香溪長(zhǎng)江公路大橋高應(yīng)力幅智能拉索設(shè)計(jì)論證

朱元 張銘 張峰

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

引言

隨著基礎(chǔ)建設(shè)的加快，工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量成為了社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，如何快速提前感知工程結(jié)構(gòu)存在的風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)的擴(kuò)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(cè)逐步成為關(guān)注的焦點(diǎn)。尤其是橋梁上的拉索是生命線的關(guān)鍵點(diǎn)之一，拉索的使用壽命長(zhǎng)度和拉索使用工況的可監(jiān)控度，成為預(yù)防發(fā)生橋梁坍塌事故需要完善的地方。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)橋梁拉索的監(jiān)控檢測(cè)還主要集中在日常的人為維護(hù)和檢測(cè)索力，例如壓力傳感器、磁通量傳感器、頻率法檢測(cè)儀器等等。這幾種檢測(cè)手段都需要安裝在拉索索體外，且其工作效率差而且耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，且檢測(cè)手段比較落后，無(wú)法對(duì)拉索的使用狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此本文結(jié)合工程需求，開(kāi)發(fā)了一種植入拉索索體內(nèi)的可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控拉索索力，且提高拉索抗疲勞性能的一種高應(yīng)力幅智能拉索。

高應(yīng)力幅、智能拉索的研制可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)拉索索力的實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效檢測(cè)拉索的使用工況，提前預(yù)測(cè)拉索的使用壽命及其可靠性。另外其可用于高應(yīng)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(zhǎng)久。

本文根據(jù)香溪長(zhǎng)江公路大橋設(shè)計(jì)提出吊桿需滿足300MPa的大動(dòng)載荷疲勞和大位移偏擺幅度需求，開(kāi)發(fā)出高出標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)江公路大橋是湖北省骨架公路網(wǎng)中第6縱（鄖縣—來(lái)鳳）的第2條支線（興山—五峰）跨越長(zhǎng)江的節(jié)點(diǎn)工程，橋址位于長(zhǎng)江三峽兵書寶劍峽峽口。大橋全長(zhǎng)883.2m，主橋?yàn)橹骺?19m（計(jì)算跨徑）中承式鋼桁架拱橋。主橋長(zhǎng)531.2m，橋跨組合為：2×35m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁+531.2m（主孔兩過(guò)渡墩之間的跨度）+9×30m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。大橋按四車道一級(jí)公路設(shè)計(jì)，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(jí)為公路I級(jí)。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(zhǎng)度為12.0m，吊桿間距為12.0m；橋面以下主桁節(jié)間長(zhǎng)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(yīng)力幅疲勞性能，通過(guò)提高拉索的疲勞性能有利于橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)的降低，延長(zhǎng)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(biāo)需求

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)工程設(shè)計(jì)需求，短吊桿采用37根1860MPa級(jí)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(wú)粘結(jié)HDPE成品索結(jié)構(gòu)，PE外層設(shè)計(jì)成雙螺旋線結(jié)構(gòu)抑制風(fēng)雨激振。要求吊桿在滿足0.4Fptk應(yīng)力上限的設(shè)計(jì)索力下，能夠?qū)崿F(xiàn)300MPa的應(yīng)力幅疲勞次數(shù)200萬(wàn)次的性能指標(biāo)。吊桿索體中耦合光纖光柵智能鋼絞線，用于對(duì)吊桿索力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

拉索錨具應(yīng)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(yù)應(yīng)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(dá)到《斜拉索設(shè)計(jì)、測(cè)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(yīng)力應(yīng)變值符合線性同步規(guī)律達(dá)到99.5%及以上。

2.3 吊桿空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求

根據(jù)設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外采用吊桿設(shè)計(jì)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(yīng)力對(duì)整個(gè)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(xiàng)目設(shè)計(jì)所要求解決的問(wèn)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(guò)優(yōu)化錨箱結(jié)構(gòu)空間來(lái)實(shí)現(xiàn)降低整個(gè)橋體結(jié)構(gòu)的重量和造價(jià)成本，因此必須開(kāi)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(duì)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(shè)計(jì)特點(diǎn)，首先考慮合適的錨具尺寸能夠滿足穿索孔道的設(shè)計(jì)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(duì)穿索孔道和錨固區(qū)提出了更大的空間要求，無(wú)法適應(yīng)本項(xiàng)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(duì)較小，各種索錨具對(duì)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(duì)比Fig.3 Comparative drawings of various cable anchors

3.2 如何實(shí)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(duì)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(dòng)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(diǎn)。

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(wú)法滿足設(shè)計(jì)需求，因此為了適應(yīng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，專門開(kāi)發(fā)了一種采用整體擠壓+冷鑄復(fù)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(yīng)力幅錨具結(jié)構(gòu)）[4]。該結(jié)構(gòu)相對(duì)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(diǎn)空間安裝需求和方便穿索孔徑設(shè)計(jì)。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(guò)設(shè)計(jì)延長(zhǎng)筒的方式，增強(qiáng)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(gè)錨固區(qū)索體的抗疲勞、抗微震動(dòng)性能。

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

3.3 高應(yīng)力幅疲勞性能的保障措施

1.開(kāi)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(yīng)力集中的問(wèn)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(hù)材料，可以有效地抵抗拉索在振動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)。

3.錨頭外表面通過(guò)采用特殊刀具車削螺紋，并進(jìn)行噴丸除應(yīng)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(yīng)力幅，還專門聯(lián)合鋼絞線廠家開(kāi)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(shí)施及工藝試驗(yàn)

4.1 智能拉索成品索設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目采用37根φ15.2mm的高強(qiáng)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(hù)索體結(jié)構(gòu)，組裝在擠壓錨具內(nèi)，通過(guò)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(shè)計(jì)方案，可以有效地將拉索中心索力通過(guò)光纖光柵傳感器進(jìn)行檢測(cè)，由于鋼絞線是采用無(wú)粘結(jié)相互隔離保護(hù)，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(hù)傳感器耐久性。

圖7 智能索設(shè)計(jì)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(guò)刻痕設(shè)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(hào)檢測(cè)。

采用鋼絲刻槽設(shè)計(jì)，避免了擠壓過(guò)程及使用中鋼絞線對(duì)傳感器的擠壓破壞，同時(shí)拉索制作過(guò)程中需要對(duì)光纖光柵進(jìn)行保護(hù)處理，通過(guò)在光纖表面包裹一層保護(hù)套進(jìn)行隔離，并且在擠壓工裝上進(jìn)行開(kāi)孔，先將光纖光柵引出錨具，進(jìn)行工藝過(guò)程控制。

4.3 智能索試驗(yàn)測(cè)試

本項(xiàng)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(zhǎng)的光部分或全部發(fā)射，它的反射的中心波長(zhǎng)方程式為λB＝2NeffΛ，式中：λB為光柵布喇格波長(zhǎng)，Neff為纖芯的有效折射率，Λ為光柵周期[5]。

對(duì)智能拉索進(jìn)行靜載試驗(yàn)測(cè)試：制作了兩根PL1和PL2試驗(yàn)索，光纖光柵波長(zhǎng)的測(cè)定選用解調(diào)儀ZX-FP-C16，試驗(yàn)索在柳州歐維姆公司實(shí)驗(yàn)室張拉臺(tái)座上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)先張拉0.1F（F為標(biāo)準(zhǔn)破斷力）預(yù)緊，試驗(yàn)過(guò)程每0.1F張拉一次，并持荷5min，張拉到0.95F時(shí)試驗(yàn)停止，兩根自感知試驗(yàn)索在0.95F時(shí)均未發(fā)生損壞，事實(shí)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(yàn)索PL1和PL2的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖9。

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

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

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

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，PL1和PL2兩組成品拉索的測(cè)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(cè)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(dá)到設(shè)計(jì)需求。

4.4 高疲勞拉索試驗(yàn)

試件疲勞性能試驗(yàn)采用德國(guó)IST公司生產(chǎn)的10MN疲勞試驗(yàn)機(jī)來(lái)進(jìn)行，該系統(tǒng)的最大試驗(yàn)負(fù)荷為±10MN，疲勞頻率1.5Hz，疲勞試驗(yàn)裝置如圖10所示。

圖10 疲勞試驗(yàn)裝置Fig.10 Fatigue testing equipment

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，可見(jiàn)通過(guò)前文的技術(shù)措施改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)的拉索體系可以滿足應(yīng)力幅度300MPa的疲勞次數(shù)200萬(wàn)次。

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

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)香溪長(zhǎng)江公路橋短吊桿的高應(yīng)力幅疲勞性能需求，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)開(kāi)發(fā)了一種全新錨固原理的鋼絞線復(fù)合式整體擠壓錨固的智能筋拉索，對(duì)錨固結(jié)構(gòu)和索體工藝的技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)論證。開(kāi)發(fā)的新型錨固結(jié)構(gòu)技術(shù)在具有適應(yīng)拉索的高疲勞、可靠錨固性能的同時(shí)，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(shè)計(jì)。對(duì)于拱橋吊桿中尤其是拱橋處短索動(dòng)載大、擺幅大的工況，有利于提高其安全性能。另外通過(guò)植入光纖光柵智能筋到拉索索體內(nèi)與鋼絞線進(jìn)行耦合，通過(guò)多點(diǎn)分布式測(cè)量并建立集成監(jiān)控系統(tǒng)和可以有效地對(duì)吊桿索力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。