鋅—5%鋁—混合稀土合金高強鋼絲主纜股的研制與生產(chǎn)

楊錦峰

摘 要：研究了鋅-5%鋁-混合稀土合金高強鋼絲的各項性能，對配套鋼絲進行鋼絲主纜索股及制索工藝研究。研制了5-127主纜絲股，并進行了相關(guān)試驗研究，形成了穩(wěn)定的主纜制索成型工藝。鍍鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲的防腐性能優(yōu)于鍍鋅鋼絲，可替代鍍鋅鋼絲作為主纜索股鋼絲，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：懸索橋；主纜索；合金高強鋼絲；錨具；鋅-5%鋁-混合稀土合金

中圖分類號：TG356 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）16-0060-02

1 概述

鋅鋁合金鍍層是Zn-5%Al-RE的共晶合金，它既有鋅的陰極保護效果，又有鋁的屏障保護作用，其共晶組織是鋅和鋁片層相間的均勻機械混合物，可保護它在腐蝕環(huán)境下均勻氧化，是橋梁纜索用鍍鋅鋼絲的優(yōu)良替代鍍層。

我國鋼絲鋼絞線生產(chǎn)廠家均在這種新型的鍍層技術(shù)開發(fā)方面進行過研究，目前已投入生產(chǎn)設(shè)備的廠家有天津冶金集團環(huán)鐘鋼絲有限公司，已可以生產(chǎn)1770MPa級別以下的鋼絲，但均處于起步階段，還需要進行試驗研究的完善。

由于國內(nèi)工程項目不斷推陳出新，對鋼絲及拉索制品均提出很高的要求。本文對鋅-5%鋁-混合稀土合金高強鋼絲的各項性能進行了研究，并對配套鋼絲進行鋼絲拉索錨具及制索工藝的設(shè)計，形成了穩(wěn)定的主纜制索成型工藝，具有極高的推廣價值。

2 主纜索股熱鑄錨錨頭設(shè)計

懸索橋的主纜一般是由多股的主纜標準索股組成，標準索股主要由平行鋼絲絲股和熱鑄錨兩部分組成，其主纜絲股一般有5-127和5-91等多種規(guī)格。根據(jù)《懸索橋預制主纜絲股技術(shù)條件》（JT/T 395-1999）、《公路懸索橋吊索》（JT/T449-2001）、《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術(shù)條件》（GB/T 18365-2001）的技術(shù)標準可知，懸索橋索股的熱鑄錨具應達到以下設(shè)計要求：

（1）靜載性能達到JT/T 395-1999《懸索橋預制主纜絲股技術(shù)條件》標準要求：最大試驗荷載≥95%公稱破斷荷載；（2）疲勞性能達到GB/T 18365-2001《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術(shù)條件》標準的要求：應力上限0.4σb，應力下限0.28σb，經(jīng)200萬次脈沖加載后斷絲不大于總數(shù)的5%。

根據(jù)單根鋼絲與合金在單位面積上的附著力，可計算索股熱鑄錨的錨杯內(nèi)鋼絲錨固長度為：

其中dw為主纜鋼絲直徑，取5mm；為主纜鋼絲在錨杯內(nèi)的錨固長度；σb為主纜鋼絲公稱抗拉強度，取1770MPa；K為鋼絲錨固安全系數(shù)，取K=2.5；ν為單根鋼絲與合金在單位面積上的附著力，取v=20MPa。經(jīng)計算可得≥277mm。

熱鑄錨具的錨杯結(jié)構(gòu)，對熱鑄錨具的受力進行分析。其計算條件為：（1）錨杯材料為ZG310-570，σS≥310MPa，計算時以屈服強度σS為設(shè)計依據(jù)。（2）鋼絲公稱直徑（d）為5mm，鋼絲強度等級（fptk）為1770MPa，鋼絲索最小破斷力（Pb）為3163KN/4413KN。（3）灌鑄材料為鋅銅合金，其粘結(jié)強度（σBb）≥20MPa，壓縮強度（σcb）≥110MPa。

5-91型和5-127型絲股的錨杯內(nèi)鋼絲錨固長度均大于277mm（見表1），因此可認定合金對鋼絲的粘結(jié)應力σB滿足要求。

熱鑄鐓頭錨采用合金澆注，絲股受力過程中的壓縮應力為σc：

其中：θ為合金錐角，ρ為合金對鋼的摩擦角（tanρ=0.2），=。

靜載及疲勞試驗。按照交通行業(yè)標準JT/T395-1999《懸索橋預制主纜絲股技術(shù)條件》標準對OVMRM5-127規(guī)格的主纜索股進行了靜載性能試驗，試驗表明：試驗最大拉力大于公稱破斷力的95%，滿足標準要求。按照國家標準《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術(shù)條件》（GB/T18365-2001），對OVMRM5-127規(guī)格的主纜索股進行了疲勞試驗，試驗完成后對試件進行檢查，發(fā)現(xiàn)有1根絲股發(fā)生破斷，斷絲率為0.79%，其余部位無明顯損傷，滿足標準規(guī)定的斷絲率不大于5%的要求。

3 主纜平行鋼絲索股制作

主纜采用PPWS法施工，工廠預制平行鋼絲索股，以127絲為例研究主纜平行鋼絲索股制作，將127根Φ5mm的鍍鋅鋁高強鋼絲通過工廠生產(chǎn)線編制成束，索股豎向排列成尖頂?shù)恼呅?，用定型捆扎帶綁扎?/p>

主纜單個索股由直徑Φ5mm的127根高強鍍鋅鋁平行鋼絲平行集束成六角形斷面，每隔1.5m用定型包扎帶繞纏，并在兩頭固結(jié)熱鑄錨具而成。具體制作流程見圖1。

（1）標志絲的制作。為了便于在制造、架設(shè)主纜索股過程中觀察、辨別平行鋼絲索股是否扭轉(zhuǎn)，在平行鋼絲索股六角形截面左上角設(shè)一標志絲，沿錨杯之外全長涂上紅色。（2）標準絲的制作。預知平行鋼絲索股長度是通過位于正六角形索股截面邊上角的一根經(jīng)過精確測量的標準絲來控制的。因此標準絲的長度測量精度是保證索長的關(guān)鍵。其制作精度為1/15000。標準絲采用基線測長法制作。設(shè)置的測長基線測距為300m，采用分段基線法制作標準絲，即將精確測量的長直線分數(shù)次來控制標準絲的下料長度，見圖2測長基線位于車間內(nèi)，避免外界環(huán)境的影響。在標準絲制作前，根據(jù)主跨中心點、東西主索鞍中心點、東西邊跨中心點、東西散索鞍起彎點、索股兩端點等九個位置及設(shè)計要求的相應標記點位置，對整條基線長度重新標定。每根索股均對應一根標準絲。在每個標定點粘貼一段經(jīng)檢驗過的鋼尺，以適應各索股長度的微小差異。每根索股上的標記點應按照圖紙要求作出明顯的標記。（3）平行鋼絲索股制作。主纜索股制作工藝流程為：放絲→分絲→聚并成型→牽引→繞包→顏色標記→成盤。索股的車間布置，見圖3。（4）制錨工藝。將主纜索股用鋅銅合金固結(jié)于錨杯的制錨工藝是在制錨平臺上完成。其具體過程包括：1）錨杯內(nèi)腔用清洗液清洗干凈，并灌水測量容積。2）鋼絲穿入錨杯并固定，按工藝卡控制伸入錨杯的鋼絲長度。3）錨杯下口應用石棉或耐火泥充分密封，以保證注入的合金不從下口漏出。并上密封定位夾具實現(xiàn)垂直固定，使鋼絲索股的軸線與錨杯的前端面成直角。用角尺校正，使其角度控制在90±0.5°。4）將主纜索股和錨杯在澆鑄臺用專用工具垂直固定，確保錨杯下的主纜索股垂直長度及彎曲半徑符合規(guī)范要求。5）預熱：鋅銅合金的熔化溫度不得高于600℃，澆鑄鋅銅合金前應將錨杯預熱至（150±10）℃，澆鑄容器預熱至200℃以上，保證鋅銅合金澆鑄溫度為（460±10）℃。6）澆鑄：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。7）冷卻：通過空氣冷卻，為提高生產(chǎn)效率，可采用風扇加快冷卻速度。錨頭表面溫度低于80℃之前不得有任何移動。8）反頂：待錨頭及澆鑄合金完全冷卻至常溫后，將錨頭固定在頂壓臺上，在錨鑄體后端頂壓，頂壓力2000KN，持荷5min，卸壓后測量索股的外移量小于5mm為合格。9）錨杯內(nèi)合金澆鑄應密實、無氣孔，實際澆鑄量應為理論計算澆鑄量的92%以上。合金鑄入率按下式進行計算：，其中：Vz為合金鑄入率（%）；m為實際灌入合金量（g）；Vb為錨杯內(nèi)容積（ml）；ρ為合金密度（g/cm3）；10）所有錨頭的澆鑄按上述規(guī)定檢測。11）錨杯安裝完畢后，在其表面進行噴鋅防護。12）為方便索股的架設(shè)，用紅色油漆在錨頭頂面寫主纜索股編號。

4 結(jié)語

對鍍鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲拉索進行研制，主纜拉索及配套的錨具滿足鋼絲拉索及主纜索的相關(guān)標準要求，靜載破斷力不小于拉索公稱破斷力的95%；疲勞性能按拉索應力上限為0.4σb，應力下限0.28σb，經(jīng)200萬次脈沖加載后斷絲不大于總數(shù)的5%。鋼絲相關(guān)力學性能滿足GB/T17101-1997《橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲》的要求，而鋼絲的防腐性能要優(yōu)于鍍鋅鋼絲，若替代鍍鋅鋼絲作為主纜索股鋼絲將可大大提升懸索橋主纜的防腐性能，具有良好的社會及經(jīng)濟效益。同時形成了穩(wěn)定的主纜制索成型工藝，可滿足主纜索股的生產(chǎn)要求。

參考文獻

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