桥梁钢绞线拉索发展应用技术研究

单继安，姜平，许奇峰，杨晓海，王飞

（江阴法尔胜住电新材料有限公司，江苏 江阴 214445）

钢绞线作为一种预应力筋，广泛应用于各种预应力工程。就桥梁拉索应用而言，可用于斜拉桥拉索、体外预应力束、吊杆及系杆等。

在欧美国家，钢绞线作为拉索材料使用，已有半个多世纪的应用历史，其技术得到了很大发展，并应用在一些著名的大跨度桥梁上，如法国诺曼底大桥、美国休斯顿航道桥、西班牙卢纳桥等。因钢绞线拉索体系具有钢绞线单根挂索及张拉、防护层数多、施工机具小型化等优点，所以在人力昂贵的欧美国家，桥梁拉索大多采用钢绞线拉索体系，是桥梁拉索发展应用的主流，而较少采用钢丝拉索体系。

在我国，大跨度斜拉桥的发展始于二十世纪八九十年代上海黄浦江三座斜拉桥的建设，随之伴随着我国桥梁快速发展，采用拉索体系大跨度桥梁获得了蓬勃发展。我国桥梁拉索以平行钢丝索为主流，但近10年来，随着对钢绞线拉索体系优点的熟知，采用钢绞线作为桥梁拉索的大跨度桥梁也越来越多，如武汉二七大桥、宜宾南溪长江大桥和芜湖长江二桥等。

随着桥梁钢绞线拉索不断应用，钢绞线材料性能、锚固技术及性能、拉索结构体系设计获得了长足进步，也越来越成熟，现结合桥梁钢绞线拉索在工程实际应用的经验，对桥梁钢绞线拉索在今后的技术发展应用及需研究问题进行探讨，促进技术进步。

1 超高强度钢绞线发展应用及锚固问题

在以往桥梁拉索工程应用中，钢绞线强度级别一般为1860MPa。随着钢铁冶金材料和加工工艺技术的发展，桥梁拉索用的钢丝材料的强度等级也逐渐提高。国家标准《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T 5224）[1]，适用于预应力拉索的1×7系列钢绞线最高强度级别为1960MPa。目前，在国内已有少量工程开始采用该强度级别的钢绞线，如合江长江公路大桥系杆和吊杆。日本住友电工已经生产出强度级别高达2300MPa超高强度（Ultra-high Strength）填充型环氧涂层钢绞线[2]，并已应用于东京Akihabara Pedestrian桥和U-ratakao桥。

可以预见，随着技术进步，不久的将来，我国也将研制出超高强度钢绞线，但要将超高强度钢绞线应用于桥梁拉索中，尚需解决锚固的匹配性和可靠性问题。随着钢绞线强度的增加，其硬度也应会提高，根据有关研究，夹片的硬度应比夹持的钢绞线硬度高出8～10（以HRC计）[3]，所以超高强度钢绞线的锚固夹片材料和硬度应进行匹配设计。钢绞线强度的提高，对锚固性能的要求更高，风险也更大，超高强度钢绞线的锚固产品务必要经过充分的试验才能予以使用，比如拉索的疲劳试验、静载试验等。建议在采用高强度钢绞线作为拉索产品时，应明确规定高强度钢绞线的性能指标、以及锚固性能的可靠性试验报告要求，以确保工程使用安全。

2 钢绞线拉索单根换索施工技术问题

在欧美PTI、FIB等先进桥梁拉索规范中，明确要求钢绞线拉索中的钢绞线可以逐根张拉、逐根更换。在我国钢绞线拉索应用的早期，钢绞线拉索的锚固方案仍采用夹片+灌浆有粘结锚固系统，如汕头礐石大桥、漳州战备大桥和迁安黄台湖大桥等，由于在锚具内部进行了灌浆，日后进行换索施工时，拉索仅能整根更换，不能进行单根钢绞线的更换，这与国外先进的拉索锚固技术存在一定差距。但随着国内试验条件完善、加工工艺进步，钢绞线拉索的锚固技术水平逐步提高，近年来，越来越多桥梁的钢绞线拉索采用了无粘结的锚固方案，拉索钢绞线可以实现单根更换的功能，如芜湖长江二桥、遵贵高速乌江特大桥等。

但要真正实现钢绞线拉索单根钢绞线的更换施工，除了拉索体系结构及无粘结锚固技术保证外，尚需在施工操作技术上予以确保，结合钢绞线拉索施工实际，应关注以下问题。

2.1 确保施工后钢绞线留长充足

钢绞线拉索换索施工是原先安装施工的逆过程。更换的首要步骤必定是先要卸除钢绞线的当前索力，钢绞线卸除索力方法见图1，卸除索力就需要解除当前索力下钢绞线弹性伸长量△L。从图1可知，原先拉索施工时，务必要确保锚具后面具有足够的留长L1，考虑到钢绞线更换时工装连接，L1应大于△L一定的长度。这是一项很重要的关乎到日后钢绞线能否方便更换的技术措施。

但往往在实际施工时，操作人员会贪图操作方便，钢绞线留长不按要求切割，将钢绞线留长切割成“阶梯形”，见图2。如此将导致上层钢绞线的留长Li小于正常预留长度L1，甚至短于钢绞线张拉力下的弹性伸长量△L，将导致日后钢绞线更换的困难。正确的钢绞线留长切割方式应见图3，钢绞线应切割齐整，确保每根的钢绞线留长充足。

图1 钢绞线单根更换工作示意

图2 钢绞线留长的不当切割方式示意

2.2 钢绞线拉索单根更换技术的探讨

图3 钢绞线留长的正确切割方式

关于钢绞线拉索体系，经常会提到钢绞线可单根更换的特点。确实，从钢绞线拉索的锚固原理和结构上看，每一根钢绞线均是独立锚固的，且整束拉索的各钢绞线是互相平行的，具备单根更换操作的条件。这样往往会有一个理解的误区：就是换索必然是更换好一根钢绞线后，再去更换下一根钢绞线。

但在实际换索时，旧钢绞线拆除后，需将锚板的锚孔进行清理干净，这就需要一定的人工操作空间，所以较合适的做法是先拆除不少于3列（排）的钢绞线，然后安装最左边一列的新钢绞线，继而再卸除右边的一列旧钢绞线始终有操作空间进行锚孔清理，直至整束的钢绞线更换完成，见图4。

图4 钢绞线更换过程示意

根据上述钢绞线拉索实际换索操作需要，建议桥梁设计者应考虑允许一整束钢绞线拉索的钢绞线卸除1/3～1/5左右（视拉索规格大小而定）钢绞线时，桥梁结构受力仍是安全的。

3 钢绞线拉索锚具防腐性能

如前所述，桥梁钢绞线拉索具有钢绞线可以单根张拉、单根更换的优点，而且也是钢绞线拉索技术发展的趋势。钢绞线拉索在实施换索时，仅是更换拉索钢绞线和夹片，而锚具是不予更换的。所以为满足桥梁工程百年设计使用寿命要求，相对既换索又换锚具的平行钢丝索锚具而言，钢绞线拉索的锚具防腐性能要求应该更高、更严格。

但相比欧美国家，无论从规范建设，还是从设计施工管控，我国对桥梁钢绞线拉索锚具防腐性能的重视还存在欠缺，加上工程招投标往往是低价中标，很多桥梁项目钢绞线拉索锚具表面处理仅为电镀锌处理，镀锌厚度仅为15μm左右，且施工结束后缺乏永久性防护处理，其防腐能力远不能满足桥梁设计使用寿命要求，存在一定的隐患。

因此，根据桥梁钢绞线拉索在生命周期内换索不换锚具的特点，应制定合理的锚具防腐措施方案。探讨如下：

①锚具内部密封结构应合理，能防止水汽渗入锚具内部，其密封构造应能通过动态水密封试验；

②锚具外表面防护应采用比普通电镀锌处理更好的镀层方案，如粉末渗锌、热喷锌（喷锌铝）处理，镀层厚度不小于85μm；

③施工结束后，应对锚具等外露构件进行封闭涂装处理；

④定期管养，桥梁拉索健康运行离不开定期管理和养护，把养护管理制度落实到实处，早发现问题早处理，确保拉索正常使用环境；

⑤建议在设计阶段就把上述要求纳入到设计图文件中，使工程项目在招投标时就有明确依据，避免低价中标后以施工图无明确要求为由，以次充好；

⑥建议加强相关规范建设，重视桥梁拉索使用的耐久性，促进我国桥梁拉索产品的技术质量水平。

4 钢绞线拉索换索后锚具二次锚固性能

桥梁钢绞线拉索在生命周期内是换索不换锚具，那么拉索的钢绞线、锚固夹片更换后，其锚固性能是否能维持满足原有的静载、疲劳锚固性能成为问题。由于桥梁钢绞线拉索的无粘结锚固技术在我国实桥应用时间还不长，还没到换索年限，所以目前行业内尚无换索后进行锚具二次锚固性能验证的公开资料。可以预见，换索后锚具二次锚固性能的验证是即将要面临和研究的新课题。

验证钢绞线拉索换索后锚具的二次锚固性能最理想的方式是采用实桥换下的锚具进行验证，最具有真实性。在不可得的情况下，认为可按如下方式进行研究验证：

①查询资料，获取桥梁拉索的设计计算数据，如实桥运营状态设计计算索力和应力幅，若有实桥索力监控数据更佳；

②制作与实桥拉索同类的锚具，规格可取相同，也可取具有代表性的规格，一般不小于19孔；

③进行整束疲劳试验，疲劳试验应力上限和应力幅参照实桥拉索最大索力和应力幅，试验循环次数200万次，试验结束后，拆除试验钢绞线和夹片，并保留试验索两端的锚具；

④将保留的试验锚具的锚孔进行清理，并安装新的试验钢绞线，并用新夹片锚固；

⑤再次进行疲劳试验，考虑到拉索锚具使用安全裕度，本次疲劳试验应力上限和应力幅取相关规范的规定值，若拉索类别是斜拉桥拉索，则应力上限为0.45fptk，应力幅为200MPa，试验循环次数为200万次；

⑥疲劳试验结束后，应进行静载试验，静载试验破断力不应小于试验索的公称破断拉力95%。

经过上述二次疲劳锚固性能验证通过的锚具产品，才能真正满足钢绞线拉索单根可换体系的换索不换锚具的使用要求。

5 钢绞线拉索防火技术问题及措施

桥梁拉索在雷击、车辆事故等原因下，拉索会受到火灾导致的危害，从而影响桥梁运营安全。我国拉索防火技术措施在实桥上应用仍还未得到普及，相关规范还未对拉索防火要求作出规定，对拉索防火技术也缺少研究和试验，尚无公认成熟的技术方案。

图5 鄂黄长江大桥火灾事故现场

图6 斜拉索防火段设置示意

2018年3月，鄂黄长江大桥拉索受一货车货物自燃的影响，导致大桥北塔（5#塔）下游侧J19～J25共计7根拉索不同程度烧伤，其中J21和J22索出现钢丝外露。经评审，对J21和J22拉索进行更换。图5为鄂黄桥货车自燃事故现场，火灾造成了重大的经济损失，再次提醒应该将桥梁拉索的防火建设提上日程。

美国PTI的2012版《斜拉索设计、试验和安装的建议》[4]规定了对斜拉索防火性能要求：在温度1100℃的外部火源下，拉索受力筋材料（钢丝或钢绞线）温升达到300℃时，其耐火时间不得少于30min，同时PTI建议指出，30min仅为最低要求，具体耐火时间可根据桥梁实际情况制定。

根据PTI建议要求，提出拉索防火技术措施方案。考虑大多数火源来自于桥面，比如车辆事故、人为因素等，若拉索全长均采取防火措施，则显得昂贵而不经济，可以在离桥面高H=3-10m范围采取防火措施，见图6。防火措施分两段设置，预埋管及拉索防水罩的外露钢质材料部分可采用钢结构防火涂料进行涂覆；索体段防火措施可采用优质耐火卷材缠包在索体外周，耐火卷材根据耐火时间要求包裹一层或多层，再在外安装钢质防护管，索体防火段截面结构见图6。

6 结语

随着我国桥梁建设事业的发展，桥梁拉索将会向高强度、高耐久性的方向发展，并逐渐重视和要求拉索具有易于运营的管养功能，要求拉索易于更换、具有防火功能、具有智慧监测功能等等。

钢绞线拉索体系作为桥梁拉索家族中的一员，也要顺应当前技术发展的趋势，进行深入研究，以期在钢绞线材料、锚固技术、现场施工技术及管理、换索施工技术和防火防腐等方面取得新的突破和发展。