懸索橋鍍鋅鋁鋼絲主纜索夾抗滑測試分析

□文/彭春陽 李啟富 黃子能 黃家珍 王 耀

鍍鋅鋁鋼絲具有優(yōu)越的耐久性，在大氣環(huán)境中的耐蝕能力是同厚度熱鍍鋅層的2～3 倍[1]，目前在橋梁工程中已進(jìn)行批量應(yīng)用，懸索橋主纜鍍鋅鋁鋼絲已逐漸取代鍍鋅鋼絲。

鍍鋅鋁鋼絲是Zn-5%Al-RE 的共晶合金，既有鋅的陰極保護(hù)，又有鋁的屏障保護(hù)，可在腐蝕環(huán)境下均勻氧化；鍍層的延展性能好，不會(huì)產(chǎn)生普通鍍鋅工藝的脆性層，提高了鋼絲產(chǎn)品的抗疲勞性能；鍍鋅鋁鋼絲的熱鍍溫度低于鍍鋅鋼絲的熱鍍溫度，能效較低，有效保證了鋼絲各項(xiàng)力學(xué)性能和機(jī)械性能不低于鍍鋅鋼絲[2]。

懸索橋結(jié)構(gòu)中，橋面荷載通過吊索和索夾傳遞給主纜，索夾與主纜之間的抗滑摩擦是保證荷載有效傳遞的關(guān)鍵[3]。索夾抗滑力不足會(huì)導(dǎo)致索夾在主纜上產(chǎn)生滑移，從而導(dǎo)致整個(gè)懸索橋結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響；刻傷主纜，破壞防腐層，進(jìn)而導(dǎo)致主纜損傷[4]。而主纜是由數(shù)以千計(jì)的鋼絲組成的相對(duì)松散的柔性結(jié)構(gòu)，影響索夾抗滑力的因素較多，因此索夾的抗滑試驗(yàn)研究是非常重要的。國內(nèi)對(duì)鍍鋅鋼絲主纜的抗滑試驗(yàn)進(jìn)行了一些研究，但是對(duì)鍍鋅鋁鋼絲主纜的抗滑試驗(yàn)報(bào)道比較少。

本文以兩座主跨400 m 左右的懸索橋?yàn)槔?，分析鍍鋅鋁鋼絲主纜與索夾抗滑試驗(yàn)性能并對(duì)鍍鋅鋁高強(qiáng)度鋼絲主纜索夾的螺栓緊固力損失進(jìn)行試驗(yàn)研究，以便了解鍍鋅鋁鋼絲主纜與索夾之間的抗滑摩擦。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 測試模型

橋梁一，主纜采用PPWS(預(yù)制平行鋼絲索股)法編制[5]，每根主纜由68股預(yù)制平行鋼絲索股組成，每索股由127 根直徑5.2 mm、強(qiáng)度1 770 MPa 的鍍鋅鋁鋼絲組成，試驗(yàn)索股長8 m。

橋梁二，主纜采用PPWS(預(yù)制平行鋼絲索股)法編制[5]，每根主纜由91股預(yù)制平行鋼絲索股組成，每股由127 根直徑5.2 mm、強(qiáng)度1 670 MPa 的鍍鋅鋁鋼絲組成，試驗(yàn)索股長8 m。見圖1。

圖1 主纜模型構(gòu)造

1.2 基本參數(shù)

1）橋梁一。試驗(yàn)索夾在主纜上對(duì)應(yīng)的吊索設(shè)計(jì)拉力Nh為2 676 kN，其安裝傾角φ 為22.997°，索夾內(nèi)徑dc為533.6 mm，索夾上下兩片開口間距離為13 mm，索夾高強(qiáng)螺栓數(shù)量ncb為18 副，螺栓設(shè)計(jì)預(yù)緊力Pcb為450 kN/副，索夾理論抗滑摩阻力，按式（1）計(jì)算[6]

式中：Ffc——索夾抗滑摩阻力；

K——緊固壓力分布不均勻系數(shù)，取2.8；

μ——摩擦系數(shù)，取0.15；

Ptot——索夾上螺桿總的設(shè)計(jì)夾緊力。

2）橋梁二。試驗(yàn)索夾在主纜上對(duì)應(yīng)的吊索設(shè)計(jì)拉力Nh為3 473 kN，其安裝傾角φ 為22.992°，索夾內(nèi)徑dc為617 mm，索夾上下兩片開口間距離為13 mm，索夾高強(qiáng)螺栓數(shù)量ncb為20 副，螺栓設(shè)計(jì)預(yù)緊力Pcb為439 kN/副，索夾理論抗滑摩阻力，按式（1）計(jì)算[6]，F(xiàn)fc=3 687.6（kN）。

1.3 測試方法

1.3.1 緊纜測試

1）將制作好的索股安裝于V 形支架上并固定好每一股的位置，見圖2。

圖2 編排成形的索股主纜

2）索股編排成主纜后，用緊纜機(jī)分段將主纜外圈整成圓形并上緊緊纜箍，直到主纜全部整成圓形，測量主纜的外徑并記錄。見圖3。

圖3 緊纜后的主纜

1.3.2 索夾抗滑測試

1）緊纜后安裝索夾及高強(qiáng)螺栓副，見圖4。

圖4 安裝索夾

2）用標(biāo)定的液壓扳手對(duì)索夾螺栓同時(shí)進(jìn)行緊固，為使每個(gè)螺栓緊固力均勻，緊固螺栓按從里到外的順序逐級(jí)進(jìn)行。在緊固高強(qiáng)螺栓的同時(shí)測量索夾圓柱體外徑及索夾上下兩片的間距并記錄其數(shù)據(jù)。見圖5。

圖5 緊固螺栓

3）高強(qiáng)螺栓緊固到設(shè)計(jì)預(yù)緊力后，進(jìn)行索夾抗滑試驗(yàn)。按圖6 所示，通過2 臺(tái)標(biāo)定千斤頂施加推力，按每級(jí)5 MPa 逐級(jí)緩慢加載，通過百分表觀察索夾是否滑移，加載到索夾理論抗滑摩阻力后停機(jī)，保壓5 min，觀察索夾是否滑移，記錄其數(shù)值，繼續(xù)加載直至索夾克服靜摩擦力產(chǎn)生連續(xù)滑移，記錄其數(shù)值。見圖7和圖8。

圖6 索夾抗滑試驗(yàn)安裝

圖7 百分表安裝

圖8 索夾抗滑頂推概貌

1.3.3 索夾螺栓副緊固力損失試驗(yàn)

1）抗滑試驗(yàn)完成后，將索夾重新安裝至新位置并將螺栓重新緊固至設(shè)計(jì)預(yù)緊力。

2）索夾高強(qiáng)螺栓在緊固至設(shè)計(jì)預(yù)緊力狀態(tài)下，放置3 月后，進(jìn)行索夾螺栓緊固力測量并記錄各螺栓緊固力數(shù)值。

3）按“1.3.2 節(jié)第3 步”進(jìn)行索夾抗滑力試驗(yàn)，記錄其實(shí)際抗滑移力值。

2 抗滑測試結(jié)果分析

2.1 主纜緊纜測試分析

主纜緊纜后，實(shí)測的主纜空隙率，橋梁一為18.6%，橋梁二為19%，主纜一般截面空隙率滿足規(guī)范要求的主纜一般截面空隙率在18%～20%之間的規(guī)定。見表1。

表1 緊纜后實(shí)測數(shù)據(jù)

2.2 索夾體抗滑測試分析

2.2.1 索夾處空隙率

索夾處空隙率見表2。

表2 索夾處實(shí)測數(shù)據(jù)

索夾螺栓緊固完成后，通過實(shí)測索夾兩端間距，求出主纜索夾內(nèi)截面的空隙率，橋梁一為16.9%，橋梁二為17%，主纜索夾內(nèi)截面空隙率滿足規(guī)范要求的索夾內(nèi)截面空隙率在16%～18%之間的規(guī)定。

2.2.2 索夾抗滑驗(yàn)證

橋梁一高強(qiáng)螺栓緊固到設(shè)計(jì)預(yù)緊力的100%時(shí)，實(shí)測索夾體抗滑摩阻力F 為3 869 kN，則索夾抗滑安全系數(shù)，按式（2）計(jì)算

式中：Kfc——索夾抗滑系數(shù)；

Nc——主纜上索夾的下滑力，Nc=Nhsinφ

索夾與主纜之間摩擦系數(shù)

橋梁二高強(qiáng)螺栓緊固到設(shè)計(jì)預(yù)緊力的100%時(shí)，實(shí)測索夾抗滑摩阻力Ffc為4 789 kN，則索夾抗滑力安全系數(shù)，按式（2）計(jì)算，Kfc=3.5＞3。

索夾與主纜之間摩擦系數(shù)μ=0.19。

橋梁一及橋梁二索夾的抗滑系數(shù)都滿足規(guī)范＞3的要求，實(shí)測的摩擦系數(shù)都要大于規(guī)范要求的設(shè)計(jì)理論取值0.15。

2.3 索夾螺栓緊固力的損失檢測

在高強(qiáng)螺栓緊固到設(shè)計(jì)預(yù)緊力的狀態(tài)下，保持狀態(tài)3月后對(duì)螺栓緊固力損失進(jìn)行測試，結(jié)果見表3。

表3 索夾螺栓緊固力實(shí)測數(shù)據(jù)

由表3 可以看出，螺栓緊固力損失率橋梁一為9.1%，橋梁二為9.3%，索夾螺栓緊固力損失率在可控范圍內(nèi)。

索夾螺栓緊固力狀態(tài)下保持3 月，索夾抗滑安全系數(shù)見表4。

表4 索夾抗滑數(shù)據(jù)

由表4可以看出，索夾抗滑安全系數(shù)滿足規(guī)范＞3的要求。

3 結(jié)論

1）鍍鋅鋁高強(qiáng)度鋼絲主纜與索夾的摩擦系數(shù)在0.17～0.19之間，大于懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范要求取值；因此鍍鋅鋁鋼絲主纜依據(jù)懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范摩擦系數(shù)取0.15，索夾抗滑安全系數(shù)設(shè)計(jì)是安全可靠的。

2）索夾螺栓緊固力損失率約為9%左右，在可控范圍內(nèi)。在施工過程中適當(dāng)進(jìn)行索夾螺栓復(fù)擰，同時(shí)橋梁正常運(yùn)營后定期進(jìn)行索夾螺栓復(fù)擰，使索夾螺栓保留足夠大的永存預(yù)緊力，是防止索夾在長期服役過程中產(chǎn)生滑動(dòng)的有效方法。

3）鍍鋅鋁高強(qiáng)度鋼絲與索夾的摩擦系數(shù)和鍍鋅高強(qiáng)度鋼絲與索夾的摩擦系數(shù)大致相同，在使用中可以可以相互參考?！酢?/p>