预应力钢绞线疲劳性能研究

雷 欢，邹易清，覃巍巍，苏 韩，韦耀淋

（柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州545005）

桥梁是关系社会和国家经济协调发展的生命线，在国家大力倡导的“一带一路”的建设中，基础设施的互联互通是先导，而桥梁则是实现交通基础设施互联互通网络的重要枢纽。随着国民经济发展和交通工程发展的加速，桥梁工程建设规模也不断加大，随之对桥梁用拉索的技术要求也越来越高。斜拉索疲劳设计一般不用活载满值，而是取（0.5～0.6）倍的活载应力幅值[1]，一般公路实测活载强度仅达到设计活载的13%，特殊情况下达到37%[2]。而随着桥梁技术的发展，对拉索的疲劳性能需求不断提升，其疲劳应力幅从100多兆帕提升至200多兆帕，某些工程更是达到400 MPa以上。FAST工程通过最常用的耐疲劳应力谱分解方法——雨流计数法[3-4]，分析得出索网工作状态下实际疲劳应力幅最高可以达到455 MPa[5]，考虑到FAST工程结构、使用年限及工况的复杂性，要求索网主索满足500 MPa疲劳应力幅[6]。相关研究结果表明，母材对拉索疲劳性能有着重大的影响[5]，而单根钢丝的疲劳极限到实桥索组装件的疲劳设计应力幅值，折减将近140 MPa[1].

以往针对拉索疲劳性能进行了大量的理论分析与试验研究，使得拉索疲劳性能得到了不断的改善，现阶段桥梁用拉索疲劳应力幅需求最高达到了400 MPa.但是系统性的针对钢绞线疲劳性能进行研究的资料较少，因此研究钢绞线母材疲劳性能极限具有重要意义。本文针对钢绞线疲劳应力幅、锚固方式及钢绞线表面状态这三个疲劳性能影响因素进行分析，得出改善钢绞线疲劳性能的方法，为提升拉索疲劳性能的研究奠定了基础。

1 不同表面状态疲劳性能研究

现阶段，钢绞线的表面状态主要有光面、镀锌、环氧三大类，其中镀锌与环氧的主要目的是为了提升钢绞线的抗腐蚀能力。一束钢绞线由7根钢丝绕制而成，在实际使用过程中7根钢丝之间存在相对移动，导致钢丝与钢丝之间存在着摩擦作用，因此理论上钢绞线表面状态对疲劳性能是有影响的。本文针对这三种表面状态的钢绞线进行疲劳性能研究，分别取六组进行疲劳试验。为突出对比性，试验应力幅选用350 MPa与400 MPa两种情况，钢绞线选用1 860 MPa强度级别，锚固方式统一采用夹片锚固，应力上限0.45Fptk，加载频率8 Hz的要求进行疲劳试验，试验装夹及过程如图1所示，试验结果如表1所示。

图1 钢绞线疲劳试验装夹与过程

表1 不同表面状态疲劳试验结果

由表1所示的试验结果可以看出，在选用夹片锚固方式的前提下，当疲劳应力幅为350 MPa时，三种表面状态钢绞线疲劳性能相近，均能满足试验要求。当应力幅达到400 MPa时，所有钢绞线疲劳性能均不能满足要求，但从加载循环次数来看，环氧钢绞线疲劳性能要优于其它两种表面状态的疲劳性能。原因分析，钢绞线表面喷涂环氧涂层后，钢丝与钢丝之间的摩擦系数减小，从而降低了疲劳试验过程中钢丝之间摩擦带来的损失；镀锌钢绞线表面由于锌层的存在，也能够增加钢丝之间的润滑作用，使得其疲劳性能有一定提升，但是由于镀锌工序温度较高，镀锌钢绞线生产过程中，高温会对钢绞线母材性能产生一定影响，导致其疲劳性能的提升不明显。本次试验证明了不同表面状态钢绞线疲劳性能的差异性，其疲劳性能的基本趋势是：环氧涂层优于镀锌涂层，镀锌涂层优于光面。

2 不同锚固方式疲劳性能研究

目前，拉索的锚固方式主要有四大类，分别为冷铸锚固、夹片锚固、挤压锚固以及冷铸挤压复合锚固，其中冷铸挤压复合锚固技术已经应用于FAST工程，并取得了良好的效果，冷铸挤压复合锚固结构如图2所示。与拉索锚固技术对应的钢绞线锚固技术也可分为这四大类，本文针对这四种锚固方式给钢绞线疲劳性能造成的不同影响进行研究，找出最有利于钢绞线疲劳性能的锚固方式。每种锚固方式各自选择六组钢绞线进行试验，为突出对比性，试验应力幅选用350 MPa与400 MPa两种情况，钢绞线统一采用1 860 MPa强度级别的环氧钢绞线，应力上限0.45 Fptk，加载频率8 Hz的要求进行疲劳试验。由于在研究表面状态时，已经研究过夹片锚固条件下350 MPa与400 MPa条件下环氧钢绞线疲劳性能，为避免资源浪费，这里直接使用其数据进行分析。试验结果如表2所示，图3为挤压锚固结构方式，图4为夹片锚固条件下钢绞线的疲劳断裂情况。

图2 冷铸挤压复合锚固结构示意图

表2 不同锚固方式试验结果

图3 挤压锚固方式

图4 夹片锚固方式下钢绞线疲劳断裂情况

由表2所示的试验结果可以看出，在选用环氧钢绞线进行疲劳试验的前提条件下，应力幅为350 MPa时，不同的锚固方式对钢绞线疲劳性能的影响较小，当疲劳应力幅上升至400 MPa时，四种锚固方式均不能满足要求，尤其是夹片锚固方式，其加载循环次数显著低于其他锚固方式，且其断裂位置基本处于夹持位置，说明当应力幅提升至400 MPa时夹片锚固方式对其疲劳性能有较大的影响。原因分析，350 MPa疲劳应力幅是钢绞线疲劳性能的普通要求，本次试验再次证明了现有锚固方式的可靠性，但是当疲劳应力幅提升至400 MPa时，夹片锚固形式由于在夹持位置对钢绞线存在一定程度的损伤，当疲劳性能提升时，损伤位置给母材疲劳性能带来的影响随即凸显出来，从其它锚固方式的断裂位置与方式来看，普通钢绞线受材质本身的性能限制，不能满足高应力幅疲劳性能要求，但是由于冷铸锚固、挤压锚固、冷铸挤压复合锚固三种结构本身对绞线没有形成表面缺口，所以其高应力幅条件下的疲劳性能要优于夹片锚固形式。

3 不同应力幅疲劳性能研究

疲劳性能好坏的衡量指标有三个，分别是应力上限、应力幅、载荷循环次数。桥梁用拉索应力上限一般为0.4Fptk或者0.45Fptk，载荷循环次数一般为200万次，从以往工程的需求来看，应力上限与载荷循环次数变化不大，拉索疲劳应力幅是衡量拉索疲劳性能最重要的指标。随着桥梁在结构与跨度上的不断突破，对拉索疲劳应力幅的要求也越来越高。从前面的研究可以发现，当应力幅为400 MPa时，疲劳试验均没有通过，为验证钢绞线疲劳应力幅极限是否为 400 MPa，本次将针对 360 MPa，380 MPa，390 MPa三种疲劳应力幅进行试验。每种应力幅选择3组钢绞线进行试验。从不同锚固方式试验结果来看，冷铸锚固、挤压锚固、冷铸挤压锚固三种不同锚固方式对单根钢绞线的疲劳性能影响基本没有差异，考虑到试验资源有限，本次试验仅针对冷铸挤压复合锚固方式进行试验，钢绞线统一采用1 860 MPa强度级别的环氧钢绞线，应力上限0.45Fptk，加载频率8 Hz的要求进行疲劳试验。试验结果如表3所示。

表3 不同应力幅疲劳试验结果

由表3所示的试验结果可以看出，在采用冷铸挤压复合锚固方式的条件下，结合以往疲劳试验经验，可以判断钢绞线基本能够满足390 MPa疲劳应力幅要求或者有潜力能够满足390 MPa疲劳性能的要求。

结合前面针对不同表面状态、不同锚固方式进行的疲劳试验结果，基本可以判断，针对普通1 860 MPa强度级别的钢绞线来说，在0.45Fptk应力上限条件下，钢绞线疲劳应力幅极限在400 MPa左右。根据前述的母材相对于拉索，其疲劳应力幅应高出140 MPa的原则，普通1 860 MPa强度级别钢绞线拉索的疲劳应力幅应控制在260 MPa以内，若需要提升钢绞线拉索疲劳应力幅，则需要对钢绞线母材本身的性能进行提升。

4 结论与建议

通过上述试验表明，表面状态、疲劳应力幅、锚固方式均对钢绞线疲劳性能有影响，具体结论如下：

1）钢绞线表面状态对其疲劳性能有明显影响，具体的疲劳性能差异性表现为：环氧钢绞线优于镀锌钢绞线，镀锌钢绞线优于光面钢绞线；

2）夹片锚固方式在锚固段对钢绞线表面造成的咬痕，当疲劳应力幅处于常规水平时（350 MPa），咬痕造成的影响基本可以忽略，但当疲劳应力幅提升至400 MPa时，咬痕将显著影响钢绞线疲劳性能；

3）冷铸锚固、挤压锚固、冷铸挤压复合锚固三种锚固方式对钢绞线疲劳性能的影响差异基本一致；

4）普通1 860 MPa强度级别的钢绞线在0.45 Fptk应力上限的条件下，其极限疲劳应力幅约400 MPa，根据拉索与母材疲劳应力幅选用原则，钢绞线拉索疲劳应力幅应控制在260 MPa以内；

5）若需要开发更高疲劳应力幅的拉索，需要对拉索母材本身的力学性能进行改善与优化，选用性能更加优良的原材料或者提升钢绞线生产工艺水平。