大直径高强度钢丝主缆索股制造技术

彭春阳， 李启富， 莫仁俊， 王 耀

（1. 柳州欧维姆机械股份有限公司，广西 柳州 545005；2. 柳州曙光车桥有限责任公司，广西 柳州 545000）

长期以来，悬索桥主缆钢丝一直采用直径ϕ5 mm 系列，抗拉强度一直维持在1 570～1 770 MPa。随着桥梁跨径增大，主缆钢丝用量增加。提高主缆钢丝强度，可以减少钢丝用量，减轻主缆的自重和截面积；增大主缆钢丝的直径，可以减少索股数量，降低施工周期；因此，大直径、高强度钢丝主缆索股应用于大跨径悬索桥是未来的发展方向。为适应未来发展趋势，在国内已可以研制的更高强度1 860、1 960 MPa 级钢丝，更大直径ϕ6 mm 系列钢丝基础上，开展大直径、高强度钢丝主缆索股相关的制造技术研究。武汉杨泗港长江大桥主缆索股钢丝采用的是ϕ6.2 mm、强度为1 960 MPa 的镀锌铝合金高强钢丝，与常用的ϕ5.0 mm、强度为1 670 或1 770 MPa 主缆索股相比，钢丝线径更大、强度更高，制造相对更困难，本文对其主缆索股制造技术、施工质量控制进行研究。

1 工程概况

武汉杨泗港长江大桥是双层悬索桥，全长4.134 km，桥面宽32.5 m，主桥跨度布置为465 m+1 700 m+465 m。全桥共2 根主缆，每根由271 股91 根ϕ6.2 mm的索股组成，单根主缆索股长度约为2 836 m，单根索股质量约62 t。见图1和图2。

图2 主缆截面

2 主缆索股制造技术

2.1 结构

主缆索股为正六边形结构，在六边形断面左上角设置红色油漆涂覆的标志丝，右上角设置精确测量的标准丝。索股每隔1.5 m 用定型包扎带缠绕定型，两端装配热铸锚具。见图3。

图3 主缆索股

2.2 锚具设计

为保证锚具的锚固效率，对钢丝与锌铜合金的握裹性能进行研究；同时对锚杯的锚固结构进行设计、计算、受力分析、试验验证。

2.2.1 锌铜合金的握裹力

分别测试不同握裹长度、相同长度有无锥度的钢丝拉脱力，由式（1）进行握裹力的计算

式中：λ——握裹力（钢丝与合金在单位面积上的附着力）,MPa；

F——钢丝拉脱力，kN；

dw——主缆钢丝直径，mm；

L——钢丝握裹长度，mm。

通过试验研究发现：钢丝的拉脱力随着握裹长度的增大而增大，锚具有锥度，有利于增大钢丝的握裹力，同时对握裹力的离散程度（工艺稳定性）是有利的。见图4。

图4 单根钢丝握裹力试验

2.2.2 锚杯

1）结构。锚杯的结构见图5。

图5 索股锚杯

2）计算。锚杯的环向应力计算[1]

式中：Ft——锚具环向拉力值；

lsc——锚杯内铸体材料的有效长度；

tsm——铸体材料有效长度内锚杯的平均壁厚；

Ns——索股拉力设计值；

φsc——锚杯内铸体上压力线与锚杯内锥母线的夹角；

βs——锚杯内锥母线与轴线的夹角。

经计算，锚杯的环向应力值为244.7 MPa，小于材料的屈服强度值，锚杯具有足够的安全系数。

3）受力分析。根据结构设计图，进行了ANSYS有限元分析，模拟在受索股破断索力工况时，锚杯的应力状况。锚杯所受的最大应力为232.9 MPa，与理论计算值差别不大，小于材料的屈服强度值，锚杯具有足够的安全系数。见图6。

图6 ANSYS有限元分析

2.2.3 锚具制造

锚具制造主要是指索股热铸锚杯的制造，工艺流程见图7。

图7 索股热铸锚杯制造工艺流程

为保证热铸锚杯握裹段的制作精度，对热铸锚杯的内腔进行机加工并严格按照按GB/T 7233.1—2009《铸钢件超声检测第1 部分：一般用途铸钢件》2 级超探要求对锚杯内腔及各部位进行探伤检测。

2.2.4 锚具防腐工艺

采用热喷锌+重防腐涂层的方案进行防护，热喷锌厚度＞100 μm，再喷40 μm 厚涂环氧封闭漆进行索股安装初期的防腐，封闭漆加锌层能有效防止锚具的腐蚀；桥梁上部结构施工完成后，再对锚具进行进一步的防腐处理，即喷120 μm 厚环氧耐磨漆、80 μm 厚聚氨酯面漆，使整个锚具的防腐层厚度达到340 μm，配合锚室内的除湿系统，此种防腐结构可以有效阻止锚具发生腐蚀，保证主缆锚固性能。

2.2.5 制锚及顶压工艺控制

锚杯内腔用清洗液清洗干净，确定锌铜合金容积，用工装夹具在锚杯上定位、固定索股的角度及长度位置，钢丝索股的轴线与锚杯的前端面角度控制在（90±0.5）°；在制锚平台上浇铸，浇铸时锌铜合金的熔化温度不得高于600 ℃。锚杯预热至合适温度，浇铸容器预热至200 ℃以上，保证锌铜合金浇铸温度为（460±10）℃。将合金注入锚杯时，应避免任何振动，浇铸应一次完成，不得中断。

锚具及浇铸合金完全冷却至常温后，把索股、锚杯从灌锚平台上移下。将锚具固定在顶压台上，在锚杯大端顶压，控制顶压力3 615 kN，持荷5 min，卸压后测量索股的外移量。经精准容积换算及灌注工艺控制，顶压回缩值在3 mm内。

2.2.6 静载及疲劳验证

为进一步验证索股静载、疲劳性能，进行静载、疲劳试验：静载性能达到最大试验荷载≥95%，公称破断荷载；疲劳性能达到应力上限0.45σb，应力幅值200 MPa，经200 万次脉冲加载后断丝不大于总数的5%。验证了其锚固效率完全满足要求[2]。

2.3 主缆钢丝的性能

对于索股钢丝，除要求检测数据满足规范要求[3]外，增加了对钢丝扭转性能的要求，要求钢丝满足100 m 自由扭转≯3 圈，以此进一步保证索股钢丝的直线性。

2.4 生产线改造

由于是高强度、大直径钢丝主缆索股，生产制作前担忧缠包力不够，对生产线进行了改造。

1）对缠包机进行了改进，调整缠包机的张力机构，使得缠包机能够提供恒扭矩，保证缠包带不因长度的变化而引起缠包力的变化，即保证缠包力的均匀性。

2）钢丝的钢性太大，索股上盘时会影响成盘效果，造成断带。为了改善缠包效果，前期将缠包距离由1.5 m 加长为1.8 m。在主缆索股架设过程中，部分索股在工地放索检验后发现，距离的加长对缠包效果改善并不明显，后期将缠包距离由1.8 m 改回了1.5m。

3 主缆索股制作

主缆索股的制作工艺流程见图8。

图8 主缆索股制作工艺流程

主缆索股长度是通过标准丝来控制，因此标准丝制作的长度精度直接影响索股的长度精度。杨泗港大桥索股长度2 836 m，标准丝制作采用基线测长法，设置的测长基线为200 m，共需15 次装夹测量，在充分考虑温度补偿误差、变量传递误差、累计测量精度误差等因素下，保证标准丝的测长精度偏差在1/15 000以上，索股的测长精度偏差在1/12 000以上。

4 放索质量及控制方法

为了检验索股的制作质量、成盘质量和索股放盘后质量的一致性，在正式生产前按照主缆序号进行了1∶1 的放索试验。由于场地条件限制，试验在工厂拉索生产线上进行。在直辊道两侧各一个部位布置升高支架以模拟索鞍，布置间距为6～8 m 的辊道以模拟猫道支撑辊。经放索试验，索股没有出现断带，索股缠包点成型保持效果良好，说明索股编制缠包张力适宜；索股全长放索后，标志点红黄油漆标识边界无明显滑移，放索全程无明显索股扭转和鼓、散丝现象，说明索股内钢丝长度偏差满足要求；放索时索股下盘过程在索盘处索股未出现夹丝、卡盘和塌落现象，全长索股成盘质量可靠。

主缆索股放索质量控制，主要是如何控制鼓丝、扭转问题。产生鼓丝、扭转的直接原因是索股内各钢丝间长度不均匀。导致索股内各钢丝间长度不均匀的原因有2 个：生产制造过程中由于单根钢丝组合预制成索股时，加工工艺造成索股间各钢丝存在内应力差；施工现场放索过程中，由于索股是在柔性猫道上牵引，钢丝在索股牵引过程中经过不同部位，索股下部的钢丝受到托滚的摩擦力产生拉应力，逐渐向后累积至曲率、高差起伏变化较大的地方，如主索鞍、散索鞍处，造成索股间各钢丝存在内应力差，同时由于后移限制，钢丝不可避免鼓出。

为提高索股放索质量，避免索股在施工现场放索过程中出现鼓丝、扭转问题，可采取以下控制措施。

1）猫道。增加猫道刚度，适当地增大猫道承重索，保证放索时猫道的稳定性并使猫道滚轮的高度保持一致；或分幅对称布置滚轮，以防放索时猫道产生倾斜；合理设置猫道滚轮，采用合理角度的猫道滚轮，使索股与滚轮成垂直状态并保持一个面接触；索鞍处滚轮组的布置也应使索股与滚轮成垂直状态，索股不与滚轮侧面接触，减少索股的扭转。

2）索股入鞍后会产生钢丝分层位移现象，散索鞍处主缆的空间线形及鞍槽平弯和竖弯的共同效应，必然出现鼓丝现象。为了避免索股鼓丝，应确定合理的整形入鞍工艺和顺序；在工厂预制索股时，采取索鞍、散索鞍处预成形工艺，减少索股间钢丝的不均匀，还可提高索股架设效率，缩短架设时间；施工时采取钢板梳、钢丝模等工具进行限位调整控制，在主索鞍中跨出口处用四边形保持器夹紧，保证单根索股整体性，尽量减少串丝等，必要时在侧面加设调整夹板；中跨跨中垂度控制在30 cm 左右，边跨跨中垂度控制在10 cm 左右，便于调整索股，同时减小底层钢丝的摩擦力；调整索股时，采用木锤在调整部位附近反复不停敲打并利用倒链适当上提，以减小鞍槽摩擦力影响。

3）架设牵引过程中，严密监督与观察，杜绝局部钢丝受挂；避免牵引过程中散丝后，单个或数个钢丝被挂住，受拉而产生鼓丝。

4）必须将锚跨鼓丝赶至边跨跨中位置，远离散索鞍，便于后期恒载增加时，达到消除鼓丝的目的。在紧缆施工过程中，若出现鼓丝问题，可采取平均分配法逐段消除。

5 结语

由于直径的增大，钢丝的直线性有比较大地提高，可以改善索股的制造质量，降低索股鼓丝及扭转出现的概率。杨泗港长江大桥主缆索股的应用，成功地将大跨径悬索桥高强度钢丝直径由5 系列提高到6系列，给后续大跨径悬索桥建设积累了大跨径、大直径、高强度钢丝主缆索股的经验，从施工现场的放索效果反馈，大跨径、大直径、高强度钢丝主缆索股的制造已经能够满足工程要求。