鐵路橋梁纜索錨具參數(shù)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

石龍 馬林 朱穎 陳勝利

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081

橋梁纜索主要由纜索鋼絲、錨具、防腐防護(hù)體系等部分組成，是鐵路大跨度橋梁的重要承力部件。纜索制造及錨具技術(shù)的發(fā)展水平?jīng)Q定了鐵路斜拉橋、懸索橋及斜拉-懸索協(xié)作體系橋梁的跨越能力和建造質(zhì)量［1］。纜索錨具分為冷鑄錨、熱鑄錨等形式。除在懸索橋主纜索股錨固中多采用熱鑄錨外，其余拉吊索部件多采用冷鑄錨。冷鑄錨具有更好的靜力性能和疲勞性能［2］。相關(guān)研究多針對(duì)具體橋梁纜索錨具進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算和驗(yàn)證［3-6］，或從制造、安裝、張拉等角度研究相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)纜索錨具的影響［7-8］，而未開展纜索錨固部件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)錨具力學(xué)性能影響的研究。

本文以鐵路纜索體系橋梁中采用的7 mm 平行鋼絲冷鑄錨為對(duì)象，選擇典型錨具規(guī)格和索體強(qiáng)度級(jí)別開展錨具參數(shù)化設(shè)計(jì)分析，研究纜索錨具的力學(xué)性能規(guī)律和關(guān)鍵影響參數(shù)，通過索體靜載、疲勞試驗(yàn)，對(duì)高強(qiáng)索體的錨具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和整索受力性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，為提升纜索錨具設(shè)計(jì)水平和高強(qiáng)度纜索體系在鐵路橋梁中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 錨具參數(shù)化設(shè)計(jì)分析

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算方法

冷鑄錨具的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下條件［2，9］：①錨杯內(nèi)鋼絲與冷鑄填料間的黏結(jié)應(yīng)力應(yīng)小于兩者黏結(jié)應(yīng)力的容許值；②錨杯中冷鑄填料椎體的壓應(yīng)力應(yīng)小于冷鑄填料壓應(yīng)力容許值；③冷鑄填料椎體作用于錨杯壁引起的環(huán)向應(yīng)力，應(yīng)小于錨杯鋼材拉應(yīng)力容許值。

冷鑄錨具結(jié)構(gòu)見圖1，錨具結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 冷鑄錨具主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 冷鑄錨具結(jié)構(gòu)

為了保證拉索鋼絲握裹有效，應(yīng)計(jì)算錨具的最小椎體長(zhǎng)度，保證鋼絲與冷鑄填料黏結(jié)應(yīng)力（τb）小于容許值，即

式中：d為鋼絲直徑，取7 mm；σb為鋼絲公稱抗拉強(qiáng)度；K為有效錨固長(zhǎng)度系數(shù)，考慮錨口位置鋼絲不能充分黏結(jié)，取2/3［9］；[τb]為鋼絲與冷鑄填料黏結(jié)應(yīng)力容許值，一般為25 MPa［9］。

關(guān)于β、θ、Ae等尺寸設(shè)計(jì)，應(yīng)保證冷鑄填料錐體壓應(yīng)力（σc）小于容許值，即

式中：Pb為拉索鋼絲束公稱破斷荷載；[σc]為冷鑄填料椎體壓應(yīng)力容許值，取160 MPa［10］。

關(guān)于Di、Dj等尺寸設(shè)計(jì)，應(yīng)保證錨杯環(huán)向應(yīng)力（σr）小于容許值，即

式中：[σr]為錨杯環(huán)向應(yīng)力容許值，參照文獻(xiàn)［11］中42CrMo材料取值。

根據(jù)式（1），計(jì)算得到強(qiáng)度為1 860、2 000、2 100、2 200 MPa 的7 mm 鋼絲錨杯椎體長(zhǎng)度最小值分別為195、210、221、231 mm。對(duì)于目前在部分新建鐵路斜拉橋中采用的2 100 MPa 級(jí)7 mm 鋼絲拉索［11］，錨杯最小椎體長(zhǎng)度不應(yīng)小于221 mm。

錨具設(shè)計(jì)在滿足以上各項(xiàng)條件的同時(shí)，應(yīng)避免錨固尺寸選擇過大，對(duì)塔、梁錨固部位空間提出過高要求，既不利于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，也會(huì)造成材料浪費(fèi)。

1.2 參數(shù)影響分析

以451 孔規(guī)格、2 100 MPa 級(jí)7 mm 平行鋼絲拉索為例，分析D0、L1、β、θ、錨杯平均厚度（Di-Dj）對(duì)冷鑄填料和錨杯的受力影響。錨具結(jié)構(gòu)參數(shù)分析取值見表2。

表2 錨具結(jié)構(gòu)參數(shù)分析取值

1）后端椎體內(nèi)徑

D0為235 ～ 355 mm 時(shí)，σc和σr與D0關(guān)系曲線見圖2?？芍孩貲0越大對(duì)錨具結(jié)構(gòu)受力越有利；②D0< 275 mm 時(shí)，σc超過160 MPa 的限值；D0為235 ～355 mm時(shí)，σr滿足規(guī)范限值要求。

圖2 σc和σr與D0關(guān)系曲線

2）錨杯椎體長(zhǎng)度

L1為450 ～ 750 mm 時(shí)，σc和σr與L1關(guān)系曲線見圖3?？芍孩貺1越大對(duì)錨具結(jié)構(gòu)受力越有利；②L1<550 mm 時(shí)，σc超過160 MPa 的限值；③L1為450 ～750 mm 時(shí)，σr滿足規(guī)范限值要求。

圖3 σc和σr與L1關(guān)系曲線

3）錨杯錐角

β為（1/30 ～ 1/4）rad 時(shí)，σc和σr與β關(guān)系曲線見圖4?？芍孩匐S著β增加，σc逐漸增大，而σr先減小后增大；②β> 1/5 rad 時(shí)，σc超過160 MPa 限值；③β為（1/30 ～ 1/4）rad時(shí)，σr滿足規(guī)范限值要求。

圖4 σc和σr與β關(guān)系曲線

實(shí)際設(shè)計(jì)中，錨杯錐角取值不能過小，否則難以發(fā)揮錨具的楔形受力效應(yīng)，導(dǎo)致冷鑄填料變形過大，出現(xiàn)失錨現(xiàn)象。

4）冷鑄填料摩擦角

θ為0.140 ～ 0.480 rad 時(shí)，σc和σr與θ關(guān)系曲線見圖5?？芍孩佴仍酱髮?duì)錨具結(jié)構(gòu)受力越有利；②θ<0.349 rad 時(shí)，σc超過160 MPa 的限值；③θ< 0.297 rad時(shí)，σr超過390 MPa的限值。

圖5 σc和σr與θ關(guān)系曲線

5）錨杯平均厚度

（Di-Dj）為67 ～ 247 mm時(shí)，σc和σr與（Di-Dj）關(guān)系曲線見圖6?？芍孩伲―i-Dj）越大對(duì)錨具結(jié)構(gòu)受力越有利；②無論（Di-Dj）如何變化，σc保持不變；③（Di-Dj） <127 mm時(shí)，σr超過390 MPa的限值。

圖6 σc和σr與（Di - Dj）關(guān)系曲線

綜上，與錨杯環(huán)向應(yīng)力相比，冷鑄填料椎體壓應(yīng)力是錨具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素。

1.3 不同強(qiáng)度級(jí)別錨具設(shè)計(jì)

在保持σc和σr基本不變的情況下，以451孔規(guī)格、7 mm 平行鋼絲拉索為例，對(duì)比拉索鋼絲強(qiáng)度為1 860、2 000、2 100、2 200 MPa 時(shí)，拉索錨具主要設(shè)計(jì)參數(shù)的差異。計(jì)算時(shí)，β取1/14 rad，θ取0.423 rad。不同強(qiáng)度級(jí)別錨具設(shè)計(jì)參數(shù)見表3?？梢姡S著鋼絲強(qiáng)度級(jí)別的提高，D0、L1、Di-Dj基本呈線性增加。

表3 不同強(qiáng)度級(jí)別錨具設(shè)計(jì)參數(shù)

2 索體靜載和疲勞試驗(yàn)

考慮樣品制造和加載設(shè)備條件，選擇55絲規(guī)格的2 100 MPa 級(jí)7 mm 平行鋼絲斜拉索，采用本文設(shè)計(jì)方法進(jìn)行索體試驗(yàn)。

2.1 索體靜載試驗(yàn)

索體靜載試驗(yàn)主要驗(yàn)證冷鑄錨具的靜載錨固效率系數(shù)、錨具內(nèi)縮值、破斷時(shí)錨具損傷及鋼絲斷絲情況，共制作6 根55 絲規(guī)格的2 100 MPa 級(jí)7 mm 平行鋼絲斜拉索，開展索體靜載試驗(yàn)。索體靜載試驗(yàn)加載情況見圖7。

圖7 索體靜載試驗(yàn)加載情況

索體伸長(zhǎng)值和張拉力的關(guān)系曲線見圖8?？芍孩佼?dāng)張拉力不超過0.85Pb時(shí)，索體伸長(zhǎng)值和張拉力成線性關(guān)系，索體處于彈性狀態(tài)，6 根索的伸長(zhǎng)值偏差在13.8%以內(nèi)。②當(dāng)張拉力在0.85Pb～ 0.90Pb時(shí)，索體伸長(zhǎng)值-張拉力曲線出現(xiàn)屈服點(diǎn)，索體處于屈服臨界狀態(tài)。③當(dāng)張拉力超過0.90Pb時(shí)，索體伸長(zhǎng)值增幅明顯變大，索體進(jìn)入屈服狀態(tài)，張拉力達(dá)到0.95Pb時(shí)6根索均未出現(xiàn)破斷情況。

圖8 索體伸長(zhǎng)值和張拉力的關(guān)系曲線

索體靜載試驗(yàn)結(jié)果見表4?？芍孩?根索的靜載錨固效率系數(shù)和錨具內(nèi)縮值均滿足文獻(xiàn)［10］的要求；②破斷時(shí)錨具未發(fā)現(xiàn)損傷，錨具受力狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 索體靜載試驗(yàn)結(jié)果

2.2 索體疲勞試驗(yàn)

索體疲勞試驗(yàn)主要驗(yàn)證冷鑄錨具錨固部位在疲勞荷載作用下的受力性能。制作5 根55 絲規(guī)格的2 100 MPa 級(jí)7 mm 平行鋼絲斜拉索，開展索體疲勞試驗(yàn)，疲勞荷載上限值為0.45Pb，疲勞應(yīng)力幅值250 MPa。

索體疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表5?？芍?，試驗(yàn)索的疲勞性能滿足文獻(xiàn)［10］的相關(guān)要求。

表5 索體疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

1）與錨杯環(huán)向應(yīng)力相比，冷鑄填料椎體壓應(yīng)力是錨具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素。

2）后端椎體內(nèi)徑、錨杯椎體長(zhǎng)度、冷鑄填料摩擦角和錨杯平均厚度增大，對(duì)錨具受力有利，但會(huì)造成錨具尺寸增大、材料用量增加，在設(shè)計(jì)時(shí)可控制尺寸取值，滿足受力要求即可。

3）從冷鑄填料椎體受力角度考慮，錨杯錐角越大越不利；從錨杯環(huán)向受力角度考慮，錨杯錐角存在最優(yōu)值，可使錨杯環(huán)向應(yīng)力達(dá)到最小。

4）試驗(yàn)索的靜載錨固效率系數(shù)、錨具內(nèi)縮值、破斷時(shí)錨具損傷及鋼絲斷絲情況均滿足規(guī)范要求，張拉力超過0.90Pb時(shí)，索體進(jìn)入屈服狀態(tài)。

5）試驗(yàn)索的疲勞性能滿足規(guī)范要求，索體應(yīng)力循環(huán)次數(shù)在291萬次以上仍未達(dá)到疲勞極限狀態(tài)。