大跨度橋梁纜索結(jié)構(gòu)用鋼絲及制品特點(diǎn)初探

1、大跨度橋梁纜索結(jié)構(gòu)用鋼絲及制品特點(diǎn)初探信息來(lái)源：冶金信息網(wǎng)收集整理        發(fā)表時(shí)間：2011年12月12日      1概述大跨度橋梁的纜索系統(tǒng)是現(xiàn)代懸索橋、斜拉橋和拱吊橋的主要承重傳力結(jié)構(gòu)，這些纜索結(jié)構(gòu)的主要材料就是鋼絲或鋼絲制品。鋼絲是以盤(pán)條（線材）為原料通過(guò)拉絲及輔助工序加工生產(chǎn)的一種金屬產(chǎn)品，鋼絲制品包括鋼絲、鋼絲繩、鋼絞線和其它鋼絲制品，鋼絲及其制品是關(guān)系到國(guó)家建設(shè)和居民生活的重要工業(yè)產(chǎn)品。鋼絲、鋼絞線、鋼絲繩的質(zhì)量、品種和數(shù)量，以及國(guó)產(chǎn)化程度，反映著國(guó)家的

2、鋼絲制品工業(yè)技術(shù)工藝水平。大跨度橋梁纜索結(jié)構(gòu)，既長(zhǎng)期承受橋梁負(fù)荷的動(dòng)載和靜載，又長(zhǎng)期暴露在風(fēng)雨、潮濕和污染空氣的環(huán)境中，纜索結(jié)構(gòu)容易遭受應(yīng)力和腐蝕破壞。當(dāng)綜合性能優(yōu)異的高強(qiáng)度的鋼絲引入橋梁建設(shè)后，加速了橋梁結(jié)構(gòu)得到改進(jìn)和提高，以及橋梁跨度和建設(shè)速度提高的步伐。2纜索結(jié)構(gòu)對(duì)高強(qiáng)度鋼絲的技術(shù)要求20年前，我國(guó)才開(kāi)始建設(shè)大跨度現(xiàn)代斜拉橋和懸索橋，開(kāi)始這些橋梁主體結(jié)構(gòu)的主纜、吊索和斜拉索用的鋼絲都是依靠進(jìn)口，一直存在質(zhì)量、價(jià)格和供貨周期問(wèn)題。90年代，楊浦大橋建設(shè)過(guò)程中國(guó)內(nèi)開(kāi)始試制斜拉橋斜拉索鋼絲(但未實(shí)橋應(yīng)用)，虎門(mén)大橋建設(shè)時(shí)國(guó)內(nèi)開(kāi)始試制和制造懸索橋主纜鋼絲?；㈤T(mén)大橋和江陰大橋是同時(shí)采用進(jìn)口鋼絲和國(guó)

3、產(chǎn)鋼絲制作主纜，國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度鋼絲邊試邊改快速進(jìn)步，在主纜制造和架設(shè)過(guò)程中，普遍認(rèn)為國(guó)產(chǎn)鋼絲在這兩個(gè)項(xiàng)目的使用性能明顯優(yōu)于進(jìn)口鋼絲，較快實(shí)現(xiàn)了纜索鋼絲國(guó)產(chǎn)化。十余年后，以西侯門(mén)大橋一條主纜和蘇通大橋斜拉索為標(biāo)志，國(guó)產(chǎn)盤(pán)條和纜索鋼絲在強(qiáng)度和性能方面都達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。橋梁建設(shè)推動(dòng)了國(guó)產(chǎn)盤(pán)條和鋼絲技術(shù)的進(jìn)步，橋梁建設(shè)推動(dòng)了國(guó)產(chǎn)盤(pán)條和鋼絲技術(shù)的進(jìn)步，纜索用盤(pán)條和鋼絲國(guó)產(chǎn)化促進(jìn)了國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)的快速發(fā)展。2.1提高盤(pán)條質(zhì)量，改進(jìn)工藝，提高鋼絲綜合性能鋼絲加工主要借助拉絲磨具在外力作用下，利用金屬的可塑性使金屬變形，獲得需要的形狀、尺寸規(guī)格和機(jī)械力學(xué)性能。由于結(jié)構(gòu)的重要性和特殊性，橋梁纜索一般要求鋼絲具

4、備高強(qiáng)度、耐腐蝕、塑性和韌性好等特點(diǎn)。由此對(duì)盤(pán)條和加工工藝提出了較高的技術(shù)要求，國(guó)內(nèi)制造纜索鋼絲及鋼絲制品，開(kāi)始是進(jìn)口盤(pán)條加工鋼絲。2000年以后開(kāi)始研制國(guó)產(chǎn)盤(pán)條，國(guó)產(chǎn)盤(pán)條采用微合金技術(shù)、純凈鋼冶煉技術(shù)和特殊控軋控冷技術(shù)等技術(shù)工藝，使盤(pán)條的純凈度、力學(xué)性能、金相組織等實(shí)物質(zhì)量水平達(dá)到(或接近)進(jìn)口優(yōu)質(zhì)盤(pán)條水平。在鋼絲和盤(pán)條技術(shù)工藝方面的需要進(jìn)行的研究工作有：提高盤(pán)條的高強(qiáng)度水平和綜合性能，通過(guò)微觀組織設(shè)計(jì)與控制改善冷拔性能及韌性；研發(fā)盤(pán)條和鋼絲加工工藝新技術(shù)和改進(jìn)已有技術(shù)，以便經(jīng)濟(jì)、清潔和安全地生產(chǎn)高使用性能的盤(pán)條和鋼絲；改進(jìn)環(huán)保和能源消耗、延長(zhǎng)盤(pán)條和鋼絲產(chǎn)品使用壽命長(zhǎng)；提高鋼絲綜合性能，降低

5、適用鋼絲成本。2.2 鋼絲性能要突出不同索股結(jié)構(gòu)使用特點(diǎn)由于主纜和斜拉索結(jié)構(gòu)和應(yīng)用受力的區(qū)別，鋼絲使用性能方面也有一定差別。斜拉索鋼絲制造工藝流程是直接應(yīng)用了國(guó)際上傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力熱鍍鋅圓鋼絲和鋼絞線的工藝流程，基本上是比較傳統(tǒng)和成熟的工藝：索氏體化盤(pán)條（或盤(pán)條索氏體化處理）表面準(zhǔn)備拉絲熱鍍鋅穩(wěn)定化處理檢驗(yàn)入庫(kù)。主纜鋼絲開(kāi)始是借用斜拉索鋼絲加工工藝，兩類鋼絲加工流程可在同一生產(chǎn)線完成，最大差別就是有無(wú)穩(wěn)定化處理工序。國(guó)內(nèi)主纜鋼絲為了適應(yīng)主纜制索工藝的要求，特別是直線度和鍍后直徑、表面外觀的要求，在此鋼絲生產(chǎn)流程基礎(chǔ)上改進(jìn)利用穩(wěn)定化處理工序，形成了國(guó)產(chǎn)主纜鋼絲專門(mén)的工序。斜拉索和主纜鋼絲實(shí)

6、際應(yīng)用中就存在一定區(qū)別，在使用標(biāo)準(zhǔn)上，主纜鋼絲不太強(qiáng)調(diào)低松弛性能（只要求級(jí)松弛），而斜拉索鋼絲強(qiáng)調(diào)低松弛性能（要求級(jí)松弛）。斜拉索鋼絲還需要強(qiáng)調(diào)鐓頭性能，但這一技術(shù)在實(shí)踐未被執(zhí)行。現(xiàn)在由于換索和維護(hù)困難，設(shè)計(jì)對(duì)斜拉索提出了50年以上安全使用壽命的要求，但目前斜拉索錨固是環(huán)氧填充料，而環(huán)氧材料本身是由一定有效壽命的。一旦環(huán)氧失效，斜拉索就需要錨固鋼絲鐓頭來(lái)承受荷載的。這就需要鋼絲鐓頭能獨(dú)立承擔(dān)錨固功能。2.3 鋼絲防護(hù)和鋼絲外觀腐蝕是鋼絲安全使用的最大危害，防護(hù)也是鋼絲加工的重要環(huán)節(jié)，熱鍍鋅是鋼絲防腐的一種重要措施。由于鍍鋅鋼材的“氫脆”爭(zhēng)議，直至1992年，國(guó)際預(yù)應(yīng)力聯(lián)合專業(yè)委員會(huì)（

7、F.I.P）報(bào)告，澄清了鍍鋅的“氫脆”疑問(wèn)，鍍鋅橋梁鋼絲的應(yīng)用才被國(guó)際所認(rèn)可。近年美國(guó)后張預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)（PTI）才將鍍鋅鋼絲作為斜拉索鋼材納入規(guī)范。隨著設(shè)計(jì)對(duì)纜索使用壽命要求的提高，需要研討新的鋼絲鍍層和防護(hù)方法，提高耐腐蝕性能，對(duì)鋼絲建立均勻一致的防護(hù)層，在表面起到保護(hù)作用。鋼絲鍍層和保護(hù)層的延展性能及可變形能力要好，要與它所保護(hù)的鋼絲相匹配；與鋼絲鋼基的粘附力要強(qiáng)，經(jīng)得起在強(qiáng)力變形工藝條件下的纏繞、彎曲考驗(yàn)，保證鍍層和保護(hù)層在正常工作狀態(tài)下不龜裂不脫落。不同的用途對(duì)鋼絲的表面質(zhì)量要求也是有差異的?；㈤T(mén)大橋和江陰大橋纜索同時(shí)使用了國(guó)內(nèi)和國(guó)外制造的主纜鋼絲，國(guó)外鋼絲的特點(diǎn)是表面較光滑、呈暗色、有

8、一層較薄的保護(hù)膜、但直線度較差，給主纜索股制造和架設(shè)造成較大困難。這一方面與國(guó)外鋼絲制造加工工藝有關(guān)，也與進(jìn)口鋼絲加工倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸時(shí)間周期較長(zhǎng)有關(guān)。表層保護(hù)膜對(duì)鋼絲是必要的，但對(duì)PPWS架設(shè)索股制造和架設(shè)不適應(yīng)，保護(hù)膜的光滑對(duì)索股成型不利，但對(duì)保護(hù)鋼絲是有利的。國(guó)產(chǎn)主纜鋼絲也曾因這一原因，修改過(guò)模潤(rùn)滑工序，消除光滑膜層對(duì)制索的不利影響。但斜拉索鋼絲仍需要強(qiáng)調(diào)表面光滑，因?yàn)榇笾睆街扑髟谀壳耙恍┥a(chǎn)線中鋼絲牽引和成型阻力較大。2.4鍍鋅鋼絲和盤(pán)條的焊接點(diǎn)我國(guó)GB/T 17101明確“鋼絲中不應(yīng)存在任何形式的電接頭”，因此國(guó)產(chǎn)鋼絲一直對(duì)鋼絲焊接堅(jiān)持嚴(yán)格要求，盤(pán)條和鋼絲都不允許接頭。但國(guó)外有的國(guó)家對(duì)鋼絲焊

9、接沒(méi)有明確規(guī)定，有的標(biāo)準(zhǔn)也明確“鋼絲不準(zhǔn)有焊縫”。對(duì)于主纜用鋼絲，由于嚴(yán)禁盤(pán)條焊接，故鋼絲加工前需要根據(jù)實(shí)際主纜制索鋼絲長(zhǎng)度倍尺和余量才能確定盤(pán)條訂貨。每次工藝盤(pán)條接頭需要在連續(xù)拉拔后及時(shí)查到和剪除，盤(pán)條從13mm拉拔到5mm后找到盤(pán)條焊點(diǎn)是比較麻煩的，由此大大增加鋼絲加工制造成本?；谥骼|的實(shí)際使用功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主纜鋼絲是否可以考慮接受加工過(guò)程的盤(pán)條接頭，當(dāng)然需要通過(guò)工藝技術(shù)改進(jìn)和提高這種焊接接頭的可靠性；同時(shí)允許個(gè)別索股在制造過(guò)程中個(gè)別（限定數(shù)量和控制長(zhǎng)度距離）鋼絲接頭。這樣可以大大提高鋼絲盤(pán)條的利用率，避免了超長(zhǎng)索股因個(gè)別鋼絲長(zhǎng)度不足返工造成的經(jīng)濟(jì)損失，其經(jīng)濟(jì)效益將是非常顯著的。2.5

10、鋼絲的扭轉(zhuǎn)和松弛指標(biāo)在通過(guò)多種方法提高鋼絲的抗拉強(qiáng)度時(shí)，有時(shí)會(huì)降低韌性。當(dāng)韌性降低時(shí)，鋼絲將承受縱向裂縫，并發(fā)生層間剝離現(xiàn)象，這種分層變形影響鋼絲綜合機(jī)械性能。松弛改變纜索長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)，對(duì)橋梁纜索力學(xué)性能不利。扭轉(zhuǎn)和松弛指標(biāo)是鋼絲的重要性能，但如何在提高鋼絲抗拉強(qiáng)度的同時(shí)保證鋼絲的韌性，這涉及到鋼絲成本需要綜合考慮。主纜鋼絲以扭轉(zhuǎn)為主，適當(dāng)降低松弛標(biāo)準(zhǔn)是合適的，特別是國(guó)產(chǎn)鋼絲規(guī)園處理起到了改進(jìn)鋼絲質(zhì)量和降低松弛的效果的作用，對(duì)主纜鋼絲的這些技術(shù)要求目前也不存在爭(zhēng)議。斜拉索鋼絲最好能同時(shí)保證松弛和扭轉(zhuǎn)性能，需要通過(guò)選用優(yōu)良盤(pán)條，同時(shí)改進(jìn)、鋼絲加工工藝，改進(jìn)穩(wěn)定化處理的方法和對(duì)穩(wěn)定化處理溫度、張力參數(shù)

11、控制，使生產(chǎn)的鋼絲扭轉(zhuǎn)和松弛在一定范圍內(nèi)都滿足。松弛指標(biāo)與試驗(yàn)施加的預(yù)應(yīng)力有關(guān)，如果盤(pán)條和鋼絲加工工藝改進(jìn)也難滿足扭轉(zhuǎn)指標(biāo)，是否可以考慮適當(dāng)降低松弛指標(biāo)，例如考核5060%應(yīng)力條件下的松弛（現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)是70應(yīng)力條件），因?yàn)樾崩骱偷跛髂壳皩?shí)際使用40應(yīng)力范圍以內(nèi)。目前國(guó)內(nèi)有些生產(chǎn)線存在工藝差別，有的斜拉索鋼絲熱鍍鋅后過(guò)模減徑工藝，斜拉索鋼絲的扭轉(zhuǎn)性能是存在爭(zhēng)議的。新版規(guī)定提出，鋼絲扭轉(zhuǎn)性能一般不作強(qiáng)制性規(guī)定，扭轉(zhuǎn)性能要求由供需雙方協(xié)商決定。蘇通大橋?yàn)閷?shí)現(xiàn)斜拉索鋼絲同時(shí)具備松弛和扭轉(zhuǎn)性能進(jìn)行了專題研制，試制出了國(guó)產(chǎn)盤(pán)條加工同時(shí)具備松弛和扭轉(zhuǎn)性能的斜拉索鋼絲。3. 纜索結(jié)構(gòu)對(duì)鋼絲制品的技術(shù)

12、要求纜索結(jié)構(gòu)大量直接應(yīng)用鋼絲制品簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、提高工效，直接應(yīng)用鋼絞線、鋼絲繩等鋼絲制品，以及特型鋼絲制造纜索結(jié)構(gòu)。3.1 對(duì)鋼絞線的技術(shù)要求橋梁纜索對(duì)鋼絞線的基本技術(shù)要求是抗拉強(qiáng)度高、低松馳、彈性模量穩(wěn)定、無(wú)接頭、鋅層抗腐蝕性能好。鋼絞線用單根鋼絲在專用設(shè)備組合捻制而成，目前應(yīng)用較多的是7絲鋼絞線。7絲索股鋼絞線由單根直絲作為核心以6根具有相同螺距和螺紋方向的鋼絲單層繞制組成。由于螺距相對(duì)較大，鋼絲軸線對(duì)鋼絞線軸線的偏角很小。這意味著7絲索股的剛度接近直線鋼絲，主要用作各種單元結(jié)構(gòu)。以前主要用途是受張拉力的橋梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線結(jié)構(gòu)，用于橋梁纜索主要有斜拉索、吊索、錨固索等結(jié)構(gòu)。為了提高纜索

13、用鋼絞線的防護(hù)功能，現(xiàn)在已經(jīng)和正在開(kāi)發(fā)一些新型的纜索用（或橋梁結(jié)構(gòu)用）鋼絞線。已經(jīng)投入使用的有：（1）橋梁斜拉索用有涂層七絲鋼絞線。它是在七絲鍍鋅鋼絞線基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)涂覆建筑油脂或石蠟，再外覆HDPE制成；（2）橋梁斜拉索用環(huán)氧涂層鋼絞線，采用熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料靜電噴涂工藝，是一種減少了溶劑揮發(fā)、無(wú)毒、不污染環(huán)境、節(jié)省資源的制作工藝，優(yōu)越的環(huán)保性能，涂層加工過(guò)程不會(huì)造成鋼絲強(qiáng)度性能的降低，優(yōu)良的防水性能。用于斜拉索結(jié)構(gòu)的鋼絞線需要注重鋼絞線與錨具夾片的錨固性能，需要提高各種防護(hù)層受力后的抗開(kāi)裂性。在目前技術(shù)工藝進(jìn)步，盤(pán)條、鋼絲性能提高的基礎(chǔ)上，可以考慮新型多絲大直徑高強(qiáng)度鋼絞線的研究與開(kāi)發(fā)，直接應(yīng)用

14、橋梁斜拉索（吊索）結(jié)構(gòu)，減少制作、架設(shè)、調(diào)整工作量，促進(jìn)我國(guó)鋼絲和鋼絲制品行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力的提升。3.2 對(duì)鋼絲繩的技術(shù)要求鋼絲繩是在專用設(shè)備上，將配置好的鋼絲按規(guī)定一次多根捻制成單股繩，然后用多個(gè)單股繩，配以鋼繩芯或纖維芯等，再次合成的一種金屬制品。鋼絲繩的基本原材料是優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度盤(pán)條制成的鋼絲，一般要求較高的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性。鋼絲繩結(jié)構(gòu)的實(shí)際數(shù)學(xué)模型涉及到許多因素，例如：鋼絲繩的結(jié)構(gòu)、規(guī)格、材質(zhì)性能、潤(rùn)滑狀況、捻距、捻角、速度、拉絲模結(jié)構(gòu)以及設(shè)備狀況等一系列因素，鋼絲繩的生產(chǎn)工藝也會(huì)直接影響鋼絲繩的性能。   橋梁纜索用鋼絲繩結(jié)構(gòu)是重要場(chǎng)合

15、用鋼絲繩，橋梁纜索鋼絲繩需要具備優(yōu)質(zhì)鋼絲的強(qiáng)度高，韌性、彈性好、耐磨，耐蝕和反復(fù)多次纏繞的優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)制造過(guò)程中具有一定的技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)附加值。在保證吊索結(jié)構(gòu)等鋼絲繩柔性的同時(shí)，需要改進(jìn)工藝和技術(shù)，提高捻制節(jié)距，減少鋼絲繩結(jié)構(gòu)的非彈性變形，開(kāi)發(fā)高抗拉強(qiáng)度、高韌性、超長(zhǎng)、粗直徑的鋼絲繩新產(chǎn)品。近年國(guó)內(nèi)吊索用鋼絲繩在優(yōu)質(zhì)鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了中心股填塑鋼絲繩開(kāi)發(fā)，這種結(jié)構(gòu)是否適應(yīng)吊索結(jié)構(gòu)需要慎重考慮。實(shí)用吊索鋼絲繩需要突出繩股均勻受力，外層繩股和內(nèi)層不滑移，整索需要腐蝕防護(hù)等功能。其他纜索鋼絲繩也要突出結(jié)構(gòu)的應(yīng)用特點(diǎn)。3.3對(duì)特型鋼絲的技術(shù)要求我國(guó)的主纜涂料涂裝防護(hù)系統(tǒng)基本上采用的膩?zhàn)雍罄p繞園鋼絲，然后涂裝底漆、中間漆和面漆的防護(hù)方案，主纜使用的膩?zhàn)幽芘c纏絲鋼絲形成鎧裝密水保護(hù)，現(xiàn)在開(kāi)始使用干燥空氣除濕方法來(lái)保護(hù)主纜。為此開(kāi)發(fā)應(yīng)用了S形截面的纏繞鋼絲，來(lái)代替原來(lái)的圓形截面鋼絲?，F(xiàn)在用的“S”型纏絲鋼絲，其特點(diǎn)是由鋼基、鋅層構(gòu)成，鋼絲設(shè)有對(duì)稱的扣合槽，其橫截面呈“S”型結(jié)構(gòu)。將其按螺旋緊密纏繞在主纜外周，左右兩側(cè)鉤頭銜接部分在彼此搭接處嚙合。鉤頭嚙合處相鄰搭接嚴(yán)密，涂層開(kāi)裂難以發(fā)生，防止了雨水浸入主纜體；其次，由于纏繞后外表面的平整，比傳統(tǒng)圓鋼絲纏繞提供了更好的涂料涂層的表面。能阻擋雨水、海霧凝結(jié)水的侵入，減少大氣腐蝕，提高鋼絲的緊密性、堅(jiān)固性、密封性，從而有效地提高了橋梁主纜的使用