關(guān)系式

( 2 )

式中：σα0為初始鐵素體抗拉強(qiáng)度；K為與材料有關(guān)的常數(shù)；dαε為拉拔應(yīng)變后鐵素體片層厚度。

據(jù)式( 1 )、式( 2 )，拉拔后光面鋼絲的抗拉強(qiáng)度可簡(jiǎn)化為[14]

σ=A+Bexp(ε/4)

( 3 )

式中：A為盤條的原始抗拉強(qiáng)度；B為鋼絲的加工硬化率；ε為鋼絲的拉拔應(yīng)變，鋼絲拉拔中的應(yīng)變?chǔ)?2lnD0/D，其中,D0為盤條的直徑，D為拉拔后的鋼絲直徑。

在試生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)化學(xué)成分的調(diào)整和成分偏析控制技術(shù)，在現(xiàn)有纜索用鋼化學(xué)成分的基礎(chǔ)上提高C含量并適當(dāng)添加其他合金元素如Cr、Si ，在澆鑄過(guò)程中采用電磁攪拌和低過(guò)熱澆鑄技術(shù)，提供可靠性更高的高強(qiáng)度高韌性鋼絲專用線材盤條；通過(guò)采用盤條索氏體化處理，也是獲得高強(qiáng)度、高韌性的一個(gè)關(guān)鍵因素；在鋼絲生產(chǎn)中，除需要控制拉拔的總壓縮率和部分壓縮率外，還要對(duì)拉拔速度、潤(rùn)滑劑等各項(xiàng)條件進(jìn)行控制。

3.2 盤條檢測(cè)試驗(yàn)情況

本次200 t試生產(chǎn)總計(jì)盤條120件，共3個(gè)爐號(hào)，約220 t。盤條入廠后按照盤條技術(shù)參數(shù)對(duì)盤條進(jìn)行抽樣檢測(cè)，包括尺寸、力學(xué)性能、化學(xué)成分、脫碳層、非金屬夾雜物及表面質(zhì)量等，檢測(cè)情況見表3～表6，盤條成分滿足技術(shù)條件和規(guī)范[15]要求。

表3 盤條直徑及不圓度 mm

表4 盤條化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表5 盤條力學(xué)性能

表6 盤條脫碳層、非金屬夾雜及表面缺陷

3.3 平行鋼絲試驗(yàn)

3.3.1 加工硬化情況

加工硬化試驗(yàn)研究選取3卷盤條，分別檢測(cè)盤條、光面鋼絲及熱鍍后鋼絲的力學(xué)性能，檢測(cè)結(jié)果見表7。

由表7可見，3件φ14.0 mm-XC95LS盤條平均強(qiáng)度分別為1 514、1 554、1 501 MPa，經(jīng)拉拔至6.95 mm左右，其鋼絲的拉拔應(yīng)變?yōu)?.40。經(jīng)拉拔后，光面鋼絲的平均強(qiáng)度分別達(dá)到2 079、2 098、2 050 MPa?；谑? 3 )，對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性曲線擬合，得到

σ=1 500+387.16exp(ε/4)

( 4 )

在200 t的試生產(chǎn)中，對(duì)以上擬合曲線進(jìn)行了相關(guān)性檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)R大于 0．99，證明本試驗(yàn)擬合的曲線正確合理，精度較高。結(jié)合以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可以看出，式( 3)中的系數(shù)項(xiàng)B與鋼絲中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，對(duì)于2 000 MP鋼絲，曲線斜率比傳統(tǒng)的鋼絲有所增大，說(shuō)明隨盤條含碳量的提高其加工硬化程度不斷提高。再經(jīng)熱鍍后，平均強(qiáng)度分別降低了25、21、22 MPa，強(qiáng)度損失約為1.1%。

表7 加工硬化試驗(yàn)研究力學(xué)性能

3.3.2 不同工藝后的力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)比試驗(yàn)選取5組鋼絲，分別對(duì)光面鋼絲、鍍鋅鋁后鋼絲及穩(wěn)定化處理后鋼絲進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)試驗(yàn)，5組鋼絲的力學(xué)性能檢測(cè)平均結(jié)果見表8。

表8 不同工況下的力學(xué)性能均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由以上數(shù)據(jù)分析可知，光面鋼絲經(jīng)過(guò)熱鍍鋅鋁合金后，強(qiáng)度損失約1.1%，再經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理后，強(qiáng)度基本保持不變；通過(guò)對(duì)比拉絲、熱鍍及穩(wěn)定化處理后的鋼絲扭轉(zhuǎn)次數(shù)均未發(fā)生較大變化。

3.3.3 鋼絲疲勞性能試驗(yàn)

選取3組(3根試件為1組)鋼絲進(jìn)行單絲軸向動(dòng)載性能試驗(yàn)研究，檢測(cè)方法基于文獻(xiàn)[16]附錄A，疲勞試驗(yàn)要求及試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 鋼絲疲勞試驗(yàn)要求及試驗(yàn)結(jié)果

3.3.4 首尾端力學(xué)性能及鍍層性能檢測(cè)

試生產(chǎn)總計(jì)投入φ14.0 mm-XC95LS 盤條120 件，最終制作成品鋼絲總計(jì)132 件。

(1) 主要性能統(tǒng)計(jì)分析

鋼絲的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、抗扭轉(zhuǎn)性能、鍍層均勻性以及鍍層質(zhì)量的指標(biāo)分布統(tǒng)計(jì)情況見表10、圖3。

表10 鋼絲主要檢測(cè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

(2) 通過(guò)對(duì)132 件成品鋼絲進(jìn)行直徑、不圓度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、彈性模量、扭轉(zhuǎn)、反復(fù)彎曲、纏繞、鍍層質(zhì)量、鍍層附著性、鍍層均勻性、鍍層鋁含量和自由翹高首尾檢測(cè)，單項(xiàng)指標(biāo)合格率統(tǒng)計(jì)為:① 扭轉(zhuǎn)性能合格率為98.9%；②鍍層均勻性合格率為98.9%；③其他指標(biāo)合格率均為100%。鋼絲抗拉試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)后斷面效果見圖4。

匯總132件成品鋼絲試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于每一批試件中出現(xiàn)不合格單項(xiàng)指標(biāo)，即認(rèn)為該試件不合格，則計(jì)算得其綜合合格率為95.5%，能夠滿足工程應(yīng)用需要。在工程應(yīng)用中，通過(guò)采取生產(chǎn)廠家自檢、工程應(yīng)用單位抽檢和第三方檢測(cè)等質(zhì)量控制措施，不允許不合格鋼絲出廠，保證工程建設(shè)應(yīng)用合格產(chǎn)品。

4 結(jié)論

針對(duì)滬通長(zhǎng)江大橋的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，進(jìn)行了2 000 MPa高強(qiáng)度平行鋼絲試驗(yàn)研究。對(duì)采用國(guó)產(chǎn)盤條生產(chǎn)的鋼絲關(guān)鍵性能指標(biāo)及技術(shù)條件進(jìn)行研究，試制成品鋼絲進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)及疲勞性能等檢測(cè)試驗(yàn)分析，得到如下結(jié)論：

(1) 根據(jù)試制試驗(yàn)結(jié)果，擬合出2 000 MPa鋼絲抗拉強(qiáng)度的加工硬化率參數(shù)，可用于指導(dǎo)后續(xù)鋼絲生產(chǎn)。

(2) 研制出的橋梁纜索用直徑7 mm鋼絲抗拉強(qiáng)度達(dá)到2 000 MPa，扭轉(zhuǎn)次數(shù)平均值達(dá)到25.5次，松弛率小于2.5%，使大直徑鋼絲既有較高的強(qiáng)度，又具有良好的韌塑性和松弛穩(wěn)定性，提高了產(chǎn)品的綜合性能。

(3) 試制的2 000 MPa 鋼絲抗疲勞性能較好，不僅在應(yīng)力上限為45%抗拉強(qiáng)度、應(yīng)力幅值360 MPa 的條件下經(jīng)過(guò)200 萬(wàn)次循環(huán)加載未發(fā)生斷裂，而且在應(yīng)力上限為50%抗拉強(qiáng)度、應(yīng)力幅值分別為410、460 MPa 的條件下經(jīng)過(guò)200 萬(wàn)次循環(huán)加載也未發(fā)生斷裂。

(4) 鋼絲鍍層質(zhì)量≥300 g/m2，鍍層均勻性試驗(yàn)合格率達(dá)到98.9%；鍍層附著性好，經(jīng)過(guò)5D×8 圈的纏繞試驗(yàn)，不起層、不剝落，使鋼絲的耐腐蝕性能在鍍鋅鋼絲的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升。

直徑7 mm 2 000 MPa平行鋼絲為依托滬通長(zhǎng)江大橋項(xiàng)目首次研發(fā)成功并得到工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了鋼絲用盤條的國(guó)產(chǎn)化，既推動(dòng)了我國(guó)鋼鐵冶煉技術(shù)的進(jìn)步，又提升了我國(guó)橋梁建設(shè)水平。