橋梁鋼絞線拉索發展應用技術研究

單繼安，姜平，許奇峰，楊曉海，王飛

（江陰法爾勝住電新材料有限公司，江蘇 江陰 214445）

鋼絞線作為一種預應力筋，廣泛應用于各種預應力工程。就橋梁拉索應用而言，可用于斜拉橋拉索、體外預應力束、吊桿及系桿等。

在歐美國家，鋼絞線作為拉索材料使用，已有半個多世紀的應用歷史，其技術得到了很大發展，并應用在一些著名的大跨度橋梁上，如法國諾曼底大橋、美國休斯頓航道橋、西班牙盧納橋等。因鋼絞線拉索體系具有鋼絞線單根掛索及張拉、防護層數多、施工機具小型化等優點，所以在人力昂貴的歐美國家，橋梁拉索大多采用鋼絞線拉索體系，是橋梁拉索發展應用的主流，而較少采用鋼絲拉索體系。

在我國，大跨度斜拉橋的發展始于二十世紀八九十年代上海黃浦江三座斜拉橋的建設，隨之伴隨著我國橋梁快速發展，采用拉索體系大跨度橋梁獲得了蓬勃發展。我國橋梁拉索以平行鋼絲索為主流，但近10年來，隨著對鋼絞線拉索體系優點的熟知，采用鋼絞線作為橋梁拉索的大跨度橋梁也越來越多，如武漢二七大橋、宜賓南溪長江大橋和蕪湖長江二橋等。

隨著橋梁鋼絞線拉索不斷應用，鋼絞線材料性能、錨固技術及性能、拉索結構體系設計獲得了長足進步，也越來越成熟，現結合橋梁鋼絞線拉索在工程實際應用的經驗，對橋梁鋼絞線拉索在今后的技術發展應用及需研究問題進行探討，促進技術進步。

1 超高強度鋼絞線發展應用及錨固問題

在以往橋梁拉索工程應用中，鋼絞線強度級別一般為1860MPa。隨著鋼鐵冶金材料和加工工藝技術的發展，橋梁拉索用的鋼絲材料的強度等級也逐漸提高。國家標準《預應力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224）[1]，適用于預應力拉索的1×7系列鋼絞線最高強度級別為1960MPa。目前，在國內已有少量工程開始采用該強度級別的鋼絞線，如合江長江公路大橋系桿和吊桿。日本住友電工已經生產出強度級別高達2300MPa超高強度（Ultra-high Strength）填充型環氧涂層鋼絞線[2]，并已應用于東京Akihabara Pedestrian橋和U-ratakao橋。

可以預見，隨著技術進步，不久的將來，我國也將研制出超高強度鋼絞線，但要將超高強度鋼絞線應用于橋梁拉索中，尚需解決錨固的匹配性和可靠性問題。隨著鋼絞線強度的增加，其硬度也應會提高，根據有關研究，夾片的硬度應比夾持的鋼絞線硬度高出8～10（以HRC計）[3]，所以超高強度鋼絞線的錨固夾片材料和硬度應進行匹配設計。鋼絞線強度的提高，對錨固性能的要求更高，風險也更大，超高強度鋼絞線的錨固產品務必要經過充分的試驗才能予以使用，比如拉索的疲勞試驗、靜載試驗等。建議在采用高強度鋼絞線作為拉索產品時，應明確規定高強度鋼絞線的性能指標、以及錨固性能的可靠性試驗報告要求，以確保工程使用安全。

2 鋼絞線拉索單根換索施工技術問題

在歐美PTI、FIB等先進橋梁拉索規范中，明確要求鋼絞線拉索中的鋼絞線可以逐根張拉、逐根更換。在我國鋼絞線拉索應用的早期，鋼絞線拉索的錨固方案仍采用夾片+灌漿有粘結錨固系統，如汕頭礐石大橋、漳州戰備大橋和遷安黃臺湖大橋等，由于在錨具內部進行了灌漿，日后進行換索施工時，拉索僅能整根更換，不能進行單根鋼絞線的更換，這與國外先進的拉索錨固技術存在一定差距。但隨著國內試驗條件完善、加工工藝進步，鋼絞線拉索的錨固技術水平逐步提高，近年來，越來越多橋梁的鋼絞線拉索采用了無粘結的錨固方案，拉索鋼絞線可以實現單根更換的功能，如蕪湖長江二橋、遵貴高速烏江特大橋等。

但要真正實現鋼絞線拉索單根鋼絞線的更換施工，除了拉索體系結構及無粘結錨固技術保證外，尚需在施工操作技術上予以確保，結合鋼絞線拉索施工實際，應關注以下問題。

2.1 確保施工后鋼絞線留長充足

鋼絞線拉索換索施工是原先安裝施工的逆過程。更換的首要步驟必定是先要卸除鋼絞線的當前索力，鋼絞線卸除索力方法見圖1，卸除索力就需要解除當前索力下鋼絞線彈性伸長量△L。從圖1可知，原先拉索施工時，務必要確保錨具后面具有足夠的留長L1，考慮到鋼絞線更換時工裝連接，L1應大于△L一定的長度。這是一項很重要的關乎到日后鋼絞線能否方便更換的技術措施。

但往往在實際施工時，操作人員會貪圖操作方便，鋼絞線留長不按要求切割，將鋼絞線留長切割成“階梯形”，見圖2。如此將導致上層鋼絞線的留長Li小于正常預留長度L1，甚至短于鋼絞線張拉力下的彈性伸長量△L，將導致日后鋼絞線更換的困難。正確的鋼絞線留長切割方式應見圖3，鋼絞線應切割齊整，確保每根的鋼絞線留長充足。

圖1 鋼絞線單根更換工作示意

圖2 鋼絞線留長的不當切割方式示意

2.2 鋼絞線拉索單根更換技術的探討

圖3 鋼絞線留長的正確切割方式

關于鋼絞線拉索體系，經常會提到鋼絞線可單根更換的特點。確實，從鋼絞線拉索的錨固原理和結構上看，每一根鋼絞線均是獨立錨固的，且整束拉索的各鋼絞線是互相平行的，具備單根更換操作的條件。這樣往往會有一個理解的誤區：就是換索必然是更換好一根鋼絞線后，再去更換下一根鋼絞線。

但在實際換索時，舊鋼絞線拆除后，需將錨板的錨孔進行清理干凈，這就需要一定的人工操作空間，所以較合適的做法是先拆除不少于3列（排）的鋼絞線，然后安裝最左邊一列的新鋼絞線，繼而再卸除右邊的一列舊鋼絞線始終有操作空間進行錨孔清理，直至整束的鋼絞線更換完成，見圖4。

圖4 鋼絞線更換過程示意

根據上述鋼絞線拉索實際換索操作需要，建議橋梁設計者應考慮允許一整束鋼絞線拉索的鋼絞線卸除1/3～1/5左右（視拉索規格大小而定）鋼絞線時，橋梁結構受力仍是安全的。

3 鋼絞線拉索錨具防腐性能

如前所述，橋梁鋼絞線拉索具有鋼絞線可以單根張拉、單根更換的優點，而且也是鋼絞線拉索技術發展的趨勢。鋼絞線拉索在實施換索時，僅是更換拉索鋼絞線和夾片，而錨具是不予更換的。所以為滿足橋梁工程百年設計使用壽命要求，相對既換索又換錨具的平行鋼絲索錨具而言，鋼絞線拉索的錨具防腐性能要求應該更高、更嚴格。

但相比歐美國家，無論從規范建設，還是從設計施工管控，我國對橋梁鋼絞線拉索錨具防腐性能的重視還存在欠缺，加上工程招投標往往是低價中標，很多橋梁項目鋼絞線拉索錨具表面處理僅為電鍍鋅處理，鍍鋅厚度僅為15μm左右，且施工結束后缺乏永久性防護處理，其防腐能力遠不能滿足橋梁設計使用壽命要求，存在一定的隱患。

因此，根據橋梁鋼絞線拉索在生命周期內換索不換錨具的特點，應制定合理的錨具防腐措施方案。探討如下：

①錨具內部密封結構應合理，能防止水汽滲入錨具內部，其密封構造應能通過動態水密封試驗；

②錨具外表面防護應采用比普通電鍍鋅處理更好的鍍層方案，如粉末滲鋅、熱噴鋅（噴鋅鋁）處理，鍍層厚度不小于85μm；

③施工結束后，應對錨具等外露構件進行封閉涂裝處理；

④定期管養，橋梁拉索健康運行離不開定期管理和養護，把養護管理制度落實到實處，早發現問題早處理，確保拉索正常使用環境；

⑤建議在設計階段就把上述要求納入到設計圖文件中，使工程項目在招投標時就有明確依據，避免低價中標后以施工圖無明確要求為由，以次充好；

⑥建議加強相關規范建設，重視橋梁拉索使用的耐久性，促進我國橋梁拉索產品的技術質量水平。

4 鋼絞線拉索換索后錨具二次錨固性能

橋梁鋼絞線拉索在生命周期內是換索不換錨具，那么拉索的鋼絞線、錨固夾片更換后，其錨固性能是否能維持滿足原有的靜載、疲勞錨固性能成為問題。由于橋梁鋼絞線拉索的無粘結錨固技術在我國實橋應用時間還不長，還沒到換索年限，所以目前行業內尚無換索后進行錨具二次錨固性能驗證的公開資料。可以預見，換索后錨具二次錨固性能的驗證是即將要面臨和研究的新課題。

驗證鋼絞線拉索換索后錨具的二次錨固性能最理想的方式是采用實橋換下的錨具進行驗證，最具有真實性。在不可得的情況下，認為可按如下方式進行研究驗證：

①查詢資料，獲取橋梁拉索的設計計算數據，如實橋運營狀態設計計算索力和應力幅，若有實橋索力監控數據更佳；

②制作與實橋拉索同類的錨具，規格可取相同，也可取具有代表性的規格，一般不小于19孔；

③進行整束疲勞試驗，疲勞試驗應力上限和應力幅參照實橋拉索最大索力和應力幅，試驗循環次數200萬次，試驗結束后，拆除試驗鋼絞線和夾片，并保留試驗索兩端的錨具；

④將保留的試驗錨具的錨孔進行清理，并安裝新的試驗鋼絞線，并用新夾片錨固；

⑤再次進行疲勞試驗，考慮到拉索錨具使用安全裕度，本次疲勞試驗應力上限和應力幅取相關規范的規定值，若拉索類別是斜拉橋拉索，則應力上限為0.45fptk，應力幅為200MPa，試驗循環次數為200萬次；

⑥疲勞試驗結束后，應進行靜載試驗，靜載試驗破斷力不應小于試驗索的公稱破斷拉力95%。

經過上述二次疲勞錨固性能驗證通過的錨具產品，才能真正滿足鋼絞線拉索單根可換體系的換索不換錨具的使用要求。

5 鋼絞線拉索防火技術問題及措施

橋梁拉索在雷擊、車輛事故等原因下，拉索會受到火災導致的危害，從而影響橋梁運營安全。我國拉索防火技術措施在實橋上應用仍還未得到普及，相關規范還未對拉索防火要求作出規定，對拉索防火技術也缺少研究和試驗，尚無公認成熟的技術方案。

圖5 鄂黃長江大橋火災事故現場

圖6 斜拉索防火段設置示意

2018年3月，鄂黃長江大橋拉索受一貨車貨物自燃的影響，導致大橋北塔（5#塔）下游側J19～J25共計7根拉索不同程度燒傷，其中J21和J22索出現鋼絲外露。經評審，對J21和J22拉索進行更換。圖5為鄂黃橋貨車自燃事故現場，火災造成了重大的經濟損失，再次提醒應該將橋梁拉索的防火建設提上日程。

美國PTI的2012版《斜拉索設計、試驗和安裝的建議》[4]規定了對斜拉索防火性能要求：在溫度1100℃的外部火源下，拉索受力筋材料（鋼絲或鋼絞線）溫升達到300℃時，其耐火時間不得少于30min，同時PTI建議指出，30min僅為最低要求，具體耐火時間可根據橋梁實際情況制定。

根據PTI建議要求，提出拉索防火技術措施方案。考慮大多數火源來自于橋面，比如車輛事故、人為因素等，若拉索全長均采取防火措施，則顯得昂貴而不經濟，可以在離橋面高H=3-10m范圍采取防火措施，見圖6。防火措施分兩段設置，預埋管及拉索防水罩的外露鋼質材料部分可采用鋼結構防火涂料進行涂覆；索體段防火措施可采用優質耐火卷材纏包在索體外周，耐火卷材根據耐火時間要求包裹一層或多層，再在外安裝鋼質防護管，索體防火段截面結構見圖6。

6 結語

隨著我國橋梁建設事業的發展，橋梁拉索將會向高強度、高耐久性的方向發展，并逐漸重視和要求拉索具有易于運營的管養功能，要求拉索易于更換、具有防火功能、具有智慧監測功能等等。

鋼絞線拉索體系作為橋梁拉索家族中的一員，也要順應當前技術發展的趨勢，進行深入研究，以期在鋼絞線材料、錨固技術、現場施工技術及管理、換索施工技術和防火防腐等方面取得新的突破和發展。