1960MPa纜索“吊起”虎門二橋

文|廣東省公路建設有限公司虎門二橋分公司 張鑫敏

隨著懸索橋主跨跨徑的增大，主纜的自重呈非線性加速增長，導致主纜材料強度用以承擔其自身重量的比例增大，用于承擔使用荷載的比例相對減小，承載效率降低，因此，提高主纜強度、減輕自重成為突破更大跨徑的關鍵。由廣東省交通運輸廳組織實施的“1960MPa懸索橋主纜索股技術研究”于2009年啟動，該項目依托虎門二橋工程，深入研究了盤條合金組分、連鑄偏析、索氏體化技術，鋼絲拉拔、熱鍍鋅鋁技術，索股錨固、預成型等關鍵技術。其研究成果總體達到國際領先水平。

虎門二橋全景圖

項目總體技術路線圖

該項目研究針對1960MPa主纜鋼絲及索股在虎門二橋懸索橋應用，以自主創新、集成創新為主導，以產、學、研結合的模式開展研究工作。實施過程中統籌考慮研究與成果應用時間，既保證研究成果服務于虎門二橋工程建設，又能通過工程實踐檢驗研究成果，促進理論、方法的完善和技術水平的提升。

1960MPa纜索鋼絲用盤條開發

提高鋼絲強度的一般技術方法是增加碳含量，國產1770MPa鋼絲采用82碳盤條，技術路線為高錳。根據前期試驗結果，1960MPa鋼絲需要提高盤條碳含量。為同時滿足強度和扭轉等性能的要求，各鋼廠還進行了特殊的盤條成分設計，同時對冶煉和軋制技術進行改進和提升。盤條成分設計需綜合考慮合理的含碳量和其他金屬含量。經過反復試驗研究，選擇用于制作1960MPa鋼絲的3種盤條成分組成，如表1所示。

表1 1960MPa鋼絲用盤條化學成分

盤卷技術

1960MPa主纜

為滿足優質的扭轉等性能，研發和應用了橋梁纜索鋼絲盤條索氏體化處理，改進和提高盤條組織和均勻性，在國內第一次應用在線水浴（EDC）、離線鹽浴（DLP）和離線鉛浴（LP）等大直徑盤條熱處理技術，實現了索氏體組織≥90%，金相組織均勻。基于上述研究，首次成功應用了盤條EDC處理和離線LP處理，自主設計了國內首條DLP生產線，并形成了全套的生產工藝技術。經盤條試驗和鋼絲加工結果檢驗，熱處理效果達到或優于國外目前公認的盤條質量。其中，在線EDC技術和工藝在節能環保方面處于國際領先水平。

1960MPa懸索橋主纜用高強度鋼絲開發

1960MPa高強度鋅鋁合金鍍層鋼絲拉拔技術研究

該項研究立足于高碳鋼高強度大直徑鋼絲在生產線上的拉拔過程，研究了在現代化大生產條件下鋼絲拉拔組織、性能變化規律。通過對不同應變量鋼絲的組織演變觀察分析以探求鋼絲拉拔過程中組織與力學性能演變過程。研究了高碳鋼絲在拉拔過程中的微觀組織結構和力學性能隨拉拔應變量的變化規律；系統地分析了高碳鋼絲拉拔過程中的織構演變過程，分析了鋼絲織構對鋼絲力學性能的影響，同時對鋼絲的熱鍍過程中的再結晶織構進行了系統研究。重點研究了含碳量為0.87%左右的過共析鋼鋼絲經索氏體化后，在不同拉拔應變量下縱截面方向的微觀組織變化，創新性的采用了大應變量拉拔技術，利用滲碳體碎化后非晶帶的纖維強化和滲碳體顆粒的彌散強化來提高光面鋼絲的強度和韌性。

同時，研究了低溫時效對鋼絲扭轉性能的影響，模擬拉絲溫升對鋼絲扭轉性能的影響，為拉絲過程中工藝的制定與控制提供參考。研究了熱鍍溫度對鋼絲扭轉性能的影響，模擬鍍鋅溫度對鋼絲扭轉性能的影響，研究其影響的機制，開發出了強度達到1960MPa、扭轉次數達到14次以上的鋅鋁合金鍍層鋼絲成套制作技術。該創新點經江蘇省經信委鑒定，達到國際領先水平。鋼絲抗疲勞性能經過美國結構試驗室認證，超過了目前國際上ISO及美國標準的相關要求，達到國際領先水平。

基于無接觸式新型鋼絲鋅鋁合金鍍層控制技術研究

鍍層質量對于橋梁纜索的耐久性至關重量。對于鋅鋁合金鍍層鋼絲，由于鋁的流動性較好，因此其熱鍍速度為傳統熱鍍鋅的2倍以上。該研究創新性的將非接觸式的電磁熱鍍抹拭法+氣體抹拭法的復合抹拭技術用于鋅鋁合金鋼絲的雙鍍技術，通過控制洛倫磁力的大小、分布和氮氣的氣壓，實現了鍍層質量和均勻性的精確控制，實現了鋅鋁合金熱鍍技術的高速、低耗和綠色環保。

鍍鋅鋼絲表面粘上液態鍍鋅層垂直向上穿過電磁抹拭裝置，當移動到鋅層電磁抹拭原理圖所示位置時，線圈中通入的交變電流在鋼件區域感應產生交變磁場，交變磁場在鍍鋅層中，產生方向與感應線圈電流方向相反的感應渦流電流，根據麥克斯韋電磁場微分方程，隨著鋼件向上移動過程中，鍍鋅層中的渦流電流在交變感應磁場的作用下，受到斜向下的洛倫茲力的作用，阻止了液態鍍鋅層向上移動，克服鍍鋅層之間的粘附力，將多余的鋅液抹拭下去，通過改變磁力大小和分布，從而達到控制鋅層重量的效果。

鋅層電磁抹拭原理

在熱鍍鋅鋁合金后，采用氣體抹拭法(主要是氮氣)精確控制鋅鋁合金成品的表面質量。其方法創造性地使具有一定壓力的氣體，通過環形氣刀裝置在鋼絲周圍產生高速氣流，高速氣流作用在鍍層表面時產生抹拭力，將表面多余的合金熔液抹拭回合金鍋去。氣體抹拭原理為鋼件從鋅鍋出來之后，垂直向上移動過程中，氣刀中噴出的高壓氣體作用在鋼絲上，表面鍍鋅層在氣流以及重力的作用下，沿著向下回流到鋅鍋里面去。通過控制氣體壓力和氣刀高度、角度等參數控制鍍層的質量和均勻性。

采用非接觸式復合抹拭技術后，熱鍍速度從傳統的每秒10米提高到每秒20米，鍍層重量達到每平方米300克，鍍層均勻性好，其硫酸銅次數可達到4次，其抗鹽霧腐蝕能力較傳統的熱鍍鋅鋼絲提高了1倍。該創新點經江蘇省經信委鑒定，達到國際領先水平。

鋅鋁合金鍍層鋼絲與傳統熱鍍鋅鋼絲的鍍層抗腐蝕能力對比

1960MPa懸索橋主纜索股制作技術研究

針對1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲懸索橋主纜索股，由于強度性能的提高和鋅鋁合金鍍層的特點，可能影響到索股制造工藝和性能，特別是錨固工藝和性能，需要進行系統的研究和試驗。首先需要研發合適的錨具結構和錨固方法，并進行合理的結構設計及試驗研究，以實現主纜索股錨具錨固技術的可靠開發應用。同時，需要進行系統的索股制造工藝試驗，檢驗和確定合適的1960MPa鋼絲主纜索股的制作工藝。

錨具和錨固技術

根據國內外懸索橋主纜錨固的經驗，虎門二橋1960MPa鋼絲和主纜索股研發應用項目仍選擇熱鑄錨錨固方法，主要研究內容包括錨具設計和結構分析，以及錨固工藝研究。

錨具選材及結構尺寸。通過設計計算和有限元分析，選擇了錨具結構和主要尺寸。該研究同時選取ZG310-570和ZG20Mn兩種鑄鋼材料，研究了不同的熱處理方式對材料顯微組織、力學性能(含低溫沖擊性能)和焊接性能的影響，以確定1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲索股的錨具材料。研究表明，ZG310-570鑄鋼經正火+回火后的金相組織為鐵素體+珠光體構成，晶粒度達7級以上；ZG20Mn鑄鋼經“退火+調質”處理后的金相組織為回火索氏體，晶粒度達9級以上。ZG20Mn鑄鋼經熱處理后的屈服強度、延伸率高于ZG310-570鑄鋼，特別是室溫沖擊韌性較ZG310-570提高了4倍，為ZG20Mn，其低溫沖擊韌性也明顯優于ZG310570鑄鋼，這對防止材料的低溫脆性有利。在以上研究基礎上，創新性的采用經過調質處理的ZG20Mn材料作為1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲主纜索股的錨具材料，并實現了批量化生產。

錨固性能試驗。由于1960MPa鋼絲強度提高兩個等級，且鋅鋁合金鍍層和鋅鍍層存在一些差異，為此進行了1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲的單絲錨固試驗和索股錨固試驗研究。試驗結果表明，鋅鋁合金鍍層鋼絲和鍍鋅鋼絲與鋅銅合金的粘結力區別不大，滿足1960MPa等級鋅鋁合金鍍層鋼絲的錨固要求，可采用鋅銅合金熱鑄錨。通過對比試驗確定了鋼絲有效錨固長度和索股錨固長度，保證鋼絲和索股可靠錨固。同時，還進行了錨固助鍍、預熱灌鑄溫度控制等工藝試驗，確定最佳工藝參數。為檢測127Φ5.0的1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲索股錨固結構在加載狀態下的受力性能，對錨具結構進行了結構試驗研究。試驗結果發現錨杯無異常，鋅銅合金鑄體未破壞，滿足了破斷荷載≥95%的靜載要求。

主纜索股制作技術工藝。為保障主纜索股的質量，根據1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲和索股特點，進行了制索工藝和設備改進。同時，進行了系列索股試驗驗證，確定了與高強度鋅鋁合金鍍層相適應的制索工藝和生產線。為減少工地架設難度和工作量，項目自主研發了一種索鞍區域“工廠預先成型的索股”索股制造技術，可實現主索鞍、散索鞍段索股在工廠內預制成矩形段。該技術采用多道雙層卡箍定型，預成型兩端過渡段采用鋼絲纏繞等方式，控制預成型段索股的形狀。通過工廠內放索試驗、入鞍試驗以及以往項目預成型主纜索股制作經驗來看，該技術實現了主纜索股在現場架設直接入鞍，提高了索股的架設質量和效率，有效保護了鋼絲表面鍍層，避免了采用鍍鋅鋼絲索股預成型技術編制鋅鋁合金鍍層鋼絲單元索股帶來的成型性差的缺點。

索股試驗

為了確保我國和世界第一列特大懸索橋主纜1960MPa鋼絲和索股研發應用項目絕對可靠，在鋼絲性能可靠的前提下，進行了系統的索股試驗研究，確保1960MPa鋼絲懸索橋主纜結構安全應用，為其他橋梁纜索應用儲備性能。

靜載性能。委托中國船舶工業金屬結構試驗檢測中心對12根鋅鋁合金鍍層鋼絲索股（三種應用鋼絲各至少3根索股）和1根鍍鋅鋼絲索股進行了軸向靜載性能試驗。試驗結果發現，索股破斷載荷基本在100%或以上破斷載荷下破斷，索股的靜載性能滿足相關規范的要求。

抗疲勞性能。在鋼絲疲勞試驗合格的基礎上，3種應用鋼絲各制作至少3根索股進行動載疲勞試驗，共抽取15條索股動載試驗，試驗結果全部合格。

為了與國外優質盤條鋼絲比較，還分別選用進口DLP盤條和國產EDC盤條鋼絲制作索股，進行了應力上限為40%抗拉強度、應力幅值為200MPa、200萬次的索股疲勞試驗和應力上限為40%抗拉強度、應力幅值為250MPa、300萬次的索股延壽疲勞試驗，試驗結果表明國產盤條和進口優質品牌盤條鋼絲索股疲勞性能基本相似，不存在明顯差別。

抗滑移性能。根據鋅鋁合金鍍層鋼絲和鋅鍍層鋼絲主纜（索夾）抗滑移性能對比試驗，鋅鋁合金鍍層比鋅鍍層鋼絲主纜抗滑移力低10%至12%，與高麗制鋼公司單絲摩阻系數試驗結論一致，具有一定的參考價值。

放索試驗。試驗索按照虎門二橋坭洲水道橋主纜索股要求制作，長度為3100米，規格為1960MPa等級Φ5毫米×127絲鋅鋁合金鍍層鋼絲主纜索股。通過試驗驗證，試制索股的各項指標均達到預期目標，保證了懸索橋使用鋅鋁合金鍍層鋼絲主纜索股制作和放索質量。

鹽霧試驗。通過鹽霧試驗后測鍍層失重和力學性能變化的方法，對比兩種鍍層鋼絲的耐腐蝕性能。研究結果表明，在抗鹽霧腐蝕方面，熱鍍鋅鋁鍍層鋼絲是熱鍍鋅鋼絲的2倍以上，具有更長久的耐環境腐蝕能力。

首次實現1960MPa纜索3萬噸級實橋應用

主纜索股錨具結構尺寸

該項目針對超大跨徑橋梁建設對纜索強度、壽命性能提出的更高要求，系統研究了超高強度鋼絲拉拔、熱處理以及鍍層制備等生產技術，成功開發出纜索用1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲（其鋼絲抗拉強度≥1960MPa，扭轉次數≥14次，疲勞應力上限達到0.45σb,應力幅值達到510MPa。）并在此基礎上，通過選擇與鋼絲強度相適應的高強度錨具材料，進行合理的結構設計與試驗研究，開發出成熟的1960MPa主纜索股錨固技術，1960MPa主纜索股的錨固效率達到95%以上。研制出的1960MPa索股的靜載性能良好，通過第三方檢測，最大靜荷載≥95%標稱破斷荷載，靜載延伸率≥2%，彈性模量≥1.90×105MPa。）

完善了制索工藝，發明了一種懸索橋主纜用預制平行鋼絲預成型索股的制作方法（ZL201510906592.8），研制出了懸索橋主纜用1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲及索股，經第三方權威鑒定技術水平達到國際領先。同時，完成1960MPa鋅鋁合金鍍層鋼絲及主纜索股抗疲勞性能研究，1960MPa鍍層鋼絲及主纜索股抗疲勞性能優異，1960MPa鍍層鋼絲經美國檢測試驗，動靜載性能優于國際相關標準。

主纜索股通過了應力上限0.40σb，應力幅為200MPa條件下，疲勞應力循環次超過200萬次的動載試驗。該創新成果增加了纜索強度，降低了纜索的重量，不僅可降低架設的難度，而且大大降低了工程的投資成本。該產品已成功應用于虎門二橋，首次實現國際上1960MPa纜索項目3萬噸級實橋應用。