VSL 橋梁鞍座體系的應(yīng)用研發(fā)

摘 要：VSL SSI2000橋梁鞍座是一種新型斜拉索橋梁鞍座體系，該體系在保留了常規(guī)斜拉索體系錨具的機(jī)械性能，在鋼絞線單根安裝和單根更換的基礎(chǔ)上，研發(fā)出了不同的材料界面之間的微動(dòng)腐蝕疲勞和摩擦成果。在VSL SSI2000鞍座體系方案中，所有的鋼絞線通過各自的單根分絲孔道在鞍座內(nèi)按照設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，分絲孔道的截面幾何形狀類似于一個(gè)優(yōu)化后的倒置的雨滴型，該截面形狀可以提供較高的摩擦系數(shù)和優(yōu)良的耐疲勞性能。此新型鞍座根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)FIB對(duì)于斜拉索體系的要求，對(duì)規(guī)格為Φ15.7-4的鞍座進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果完全滿足FIB 標(biāo)準(zhǔn)的要求。

關(guān)鍵詞：疲勞；鞍座體系；斜拉索體系；微動(dòng)腐蝕疲勞

0 引言

平行鋼絞線拉索在橋梁上進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，可以選擇使用鋼絞線和拉索錨具在橋塔上進(jìn)行錨固；或是選擇在使用橋梁鞍座，使得鋼絞線連續(xù)從橋塔的一側(cè)通過橋塔到達(dá)橋塔的另一側(cè)而不間斷，保證了預(yù)應(yīng)力鋼絞線的連續(xù)性。如果選擇后一種方案，首先從設(shè)計(jì)的角度，橋塔的設(shè)計(jì)截面尺寸會(huì)大幅減小；通過使用鞍座使得橋塔結(jié)構(gòu)更加緊湊，避免了錨固區(qū)裂紋。

普通斜拉索橋橋塔 鞍座斜拉橋橋塔

圖1 不同的斜拉索橋橋塔結(jié)構(gòu)

1 VSL SSI2000鞍座體系的性能

（1）實(shí)現(xiàn)了鋼絞線連續(xù)的防腐蝕保護(hù)；（2）鞍座具備和斜拉索錨具同樣的耐疲勞性能，即，滿足FIB 和 CIP 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求的200MPa應(yīng)力幅，二百萬次疲勞載荷循環(huán)；（3）新型鞍座能夠平衡橋塔兩側(cè)的不平衡載荷；（4）鞍座與鋼絞線之間的摩擦系數(shù)不小于0.4；（5）優(yōu)越的防腐保護(hù)；（6）鋼絞線可以單根安裝和單根更換。

圖2 VSL SSI2000鞍座在結(jié)構(gòu)中的布置

2 VSL SSI2000新型鞍座解決了不同材料之間的微動(dòng)腐蝕疲勞

該新型鞍座的設(shè)計(jì)思路是在具備良好耐疲勞性能的同時(shí)，保證拉索和鞍座之間保持可靠的摩擦力以平衡橋塔兩側(cè)的不平衡載荷，并且保持體系的可更換性。微動(dòng)腐蝕疲勞是指鋼絞線在鞍座內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)在接觸面產(chǎn)生較大的接觸壓力和較高的摩擦。

圖3 典型的微動(dòng)腐蝕疲勞破壞

VSL SSI2000新型鞍座關(guān)于微動(dòng)腐蝕的解決方案。

如上所述，在暴露在空氣的環(huán)境中，給鋼絞線施加徑向的持續(xù)變化的應(yīng)力，將加速鋼絞線出現(xiàn)疲勞裂紋并脆斷，因此，解決方案的第一步就是避免鋼絞線和氧氣發(fā)生接觸。

方案1：如下圖，使用帶緊擠壓HDPE層的鋼絞線，并且在鋼絞線和HDPE層之間填充油脂或蠟，使得鋼絞線和空氣隔絕。

圖4 帶HDPE層的鋼絞線

該方案中，HDPE層的耐久性決定了該體系的耐久性。在軸向運(yùn)動(dòng)和徑向壓力的綜合作用下，HDPE層變得非常脆弱，因此在HDPE層受到破壞后，鋼絞線將迅速發(fā)生腐蝕破壞。

圖5 破壞后的HDPE層和鋼絞線的腐蝕破壞

方案2：如下圖，采用在鞍座分絲孔和鋼絞線之間的空隙中填充特種材料，既要保證鋼絞線和鞍座分絲孔之間存在接觸摩擦，且不降低兩者之間的摩擦系數(shù)，同時(shí)還要滿足鋼絞線的單根安裝和單根更換的可操作性。

圖6 在鋼絞線和鞍座分絲孔之間填充特種材料

3 VSL SSI2000新型鞍座的摩擦性能和耐疲勞性能

在鞍座分絲孔成孔材料的選擇上，使用了超高強(qiáng)度的砂漿材料，該材料既可以提供設(shè)計(jì)要求的機(jī)械性能，同時(shí)又具備良好的成型特性，能夠通過模具制作成倒置的雨滴形狀的分絲孔。

圖7 倒置雨滴型分絲孔以及內(nèi)部的單根鋼絞線和特種填充材料

圖8 倒置雨滴型分絲孔受力狀況和傳統(tǒng)圓形分絲孔區(qū)別

VSL SSI2000新型鞍座可以傳遞的最大不平衡載荷，計(jì)算公式如下：

圖9 鞍座可以傳遞橋塔兩側(cè)的不平衡載荷

圖10 VSL SSI2000新型鞍座分絲孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4 摩擦系數(shù)的測(cè)量

通過使用一根鋼絞線，安裝在鞍座的任一個(gè)分絲孔內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，填充特種填充材料。

試驗(yàn)布置如下圖：

圖11 VSL SSI2000新型鞍座摩擦系數(shù)試驗(yàn)布置及測(cè)量

5 疲勞試驗(yàn)

首先進(jìn)行了在鞍座內(nèi)安裝4根鋼絞線的疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)：

應(yīng)力幅200MPa

應(yīng)力上限45% UTS

2x106 次載荷循環(huán)

圖12 疲勞試驗(yàn)布置照片

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（1）疲勞試驗(yàn)過程中沒有鋼絲出現(xiàn)斷裂；（2）所有的試驗(yàn)樣品在整個(gè)試驗(yàn)過程中均沒有發(fā)生破壞；（3）在疲勞試驗(yàn)后，緊接著進(jìn)行了張拉試驗(yàn)，達(dá)到1051.5KN，相應(yīng)于鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)破斷強(qiáng)度的99.2%，和鋼絞線實(shí)際破斷強(qiáng)度的96%；超出了FIB標(biāo)準(zhǔn)分別為95%和92%的標(biāo)準(zhǔn)要求；（4）鋼絞線沒有發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

6 結(jié)論

本文依據(jù)VSL SSI2000新型橋梁鞍座體系的研發(fā)，從開始的設(shè)計(jì)到根據(jù)FIB 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的小規(guī)模的疲勞試驗(yàn)，把鞍座的性能特點(diǎn)進(jìn)行了概括的介紹。該鞍座不僅性能優(yōu)越，更重要的是完全滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。

作者簡(jiǎn)介：張松（1973-），男，安徽宿州人，工程師。