螺洲大桥主缆缠丝及其导入力对主缆结构的影响分析

刘钥1朱安静1郑则群2

(1.中国市政工程西北设计研究院有限公司武汉430056；2.福州大学土木工程学院福州350108)

摘要为了对悬索桥的主缆做好防护，选用不同直径及不同弹性模量计算了先铺装后缠丝、先缠丝后铺装2种工序下的缠丝导入力。结果表明，随着缠丝弹性模量和缠丝直径的增加，缠丝导入力增加，断面温差对缠丝导入力的影响不容忽视。为了节省工期同时保证施工质量，采用先铺装6 cm聚丙烯混凝土再缠丝的施工方法，主缆缠丝导入力采用2 500 N。

关键词自锚式悬索桥主缆防腐涂装缠丝导入力

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.02.003

收稿日期：2014-12-14

主缆是悬索桥的主要承重受力构件，其设计年限为100年，而且是不可更换的，被称为悬索桥的生命线，主缆的防护对维持悬索桥的寿命是极其重要的。文献[1]通过对乔治·华盛顿悬索桥主缆索股深入检查表明，锈蚀或化学腐蚀是导致主缆承载力能力下降的主要原因。因此，主缆的防护不容忽视。螺洲大桥的主缆主要采用缠丝涂装的防护方式，关于缠丝导入力的文献不多，日本做了比较深入的研究[2]，其中包括试验研究。国内在厦门海沧大桥[3]、西堠门大桥[4]以及坝陵河大桥[5]也做了一些研究，其他桥梁要么借鉴已有桥梁，要么随便取一数据。本文结合已有的文献，确定了螺洲大桥主缆的缠丝导入力的计算公式。

1主缆防护

螺洲大桥的主缆主要采用缠丝涂装的防护方式，见图1。

图1　主缆防护材料及构造

防护前先用手工清洗主缆上因施工而残留的杂物，并用溶剂清洗主缆表面的油污及沙尘等有害物质，临时覆盖，待对该处进行涂装及缠丝时再揭开。涂装层包括①磷化底漆，1道，厚约10 μm；②不干性防护腻子，厚约3 500 μm；③缠绕直径4 mm镀锌钢丝，并涂厚约10 μm磷化底漆1道；④涂厚约10 μm环氧底漆1道；⑤涂聚硫密封剂，厚约2 500 μm；⑥彩色防护漆，厚约250 μm。

在运营荷载作用下，主缆防护层跟随主缆一起变形，从而主缆的防护层必须是柔性不具备抗弯刚度，如果不对主缆进行缠丝，主缆钢丝间将缺乏横向约束，在后期的各种变形中可能散开，导致水气进入造成主缆锈蚀和腐蚀。因此，主缆缠丝是主缆防护的重点，必须保证缠丝应力在任何阶段都大于0。

2缠丝导入力计算原理和方法

2.1　计算原理

缠丝过程中，由缠丝导入拉力T后，转化为作用于主缆表面的径向压应力σr；相反，主缆表面也对缠丝圈施加反作用应力σc。根据作用力和反作用力相等的原理，应有σr=σc。式中：σc为主缆对缠丝的反作用径向应力。在缠丝之后，当主缆受二期恒载、汽车荷载作用及温度变化等影响时，主缆拉力会增大，在“泊桑效应”作用下缆径发生横向收缩，这样导致缠丝圈对主缆的压力减小，严重时会造成缠丝松弛、失效。即缠丝设计必须满足的条件为：在二期恒载、汽车荷载和温度变化作用下缠丝对主缆表面的压应力大于0，且缠丝应力低于缠绕钢丝屈服点。

2.2　计算方法

对于缠丝导入力的计算方法，在日本大岛大桥施工时，提出了泊桑比方法，在白鸟大桥施工时，考虑了主缆横断面的弹性模量对泊桑比公式进行修正。文献[6]中总结了几种方法，其基本原理相同。计算公式如下：

(1)

式中：T为缠丝导入力，N；n为安全系数；EW为缠丝弹性模量，MPa；AW为缠丝面积，mm2；μ为主缆钢丝的泊桑比；ΔT为主缆在缠丝以后增加的缆力，N；EC为主缆弹性模量，MPa；AC为主缆面积，mm2；DW为缠丝圈直径，mm；DC为主缆直径，mm；ε为缠丝时缠丝的温度与主缆断面平均温度之差引起的应变。

缠丝初始导入力与最终的残留张力相差很大。日本的缠丝导入力损失测试实验表明，最终张力仅为初始张力的1/4～1/3，其原因主要是缠丝缠绕后因松弛效应造成的拉力降低。因此安全系数一般取3～4[7]，本文的安全系数n=3。

温度变化包括运营阶段体系温差(取30 ℃)和主缆断面温度梯度作用。主缆断面温度梯度是影响主缆缠丝力的不可忽略的因素，由于缠绕钢丝圈与主缆之间有一层不干性密封膏，会产生热传导滞后现象，使得缠绕钢丝圈与主缆之间存在一定的温度差，此温度梯度将引起缠绕钢丝内力值变化。但由于螺洲大桥主缆直径比较小，内、外温差比较小，在日光作用下缠丝过程的主缆断面最大温差为4 ℃，而运营阶段的荷载分项系数取1.54，即运营阶段的主缆断面温度梯度取1.54×4 ℃≈6 ℃。缠丝的温度与主缆断面平均温度之差引起的应变ε=αΔt。

3缠丝导入力计算及影响参数分析

3.1　参数分析

螺洲大桥主桥为三塔自锚式悬索桥，跨径布置为：80 m+168 m+168 m+80 m=496 m。共2根主缆，每根主缆中含19股平行钢丝索股，每股含127-Φ5 mm的镀锌高强钢丝，每根主缆共2 413丝。紧缆后主缆的直径为274.6 mm(索夹间孔隙率20%)，主缆弹性模量EC=195 GPa。

在国外，主缆一般在桥面铺装完成或者完成大部分后进行缠丝，因而二期恒载的影响可以忽略不计；在国内，包括海沧大桥在内的部分悬索桥采用先缠丝后铺装，这就需要考虑二期恒载的影响。螺洲大桥运营阶段汽车荷载引起的缆力增量为4 122 kN，桥面铺装引起的缆力增量为5 814 kN，体系温度变化引起的缆力增量为1 501 kN。当分别采用直径为3.5，4.0和4.5 mm及不同弹性模量的软质钢丝进行缠丝时，所需的缠丝导入力计算结果见表1。

表1　缠丝导入力计算结果

注：T1为缆力变化引起的缠丝导入力；T2为断面温差引起的缠丝导入力。

由表1可见，断面温度梯度对缠丝导入力的影响不容忽视，其导入力约占先铺装后缠丝工艺的40%，随着缠丝弹性模量和缠丝直径的增加，缠丝导入力增加；如果采用先铺装后缠丝，缠丝导入力均小于2 161 N，其抗拉强度为135.9 MPa；如果采用先缠丝后铺装，缠丝导入力将大大增加，若采用直径为4.5 mm的缠丝，缠丝导入力均在3 765 N以上，由于铺装引起的缠丝力增量约1 595 N，其抗拉强度为236.2 MPa。若采用先缠丝后铺装，则铺装引起的缠丝力占先缠丝后铺装工艺的42.4%。由表1和式(1)可见，为降低缠丝导入力，可以减小缠丝的直径或者弹性模量，同时也可以选择断面温差较小的时候，即选择早上和晚上时候，尽量避开中午时间段进行缠丝。

3.2　工程现场

螺州大桥桥面铺装包括6 cm聚丙烯混凝土和4 cmSMA铺装，为了节省工期同时又保证施工质量，在6 cm聚丙烯混凝土浇筑完并倒数第二次顶推后对主缆进行缠丝。

螺州大桥采用的是直径为4 mm，弹性模量EC=1.75×105MPa的细钢丝。运营阶段主缆增量为4 122 kN，体系温度差产生的增量为1 501 kN，主缆先缠丝后铺装4 cm SMA以及附属安装产生的增量为3 607 kN，通过增量算出来的缠丝力T1为1 949 N；断面温差算出来的缠丝力T2为396 N，铺装引起的缠丝力占先缠丝后铺装工艺的32.5%。故主缆需要的最小缠丝导入力为2 345 N，施工采用导入力为2 500 N，其抗拉强度为198.9 MPa。

4结语

本文首先介绍了螺洲大桥主缆的缠丝涂装防护方法，指出其缠丝的重要性，阐述了缠丝导入力的计算原理，在借鉴已有研究成果的基础上确定缠丝导入力的计算方法。采用了直径3.5，4和4.5 mm及不同的弹性模量对先铺装后缠丝、先缠丝后铺装2种工序下的缠丝导入力进行影响参数分析，结果表明随着缠丝弹性模量和缠丝直径的增加，缠丝导入力增加，断面温差对缠丝导入力的影响不容忽视，其导入力约占先铺装后缠丝工艺的40%。

为了节省工期同时又保证施工质量，采用先铺装6 cm聚丙烯混凝土再缠丝然后再铺装4 cm SMA的施工方法，缠丝导入力增量约占先缠丝后铺装工艺的32.5%，OVM提供的缠丝机能提供所需缠丝导入力，保证整个缠丝施工工艺的质量。

参考文献

[1]蒋俊峰，马迎山.乔治·华盛顿桥主缆索股的检查[J].国外桥梁，2001(1)：53-59.

[2]万国朝.白鸟大桥主缆防护工程[J].国外公路，1999(4)：14-19.

[3]方明山.厦门海沧大桥悬索桥主缆缠丝拉力计算[J].华东公路，1999(4)：8-11.

[4]唐茂林，宋晖，卢伟，等.西堠门大桥主缆缠丝导入力计算[J].桥梁建设，2009(5)：44-48.

[5]周汉国，陶路，漆亮.坝陵河大桥主缆缠丝导入力计算[J].公路交通技术，2010(2)：60-64.

[6]马文田,石国彬.悬索桥主缆缠绕钢丝的设计[J].华南理工大学学报:自然科学版，1999(11)：88-91.

[7]涉谷，前川，山地,等．白鸟大桥のケーブル防食工事[J]．桥梁と基础,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