新型焊接索夾優(yōu)勢與關(guān)鍵技術(shù)研究

李鴻盛， 闕 明， 宋 健， 郭永兵

(1. 中交一公局重慶萬州高速公路有限公司，重慶 404020； 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

在懸索橋中，索夾是連接主纜與吊索的關(guān)鍵核心受拉構(gòu)件[1]。索夾主要作用將吊索的作用力傳遞給主纜，同時(shí)還需要通過螺栓對主纜產(chǎn)生擠壓力，從而獲得可靠的摩擦力，以抵消吊索在索夾上產(chǎn)生的下滑力[2-3]。騎跨式索夾在索夾頂部開槽，吊索的兩頭均在梁部進(jìn)行錨固，吊索跨過索夾時(shí)會產(chǎn)生較大彎曲應(yīng)力，需要設(shè)置形狀復(fù)雜的纜索槽；銷鉸式索夾在圓形索夾本體下設(shè)耳板，吊索從耳板吊索孔穿過，銷鉸式索夾可分為左、右對合型與上、下對合型，施工時(shí)左、右對合型存在耳板不能完全對齊現(xiàn)象，導(dǎo)致栓桿入孔困難，所以索夾設(shè)計(jì)一般采用上下對合銷鉸式索夾，上半索夾和下半索夾間通過螺栓座聯(lián)系。鑄造式索夾為加工方便，常將螺栓座設(shè)計(jì)為整體鑄件；下半索夾的耳板構(gòu)造簡單，鑄件量大，目前，銷鉸式索夾均采用鑄造方式加工。

鑄造式索夾有加工便利、技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)，但也有其不足之處，特別是隨著國家對環(huán)境保護(hù)要求的提高，鑄造加工對環(huán)境影響較大的劣勢越發(fā)明顯。研究論證在大跨度懸索橋上采用焊接式索夾的可行性，并解決其關(guān)鍵技術(shù)問題，符合新經(jīng)濟(jì)形勢下的工業(yè)發(fā)展趨勢，對加工制造技術(shù)升級與技術(shù)創(chuàng)新有較大促進(jìn)作用。

長期以來，針對索夾的研究[4-8]都是以鑄造索夾為背景開展，關(guān)于焊接索夾結(jié)構(gòu)形式、加工工藝、結(jié)構(gòu)受力性能、抗疲勞性能和設(shè)計(jì)加工制造規(guī)范等都需要展開研究。

1 焊接索夾的優(yōu)勢

鑄造式索夾通過一體澆筑成型，鑄造技術(shù)較為成熟，但是也存在許多劣勢。鑄造加工索夾對鑄鋼件毛坯的鑄造生產(chǎn)工藝技術(shù)和質(zhì)量要求很高，要嚴(yán)格控制鑄件的結(jié)構(gòu)、金相、氧化物、雜質(zhì)、澆筑溫度、澆筑速度、澆口方向、模具透氣性、模具密實(shí)度、模具含水量等[9]。鑄造缺陷多，一體式鑄造索夾形狀不規(guī)則，金屬液體流動性差可能出現(xiàn)斷流和型腔未填滿等問題，除此以外，形狀變化的地方易出現(xiàn)縮孔、疏松與裂紋。大尺寸索夾在鑄造過程中，金屬液在較大的重力勢能作用下可能會沖壞砂型，導(dǎo)致型砂夾雜進(jìn)入索夾體金屬之中，索夾內(nèi)部出現(xiàn)氣孔的概率也較大。鑄造索夾材料強(qiáng)度較低，難以適應(yīng)低溫(-20 ℃以下)環(huán)境。鑄造生產(chǎn)存在對環(huán)境污染大，鑄件生產(chǎn)周期長，鑄鋼件毛坯報(bào)廢率高、生產(chǎn)效率低，低溫環(huán)境使用受限，鑄造尺寸受毛坯限制等方面的不足。

由于上述問題的存在，目前索夾制造廠為保證鑄造成型的質(zhì)量，鑄造時(shí)需要采用冷鐵、補(bǔ)貼、冒口等多種工藝，如圖1所示。由于制造工藝需求，增加了大量的輔助材料(約為成型件的30%)；為保證加工質(zhì)量，需要給索夾內(nèi)徑預(yù)留較大的加工量(一般增加20～30 mm)，一方面消耗材料，另一方面增加工作量，使鑄造索夾經(jīng)濟(jì)性較差。

圖1 鑄造索夾澆筑帽口與輔助冷鐵布置

焊接索夾采用鋼板焊接成型，材料直接采購，質(zhì)量可靠，可以根據(jù)需求選擇適應(yīng)低溫環(huán)境的材料，索夾成型方便，承載能力大，加工過程綠色環(huán)保，結(jié)構(gòu)可靠安全，具有較高的性價(jià)比。新型焊接式索夾將推動懸索橋索夾的制造技術(shù)、質(zhì)量水平大幅提高并明顯改善和彌補(bǔ)鑄造工藝的不足。

焊接索夾可選用滿足性能要求的鋼板直接焊接加工，索夾內(nèi)徑的加工預(yù)留量可在5 mm以內(nèi)，不需要鑄造類似的輔助材料，因此從加工鋼材用量方面可節(jié)省30%左右。焊接工藝及檢驗(yàn)要求比鑄造索夾要求高，鋼材單價(jià)比鑄鋼略高，綜合比較下來，焊接索夾總體上比鑄造索夾略為經(jīng)濟(jì)，但其環(huán)保和滿足低溫環(huán)境的優(yōu)勢非常突出。

綜合分析鑄造與焊接索夾的缺點(diǎn)與優(yōu)勢，可用圖2來比較。

圖2 鑄造與焊接索夾的優(yōu)缺點(diǎn)比較

螺栓座主要功能是承受螺栓壓力并將該壓力傳遞給索夾體。對于銷鉸式鑄造工藝加工的索夾，為避免螺栓座部分的模具復(fù)雜導(dǎo)致澆筑困難，直接將螺栓座部分澆筑為整體，如圖3所示。實(shí)體螺栓座比較重，為減輕其重量，一般采用盡量縮小索夾左右側(cè)螺栓間距的方式縮小螺栓座尺寸，由于索夾內(nèi)部要進(jìn)行機(jī)械加工，當(dāng)索夾體螺栓孔間的厚度差太小時(shí)，機(jī)加工時(shí)容易出現(xiàn)缺陷，為避免機(jī)加工可能出現(xiàn)的缺陷造成鑄件報(bào)廢量加大，設(shè)計(jì)時(shí)直接在有螺栓的地方開1個深槽，如圖3中所示的索夾上的方槽。開了這種深槽口的索夾，在開槽處無法對主纜進(jìn)行有效密閉，此處成為主纜防護(hù)的薄弱處。如果要避免開槽，就需要將左右兩側(cè)螺栓橫向距離加大，從而加寬螺栓座，這樣會造成螺栓座的重量增加。

圖3 鑄造索夾的螺栓座和內(nèi)部開槽

焊接式索夾的螺栓座可采用若干板件進(jìn)行焊接，因此螺栓座不需要加工成整體，板件間形成空間，可大幅度減小螺栓座的重量，左右兩側(cè)螺栓間距增大的同時(shí)螺栓座的重量增加有限，因此可將索夾體設(shè)計(jì)為整體，如圖4所示，這樣可保持索夾體主纜密切接觸提高主纜的防腐性能。

圖4 圓弧面內(nèi)部完整的焊接索夾

2 焊接索夾關(guān)鍵技術(shù)研究

鑄造式索夾不存在焊縫缺陷，索體和耳板雖然是受拉構(gòu)件，但由于構(gòu)件鑄鋼材料的疲勞強(qiáng)度比較高，因此一般不關(guān)注索夾疲勞問題。但是新型焊接式索夾螺栓座、索夾體、耳板等位置需要進(jìn)行焊接，許多焊縫都屬于受拉連接焊縫，因此焊接索夾最突出的問題是焊縫疲勞問題。因此，發(fā)展焊接索夾，需要解決以下幾個關(guān)鍵問題。

2.1 焊接索夾合理結(jié)構(gòu)形式問題

焊接式索夾各部件有多種組合形式。合理地構(gòu)成焊接索夾結(jié)構(gòu)，可通過多種方案的設(shè)計(jì)和計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式。圖5是可以采用的幾種結(jié)構(gòu)形式。

圖5 焊接索夾的幾種形式

圖5(a)的優(yōu)勢在于通過設(shè)置橫向加勁肋，可以提高耳板的面外剛度，從而可減少耳板的厚度，但是其缺點(diǎn)是焊縫多，應(yīng)力集中點(diǎn)多，焊接應(yīng)力大，索夾對主纜的握裹力低；螺栓座未封閉，導(dǎo)致螺栓易腐蝕。圖5(b)耳板與索夾焊縫位置集中在一處，減少了索夾上的焊縫，但是耳板與索夾的連接沒有過渡，此處應(yīng)力復(fù)雜，焊接疲勞強(qiáng)度可能存在問題，并且耳板與索夾聯(lián)系處的橫向剛度較弱，不利于承受橫向風(fēng)及吊索橫向變形傳遞的作用力；螺栓座齒合面較多適合于長度較大的索夾，密封難度大，不符合焊接式索夾的設(shè)計(jì)需要。圖5(c)將焊縫分散在3個位置，且不在索夾與耳板相交處焊接，可有效地降低焊縫的應(yīng)力集中，對提高結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度等有優(yōu)勢。通過對多方案的比較，可以選擇合理的焊接索夾結(jié)構(gòu)形式，即方便加工，又能提高索夾各主要受拉焊縫處的疲勞強(qiáng)度。為防止雨水等進(jìn)入螺栓座，可在圖5(c)的基礎(chǔ)上，增設(shè)外側(cè)封板，設(shè)計(jì)成圖5(d)所示結(jié)構(gòu)形式。

2.2 焊接索夾制造工藝

2.2.1 索夾各部分材料的選擇

索夾可選的材質(zhì)類型比較多，性能也各有差異，材質(zhì)需要滿足索夾在所處橋位自然環(huán)境下的各種受力要求，同時(shí)需滿足強(qiáng)度、抗滑移、剛度及加工焊接性能要求，應(yīng)當(dāng)具有一定的耐腐蝕和抗疲勞性能以滿足結(jié)構(gòu)的耐久性要求。焊接材料應(yīng)當(dāng)根據(jù)3點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)：

(1)等強(qiáng)度：選用焊材熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度與被焊母材的抗拉強(qiáng)度相等或近似，這是焊接結(jié)構(gòu)鋼最常用的原則。

(2)等韌性：選用焊材熔敷金屬的韌性與被焊母材的韌性相等或近似，在高強(qiáng)鋼焊接時(shí)經(jīng)常選用強(qiáng)度等級低于母材但韌性相等的焊材，即低組配等韌性。

(3)等成分：熔敷金屬的化學(xué)成分符合或接近母材金屬，這是不銹鋼和耐熱鋼焊接時(shí)選材的最主要原則。

根據(jù)上述原則，選擇Q355D鋼，焊接應(yīng)選用與母材強(qiáng)度相當(dāng)?shù)暮附硬牧?，并綜合考慮焊縫金屬的強(qiáng)度、韌性等性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，考慮選擇ER55-G焊絲進(jìn)行焊接，選用的焊絲中含有足夠的脫氧元素Si和Mn，且含碳量較低，焊接過程中可有效的防止CO氣體的產(chǎn)生。

2.2.2 焊接方式的選擇

焊接工藝可以分為手弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護(hù)電弧焊、等離子弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊等[9]。

電阻焊是以電阻熱為熱源的一類焊接方法，包括以熔渣電阻熱為能源的電渣焊和以固體電阻熱為能源的電阻焊，主要有點(diǎn)焊、縫焊、凸焊及對焊等。

焊接式索夾選用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，CO2氣保焊具有焊接時(shí)電弧穿透能力強(qiáng)、抗氫氣孔能力強(qiáng)、熔敷率高、焊縫成形美觀、易進(jìn)行全位置焊等優(yōu)點(diǎn)，相對于手工電弧焊，其焊接質(zhì)量更容易得到控制和保證。CO2氣體保護(hù)焊主要使用松下YD-500FR1型數(shù)字逆變焊機(jī)等焊接設(shè)備。

2.2.3 各焊接細(xì)節(jié)的焊接工藝設(shè)計(jì)

由于焊件的厚度、結(jié)構(gòu)及使用條件的不同，其接頭型式及坡口形式也不同。焊接接頭型式有：對接接頭、T形接頭、角接接頭及搭接接頭等。坡口形狀分成I形(不開坡口)、V形、Y形、雙Y形、U形、雙U形、單邊V形、雙單邊Y形、J形等各種坡口形式。坡口的幾何尺寸設(shè)計(jì)包括坡口面、坡口角度、根部間隙、鈍邊、根部半徑。

通過理論與工藝分析，確定各焊接細(xì)節(jié)的焊接工藝，以保證索夾焊接質(zhì)量并提高焊接索夾的抗疲勞能力。

2.2.4 焊接工藝評價(jià)及操作規(guī)程設(shè)計(jì)

通過前述的材料選擇、焊接方式與工藝等研究，將完成焊接索夾制造工藝的制定。在加工制作出實(shí)際使用的焊接索夾的基礎(chǔ)上，制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)、加工規(guī)程，為全面的推廣應(yīng)用焊接索夾奠定基礎(chǔ)。

焊接索夾的機(jī)械加工工藝與鑄造索夾相當(dāng)，其加工量相對較少，容易實(shí)現(xiàn)。

2.3 基于隨機(jī)車流理論的焊接索夾疲勞荷載研究

2.3.1 大跨度懸索橋隨機(jī)車流模型研究

基于車流量監(jiān)測數(shù)據(jù)研究橋梁運(yùn)營期細(xì)節(jié)疲勞安全水平，研究考慮車流參數(shù)及交通量和車重增長系數(shù)的懸索橋索夾可靠度[10]。焊接索夾受疲勞荷載影響下的疲勞性能評估的前提是確定隨機(jī)車流分析模型，建立通用隨機(jī)車流分析程序[11]。

2.3.2 基于隨機(jī)車流的各吊索疲勞荷載研究

基于車-橋耦合振動分析得到應(yīng)力時(shí)程結(jié)果，采用基于等效應(yīng)力幅概率密度函數(shù)的可靠性計(jì)算方法計(jì)算拉索可靠度，具體步驟：

(1)根據(jù)車流-橋耦合振動分析，得到相關(guān)索力的應(yīng)力時(shí)程曲線。

(2)采用雨流計(jì)數(shù)法，忽略幅值極小的應(yīng)力循環(huán)，獲得應(yīng)力時(shí)程曲線的應(yīng)力范圍直方圖。

(3)根據(jù)應(yīng)力范圍直方圖，估計(jì)等效應(yīng)力幅。

(4)根據(jù)等效應(yīng)力幅計(jì)算吊索正常運(yùn)營的疲勞壽命。

(5)根據(jù)疲勞可靠性的極限狀態(tài)方程計(jì)算橋梁的抗疲勞可靠度[12]。

在獲取吊索的疲勞荷載譜以后，可以通過理論分析，計(jì)算各焊縫細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度，與實(shí)際作用應(yīng)力譜比較，確定其疲勞細(xì)節(jié)是否滿足規(guī)范要求。

2.4 焊接索夾疲勞試驗(yàn)

實(shí)際的焊接加工工藝與規(guī)范的可能有差異，為驗(yàn)證實(shí)際焊接索夾的疲勞承載能力，需要開展疲勞試驗(yàn)。焊接式索夾是首次使用，在使用期間內(nèi)，反復(fù)的汽車荷載作用下焊縫處有可能會產(chǎn)生疲勞破壞。為確保焊縫在工程中的安全使用，必須要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

由于在吊索力作用下有循環(huán)應(yīng)力產(chǎn)生的部位主要在索夾與耳板上的焊縫位置，因此采用下半索夾進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中使用作動器施加拉力模擬汽車荷載，拉力最大為600 kN，用來模擬有汽車荷載作用下的索夾受力；最小為100 kN，用來模擬無汽車荷載作用下的索夾受力。作動器先施加100 kN的拉力，再把拉力提升至600 kN，再降低至100 kN，這樣1個循環(huán)為1次，每1 s進(jìn)行2.5次的頻率進(jìn)行200萬次應(yīng)力循環(huán)。過程中使用應(yīng)變片監(jiān)控焊縫處的應(yīng)變，每5萬次記錄1次焊縫的應(yīng)變數(shù)據(jù)，每50萬次停機(jī)檢查焊縫的表面變化。實(shí)驗(yàn)完成后將不同焊接部位切成樣本進(jìn)行酸洗檢查，確定焊縫處沒有發(fā)生疲勞破壞。

2.5 焊接索夾設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)與施工方法研究

焊接索夾作為一種新型索夾結(jié)構(gòu)，目前還沒有任何設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范來指導(dǎo)其制造加工。通過廣泛文獻(xiàn)調(diào)研和關(guān)鍵技術(shù)研究和工程實(shí)踐，總結(jié)出焊接索夾的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)及鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝領(lǐng)域相關(guān)成果，從而制定出焊接索夾的合理設(shè)計(jì)與制造標(biāo)準(zhǔn)。采用試驗(yàn)驗(yàn)證法對焊接索夾的性能進(jìn)行評估，優(yōu)化焊接索夾的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語

懸索橋是目前跨度最大的橋梁結(jié)構(gòu)，隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，未來中國將會有更多懸索橋投入建設(shè)。

傳統(tǒng)懸索橋索夾采用鑄造工藝，鑄造成型存在工藝復(fù)雜，鑄造缺陷多，材料強(qiáng)度低，對低溫環(huán)境適應(yīng)差，索夾的毛坯鑄造質(zhì)量難以穩(wěn)定控制，鑄件生產(chǎn)周期長，鑄鋼件毛坯的返修、報(bào)廢率高，生產(chǎn)效率低，低溫環(huán)境使用受限，鑄造尺寸受毛坯限制等不足。

因此，針對現(xiàn)有鑄造結(jié)構(gòu)索夾存在的上述不足，研制一種成型方便、承載能力大、滿足低溫環(huán)境使用要求、結(jié)構(gòu)可靠安全、具有高性價(jià)比的焊接組合式索夾，既可以保證索夾體的內(nèi)在質(zhì)量又能夠提高其承載能力，同時(shí)還可以滿足低溫環(huán)境使用要求。

本文從焊接索夾合理結(jié)構(gòu)形式、焊接索夾制造工藝、隨機(jī)車流理論、疲勞實(shí)驗(yàn)、制造與施工方法5個方面介紹了焊接式索夾的設(shè)計(jì)、檢測、施工方面需要研究的關(guān)鍵問題。這些關(guān)鍵問題的解決，將推動懸索橋索夾的制造技術(shù)、質(zhì)量水平的大幅提高并明顯改善和彌補(bǔ)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的不足。