大跨徑懸索橋2 100 MPa主纜索股力學(xué)性能研究

陳學(xué)兵

(1.重慶萬橋交通科技發(fā)展有限公司, 重慶 401336; 2.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司, 北京 100088)

懸索橋跨越能力大，是大跨度橋梁中最主要的橋型。近年來，隨著國產(chǎn)盤條處理技術(shù)的成熟，懸索橋主纜鋼絲強(qiáng)度從常用的1 860 MPa向2 000 MPa以上發(fā)展[1-2]。主跨1 688 m的南沙大橋坭洲水道橋、主跨1 700 m的楊泗港長江大橋均使用抗拉強(qiáng)度為1 960 MPa的鋼絲，在建的深中通道伶仃洋大橋(主跨1 666 m)主纜采用2 060 MPa的鋼絲，而主跨1 760 m的南京仙新路過江通道及主跨1 060 m的川藏鐵路大渡河大橋，主纜均將采用抗拉強(qiáng)度為2 100 MPa的鋼絲。

隨著懸索橋跨徑的不斷增長及活載的增大，若不提高主纜鋼絲的強(qiáng)度，則主纜擠圓后的直徑就會越來越大[3]。2020年建成的主跨為1 092 m的連鎮(zhèn)鐵路五峰山長江大橋[4]，是世界上運行荷載量最大的高鐵公路兩用懸索橋，主纜采用抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的鋼絲，主纜直徑達(dá)1.3 m，超過主跨1 991 m的日本明石海峽大橋主纜直徑。主纜采用更高強(qiáng)度鋼絲可減少鋼絲用量，減小主纜直徑及提高安全系數(shù)。隨著更高強(qiáng)度鋼絲生產(chǎn)技術(shù)的成熟，將會廣泛應(yīng)用于超大跨度和超重荷載懸索橋主纜中。

本文對2 100 MPa級鋼絲主纜索股錨具材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，對端面承壓式及雙拉桿式2種結(jié)構(gòu)形式的5.68-91和5.68-127索股錨具進(jìn)行有限元分析，制作主纜索股并進(jìn)行靜載和疲勞試驗[5]，以驗證2 100 MPa主纜索股性能。

1 主纜錨具結(jié)構(gòu)設(shè)計

錨具是主纜索股的重要受力和傳力構(gòu)件，主纜軸力完全由錨具傳遞到錨碇。因此，錨具的安全性能決定了主纜的安全性能。大跨度懸索橋錨具常用ZG310-570，但這種材料制造的錨具存在室溫及低溫沖擊韌性差、不易鑄造和修補(bǔ)等問題。經(jīng)錨具選材對比研究發(fā)現(xiàn)[6-7]，ZG-20Mn經(jīng)熱處理后，其延伸率、室溫及低溫沖擊韌性、焊接性能較ZG310-570均得到提高，為此選取ZG-20Mn作為2 100 MPa主纜索股錨具材料。

錨具參數(shù)包括：錨具材質(zhì)強(qiáng)度、錨面錐度、錨固長度、壁厚、外形尺寸等[8-10]。這些參數(shù)需根據(jù)主纜受力特點進(jìn)行設(shè)計，需考慮綜合成本。在滿足受力性能的情況下，錨具錨固段壁厚并非越大越好。參照常規(guī)主纜錨具的設(shè)計原理和外形尺寸，分別設(shè)計了5.68-91、5.68-127兩種規(guī)格的主纜索股錨具，錨具分別包含端面承壓式及雙拉桿式2種形式。 2 100 MPa級鋼絲索股錨具尺寸如圖1所示。

(1) 剖面 (2) A-A底視圖

(1) 剖面 (2) A-A底視圖

(1) 剖面 (2) A-A底視圖

(1) 剖面 (2) A-A底視圖

2 錨具計算分析

2.1 有限元建模

主纜索股錨具的受力特點是將鋼絲在錨杯內(nèi)部分散，并灌注鋅銅合金將其錨固，利用錨具內(nèi)錐體承壓和摩擦將索股鋼絲的巨大拉力傳遞到錨碇的錨固系統(tǒng)上，因此錨杯的受力非常復(fù)雜。為確定錨具的安全性能，采用彈塑性有限元對錨具受力性能進(jìn)行分析。錨具所用材料ZG-20Mn調(diào)制后的力學(xué)性能[11]如表1所示。在有限元分析模型中，鋅銅合金填充體與錨杯之間采用摩擦接觸單元，考慮錨杯和鑄體材料的非線性特性，錨杯材料采用多線段等向強(qiáng)化模型模擬，鋅銅合金鑄體材料采用雙線性等向強(qiáng)化模型模擬，本構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

由于錨具的幾何結(jié)構(gòu)呈1/4對稱，為提高分析精度、減少計算工作量，取錨具1/4對稱模型進(jìn)行分析，如圖3、圖4所示。基于錨具實際受力特點，將錨具的承壓面施加固定約束，將錐體斷面施加主纜索股的破斷力荷載[12]，對于1/4對稱模型，91絲主纜索股錨具施加1 210.6 kN，127絲主纜索股錨具施加1 689.5 kN。

表1 ZG-20Mn調(diào)制后的力學(xué)性能

(a) 錨杯(b) 鑄體

圖2 錨杯和鑄體材料本構(gòu)關(guān)系

圖3 雙拉桿式錨具三維結(jié)構(gòu)及有限元分析模型

2.2 計算結(jié)果分析

錨具施加索股破斷力荷載后的等效應(yīng)變云圖如圖5所示，分析結(jié)果如表2所示。

由圖5和表2可知，在破斷載荷作用下，錨杯杯壁局部位置的最大等效應(yīng)力達(dá)到ZG-20Mn的屈服強(qiáng)度300 MPa，最大應(yīng)力均集中在錨杯杯壁厚度較小的部位，符合結(jié)構(gòu)的實際受力特點，同時杯壁的最大等效應(yīng)變遠(yuǎn)小于錨杯材料的破斷伸長率0.16。因此，認(rèn)為在索股破斷荷載作用下錨杯結(jié)構(gòu)是安全的。

(a) 91絲雙拉桿式錨具(b) 91絲端面承壓式錨具(c) 127絲雙拉桿式錨具(d) 127絲端面承壓式錨具

圖5 破斷荷載作用下錨杯等效應(yīng)變云圖

3 靜載試驗

3.1 靜載試驗?zāi)康?/h3>

檢驗按設(shè)計要求所采用的材料、結(jié)構(gòu)尺寸、生產(chǎn)工藝制作的成品主纜索股的靜載性能是否達(dá)到規(guī)范要求，即測定試驗索的靜載破斷荷載、抗拉彈性模量、靜載破斷延伸率、鑄體回縮值和鑄體材料密實度，以及確保試件的破壞形式為試件的索股在兩錨頭之間被拉斷[13]，而不是鋼絲被從錨杯中拉出。

3.2 試件設(shè)計

靜載試驗按照GB/T 32963—2016《鋅鋁合金鍍層鋼絲纜索》進(jìn)行，主纜索股尺寸示意如圖6所示，具體設(shè)計尺寸如表3所示。

3.3 靜載試驗過程及試驗結(jié)果

靜載試驗過程：1) 安裝完試驗索后，在張拉端施加0.56Pb(Pb為索股的公稱破斷力)的預(yù)張力；

(a) 雙拉桿式錨頭索股(b) 端面承壓式錨頭索股

表3 靜載試驗主纜索股尺寸

2) 進(jìn)行彈性模量測試，其中加載速率不大于100 MPa/min；3) 進(jìn)行靜載性能檢測，當(dāng)試驗載荷大于0.95Pb，且延伸率滿足要求后停止試驗；4) 4根主纜索股靜載試驗過程中各級加載穩(wěn)定，未見異常；5) 試驗完成后，拆卸試件并進(jìn)行檢查，未見鋼絲斷裂、錨具破損現(xiàn)象。索股靜載試驗現(xiàn)場如圖7所示，靜載試驗檢測數(shù)據(jù)及結(jié)果如表4所示。

從表4中可知，2 100 MPa主纜索股彈性模量、破斷力荷載、斷絲率、延伸率等指標(biāo)滿足靜載試驗規(guī)范要求，證明錨具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

(a) 5.68-91索股靜載試驗(b) 5.68-127索股靜載試驗

表4 主纜索股靜載性能檢測結(jié)果

4 疲勞試驗

4.1 疲勞試驗?zāi)康募皡?shù)

疲勞試驗?zāi)康氖菣z驗按所采用的材料、結(jié)構(gòu)尺寸、生產(chǎn)工藝制作的成品主纜索股的疲勞性能。

疲勞試驗使用3 600 t纜索試驗系統(tǒng)，對PPWS-2 100-5.68-91端面承壓式主纜索股進(jìn)行疲勞試驗，索體長4.75 m，公稱破斷索力Pb為4 842 kN。疲勞試驗主纜索股參數(shù)如表5所示。

4.2 疲勞試驗過程

主纜索股疲勞試驗過程為：1) 主纜索股安裝及調(diào)試；2) 對索股施加波形為正弦波荷載，加載頻率為3.0 Hz，疲勞加載峰值為0.42Pb(2 034 kN)，疲勞應(yīng)力幅為250 MPa；3) 對試樣進(jìn)行200萬次循環(huán)加載試驗[14-15]。索股疲勞試驗現(xiàn)場如圖8所示。

表5 疲勞試驗主纜索股參數(shù)

4.3 試驗結(jié)果

主纜索股在200萬次循環(huán)加載過程中無鋼絲斷裂現(xiàn)象，試驗完成后對索股進(jìn)行拆卸檢查，錨具無損壞現(xiàn)象，主纜索股疲勞性能檢測結(jié)果如表6所示。

由表6疲勞試驗結(jié)果表明，索股所檢項目符合規(guī)范GB/T 32963—2016《鋅鋁合金鍍層鋼絲纜索》的相關(guān)要求。

(a) 試驗現(xiàn)場俯視圖(b) 索股端部測力傳感器

表6 主纜索股疲勞性能檢測結(jié)果

5 結(jié)論

1) 選用ZG-20Mn鑄鋼作為2 100 MPa主纜索股的錨具材料，并對2 100 MPa主纜索股錨具進(jìn)行設(shè)計，經(jīng)有限元分析結(jié)果表明，在破斷荷載作用下，錨具的最大等效應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度，且集中于錨杯杯壁最小位置處，但最大等效應(yīng)變遠(yuǎn)小于材料破斷伸長率，錨杯在索股破斷荷載作用下結(jié)構(gòu)受力合理，能夠保證結(jié)構(gòu)使用安全。

2) 91絲、127絲端面承壓式及雙拉桿式主纜索股靜載試驗表明，索股彈性模量、破斷力荷載、延伸率、斷絲率等指標(biāo)滿足靜載試驗規(guī)范要求。

3) 對PPWS-2100-5.68-91端面承壓式主纜索股采取疲勞應(yīng)力幅為250 MPa、循環(huán)次數(shù)為200萬次的疲勞試驗后，主纜索股鋼絲斷絲率為0，錨具無損壞。

4) 靜載和疲勞試驗證明，研發(fā)的2 100 MPa主纜索股具有良好的承載力及疲勞性能，為大跨度懸索橋2 100 MPa級鋼絲主纜應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。