VSL 橋梁鞍座體系的應用研發

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斜拉索體系錨具的機械性能，在鋼絞線單根安裝和單根更換的基礎上，研發出了不同的材料界面之間的微動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按照設計的角度進行偏轉，分絲孔道的截面幾何形狀類似于一個優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和優良的耐疲勞性能。此新型鞍座根據國際標準FIB對于斜拉索體系的要求，對規格為Φ15.7-4的鞍座進行了疲勞試驗驗證，結果完全滿足FIB 標準的要求。

關鍵詞：疲勞；鞍座體系；斜拉索體系；微動腐蝕疲勞

0 引言

平行鋼絞線拉索在橋梁上進行應用時，可以選擇使用鋼絞線和拉索錨具在橋塔上進行錨固；或是選擇在使用橋梁鞍座，使得鋼絞線連續從橋塔的一側通過橋塔到達橋塔的另一側而不間斷，保證了預應力鋼絞線的連續性。如果選擇后一種方案，首先從設計的角度，橋塔的設計截面尺寸會大幅減小；通過使用鞍座使得橋塔結構更加緊湊，避免了錨固區裂紋。

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構

1 VSL SSI2000鞍座體系的性能

（1）實現了鋼絞線連續的防腐蝕保護；（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 國際標準要求的200MPa應力幅，二百萬次疲勞載荷循環；（3）新型鞍座能夠平衡橋塔兩側的不平衡載荷；（4）鞍座與鋼絞線之間的摩擦系數不小于0.4；（5）優越的防腐保護；（6）鋼絞線可以單根安裝和單根更換。

圖2 VSL SSI2000鞍座在結構中的布置

2 VSL SSI2000新型鞍座解決了不同材料之間的微動腐蝕疲勞

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

圖3 典型的微動腐蝕疲勞破壞

VSL SSI2000新型鞍座關于微動腐蝕的解決方案。

如上所述，在暴露在空氣的環境中，給鋼絞線施加徑向的持續變化的應力，將加速鋼絞線出現疲勞裂紋并脆斷，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。在軸向運動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，同時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，使用了超高強度的砂漿材料，該材料既可以提供設計要求的機械性能，同時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圓形分絲孔區別

VSL SSI2000新型鞍座可以傳遞的最大不平衡載荷，計算公式如下：

圖9 鞍座可以傳遞橋塔兩側的不平衡載荷

圖10 VSL SSI2000新型鞍座分絲孔的優化設計

4 摩擦系數的測量

通過使用一根鋼絞線，安裝在鞍座的任一個分絲孔內，根據設計要求，填充特種填充材料。

試驗布置如下圖：

圖11 VSL SSI2000新型鞍座摩擦系數試驗布置及測量

5 疲勞試驗

首先進行了在鞍座內安裝4根鋼絞線的疲勞試驗，試驗參數：

應力幅200MPa

應力上限45% UTS

2x106 次載荷循環

圖12 疲勞試驗布置照片

實驗結果：（1）疲勞試驗過程中沒有鋼絲出現斷裂；（2）所有的試驗樣品在整個試驗過程中均沒有發生破壞；（3）在疲勞試驗后，緊接著進行了張拉試驗，達到1051.5KN，相應于鋼絞線標準破斷強度的99.2%，和鋼絞線實際破斷強度的96%；超出了FIB標準分別為95%和92%的標準要求；（4）鋼絞線沒有發生腐蝕現象。

6 結論

本文依據VSL SSI2000新型橋梁鞍座體系的研發，從開始的設計到根據FIB 標準進行的小規模的疲勞試驗，把鞍座的性能特點進行了概括的介紹。該鞍座不僅性能優越，更重要的是完全滿足國際標準的要求。

作者簡介：張松（1973-），男，安徽宿州人，工程師。