螺洲大橋主纜纏絲及其導入力對主纜結構的影響分析

螺洲大橋主纜纏絲及其導入力對主纜結構的影響分析

劉鑰1朱安靜1鄭則群2

(1.中國市政工程西北設計研究院有限公司武漢430056；2.福州大學土木工程學院福州350108)

摘要為了對懸索橋的主纜做好防護，選用不同直徑及不同彈性模量計算了先鋪裝后纏絲、先纏絲后鋪裝2種工序下的纏絲導入力。結果表明，隨著纏絲彈性模量和纏絲直徑的增加，纏絲導入力增加，斷面溫差對纏絲導入力的影響不容忽視。為了節省工期同時保證施工質量，采用先鋪裝6 cm聚丙烯混凝土再纏絲的施工方法，主纜纏絲導入力采用2 500 N。

關鍵詞自錨式懸索橋主纜防腐涂裝纏絲導入力

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.003

收稿日期：2014-12-14

主纜是懸索橋的主要承重受力構件，其設計年限為100年，而且是不可更換的，被稱為懸索橋的生命線，主纜的防護對維持懸索橋的壽命是極其重要的。文獻[1]通過對喬治·華盛頓懸索橋主纜索股深入檢查表明，銹蝕或化學腐蝕是導致主纜承載力能力下降的主要原因。因此，主纜的防護不容忽視。螺洲大橋的主纜主要采用纏絲涂裝的防護方式，關于纏絲導入力的文獻不多，日本做了比較深入的研究[2]，其中包括試驗研究。國內在廈門海滄大橋[3]、西堠門大橋[4]以及壩陵河大橋[5]也做了一些研究，其他橋梁要么借鑒已有橋梁，要么隨便取一數據。本文結合已有的文獻，確定了螺洲大橋主纜的纏絲導入力的計算公式。

1主纜防護

螺洲大橋的主纜主要采用纏絲涂裝的防護方式，見圖1。

圖1　主纜防護材料及構造

防護前先用手工清洗主纜上因施工而殘留的雜物，并用溶劑清洗主纜表面的油污及沙塵等有害物質，臨時覆蓋，待對該處進行涂裝及纏絲時再揭開。涂裝層包括①磷化底漆，1道，厚約10 μm；②不干性防護膩子，厚約3 500 μm；③纏繞直徑4 mm鍍鋅鋼絲，并涂厚約10 μm磷化底漆1道；④涂厚約10 μm環氧底漆1道；⑤涂聚硫密封劑，厚約2 500 μm；⑥彩色防護漆，厚約250 μm。

在運營荷載作用下，主纜防護層跟隨主纜一起變形，從而主纜的防護層必須是柔性不具備抗彎剛度，如果不對主纜進行纏絲，主纜鋼絲間將缺乏橫向約束，在后期的各種變形中可能散開，導致水氣進入造成主纜銹蝕和腐蝕。因此，主纜纏絲是主纜防護的重點，必須保證纏絲應力在任何階段都大于0。

2纏絲導入力計算原理和方法

2.1　計算原理

纏絲過程中，由纏絲導入拉力T后，轉化為作用于主纜表面的徑向壓應力σr；相反，主纜表面也對纏絲圈施加反作用應力σc。根據作用力和反作用力相等的原理，應有σr=σc。式中：σc為主纜對纏絲的反作用徑向應力。在纏絲之后，當主纜受二期恒載、汽車荷載作用及溫度變化等影響時，主纜拉力會增大，在“泊桑效應”作用下纜徑發生橫向收縮，這樣導致纏絲圈對主纜的壓力減小，嚴重時會造成纏絲松弛、失效。即纏絲設計必須滿足的條件為：在二期恒載、汽車荷載和溫度變化作用下纏絲對主纜表面的壓應力大于0，且纏絲應力低于纏繞鋼絲屈服點。

2.2　計算方法

對于纏絲導入力的計算方法，在日本大島大橋施工時，提出了泊桑比方法，在白鳥大橋施工時，考慮了主纜橫斷面的彈性模量對泊桑比公式進行修正。文獻[6]中總結了幾種方法，其基本原理相同。計算公式如下：

(1)

式中：T為纏絲導入力，N；n為安全系數；EW為纏絲彈性模量，MPa；AW為纏絲面積，mm2；μ為主纜鋼絲的泊桑比；ΔT為主纜在纏絲以后增加的纜力，N；EC為主纜彈性模量，MPa；AC為主纜面積，mm2；DW為纏絲圈直徑，mm；DC為主纜直徑，mm；ε為纏絲時纏絲的溫度與主纜斷面平均溫度之差引起的應變。

纏絲初始導入力與最終的殘留張力相差很大。日本的纏絲導入力損失測試實驗表明，最終張力僅為初始張力的1/4～1/3，其原因主要是纏絲纏繞后因松弛效應造成的拉力降低。因此安全系數一般取3～4[7]，本文的安全系數n=3。

溫度變化包括運營階段體系溫差(取30 ℃)和主纜斷面溫度梯度作用。主纜斷面溫度梯度是影響主纜纏絲力的不可忽略的因素，由于纏繞鋼絲圈與主纜之間有一層不干性密封膏，會產生熱傳導滯后現象，使得纏繞鋼絲圈與主纜之間存在一定的溫度差，此溫度梯度將引起纏繞鋼絲內力值變化。但由于螺洲大橋主纜直徑比較小，內、外溫差比較小，在日光作用下纏絲過程的主纜斷面最大溫差為4 ℃，而運營階段的荷載分項系數取1.54，即運營階段的主纜斷面溫度梯度取1.54×4 ℃≈6 ℃。纏絲的溫度與主纜斷面平均溫度之差引起的應變ε=αΔt。

3纏絲導入力計算及影響參數分析

3.1　參數分析

螺洲大橋主橋為三塔自錨式懸索橋，跨徑布置為：80 m+168 m+168 m+80 m=496 m。共2根主纜，每根主纜中含19股平行鋼絲索股，每股含127-Φ5 mm的鍍鋅高強鋼絲，每根主纜共2 413絲。緊纜后主纜的直徑為274.6 mm(索夾間孔隙率20%)，主纜彈性模量EC=195 GPa。

在國外，主纜一般在橋面鋪裝完成或者完成大部分后進行纏絲，因而二期恒載的影響可以忽略不計；在國內，包括海滄大橋在內的部分懸索橋采用先纏絲后鋪裝，這就需要考慮二期恒載的影響。螺洲大橋運營階段汽車荷載引起的纜力增量為4 122 kN，橋面鋪裝引起的纜力增量為5 814 kN，體系溫度變化引起的纜力增量為1 501 kN。當分別采用直徑為3.5，4.0和4.5 mm及不同彈性模量的軟質鋼絲進行纏絲時，所需的纏絲導入力計算結果見表1。

表1　纏絲導入力計算結果

注：T1為纜力變化引起的纏絲導入力；T2為斷面溫差引起的纏絲導入力。

由表1可見，斷面溫度梯度對纏絲導入力的影響不容忽視，其導入力約占先鋪裝后纏絲工藝的40%，隨著纏絲彈性模量和纏絲直徑的增加，纏絲導入力增加；如果采用先鋪裝后纏絲，纏絲導入力均小于2 161 N，其抗拉強度為135.9 MPa；如果采用先纏絲后鋪裝，纏絲導入力將大大增加，若采用直徑為4.5 mm的纏絲，纏絲導入力均在3 765 N以上，由于鋪裝引起的纏絲力增量約1 595 N，其抗拉強度為236.2 MPa。若采用先纏絲后鋪裝，則鋪裝引起的纏絲力占先纏絲后鋪裝工藝的42.4%。由表1和式(1)可見，為降低纏絲導入力，可以減小纏絲的直徑或者彈性模量，同時也可以選擇斷面溫差較小的時候，即選擇早上和晚上時候，盡量避開中午時間段進行纏絲。

3.2　工程現場

螺州大橋橋面鋪裝包括6 cm聚丙烯混凝土和4 cmSMA鋪裝，為了節省工期同時又保證施工質量，在6 cm聚丙烯混凝土澆筑完并倒數第二次頂推后對主纜進行纏絲。

螺州大橋采用的是直徑為4 mm，彈性模量EC=1.75×105MPa的細鋼絲。運營階段主纜增量為4 122 kN，體系溫度差產生的增量為1 501 kN，主纜先纏絲后鋪裝4 cm SMA以及附屬安裝產生的增量為3 607 kN，通過增量算出來的纏絲力T1為1 949 N；斷面溫差算出來的纏絲力T2為396 N，鋪裝引起的纏絲力占先纏絲后鋪裝工藝的32.5%。故主纜需要的最小纏絲導入力為2 345 N，施工采用導入力為2 500 N，其抗拉強度為198.9 MPa。

4結語

本文首先介紹了螺洲大橋主纜的纏絲涂裝防護方法，指出其纏絲的重要性，闡述了纏絲導入力的計算原理，在借鑒已有研究成果的基礎上確定纏絲導入力的計算方法。采用了直徑3.5，4和4.5 mm及不同的彈性模量對先鋪裝后纏絲、先纏絲后鋪裝2種工序下的纏絲導入力進行影響參數分析，結果表明隨著纏絲彈性模量和纏絲直徑的增加，纏絲導入力增加，斷面溫差對纏絲導入力的影響不容忽視，其導入力約占先鋪裝后纏絲工藝的40%。

為了節省工期同時又保證施工質量，采用先鋪裝6 cm聚丙烯混凝土再纏絲然后再鋪裝4 cm SMA的施工方法，纏絲導入力增量約占先纏絲后鋪裝工藝的32.5%，OVM提供的纏絲機能提供所需纏絲導入力，保證整個纏絲施工工藝的質量。

參考文獻

[1]蔣俊峰，馬迎山.喬治·華盛頓橋主纜索股的檢查[J].國外橋梁，2001(1)：53-59.

[2]萬國朝.白鳥大橋主纜防護工程[J].國外公路，1999(4)：14-19.

[3]方明山.廈門海滄大橋懸索橋主纜纏絲拉力計算[J].華東公路，1999(4)：8-11.

[4]唐茂林，宋暉，盧偉，等.西堠門大橋主纜纏絲導入力計算[J].橋梁建設，2009(5)：44-48.

[5]周漢國，陶路，漆亮.壩陵河大橋主纜纏絲導入力計算[J].公路交通技術，2010(2)：60-64.

[6]馬文田,石國彬.懸索橋主纜纏繞鋼絲的設計[J].華南理工大學學報:自然科學版，1999(11)：88-91.

[7]涉谷，前川，山地,等．白鳥大橋のケーブル防食工事[J]．橋梁と基礎,1998(1):31-35.

Calculation of Pretensioning Force of Wrapping

Wires for Main Cables of Louzhou Bridge

LiuYue1,ZhuAnjing1,ZhengZequn2

(1.China Northwest Municipal Engineering Design and Research Institute Co., Ltd., Wuhan 430056, China；

2. College of Civil Engineering, Fuzhou 350108, China)

Abstract：In this paper，for the protection of the main cables of suspension bridge, three different kinds of diameters and different elastic modulus of wrapping wires are selected to calculate the pretensioning force during the two different kinds of processes which are the pavement after wrapping and wrapping after paving. The results of the calculation indicate that, the pretensioning force of the wrapping wires increases with the increase of the elastic modulus and diameters of the wires and the influence of the sectional temperature on that force could not be ignored．In order to save the duration and ensure construction quality at the same time, the construction method of wrapping after 6 cm polypropylene concrete pavement is used during the process of construction. It is proposed that the pretension force of the wrapping wires for the main cables of the Bridge is 2500N.

Key words: self anchored suspension bridge; main cable; anti-corrosive coating; wrapping wire; pretension force