杨锦峰

摘 要：研究了锌-5%铝-混合稀土合金高强钢丝的各项性能，对配套钢丝进行钢丝主缆索股及制索工艺研究。研制了5-127主缆丝股，并进行了相关试验研究，形成了稳定的主缆制索成型工艺。镀锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢丝的防腐性能优于镀锌钢丝，可替代镀锌钢丝作为主缆索股钢丝，具有良好的社会效益和经济效益。

关键词：悬索桥；主缆索；合金高强钢丝；锚具；锌-5%铝-混合稀土合金

中图分类号：TG356 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）16-0060-02

1 概述

锌铝合金镀层是Zn-5%Al-RE的共晶合金，它既有锌的阴极保护效果，又有铝的屏障保护作用，其共晶组织是锌和铝片层相间的均匀机械混合物，可保护它在腐蚀环境下均匀氧化，是桥梁缆索用镀锌钢丝的优良替代镀层。

我国钢丝钢绞线生产厂家均在这种新型的镀层技术开发方面进行过研究，目前已投入生产设备的厂家有天津冶金集团环钟钢丝有限公司，已可以生产1770MPa级别以下的钢丝，但均处于起步阶段，还需要进行试验研究的完善。

由于国内工程项目不断推陈出新，对钢丝及拉索制品均提出很高的要求。本文对锌-5%铝-混合稀土合金高强钢丝的各项性能进行了研究，并对配套钢丝进行钢丝拉索锚具及制索工艺的设计，形成了稳定的主缆制索成型工艺，具有极高的推广价值。

2 主缆索股热铸锚锚头设计

悬索桥的主缆一般是由多股的主缆标准索股组成，标准索股主要由平行钢丝丝股和热铸锚两部分组成，其主缆丝股一般有5-127和5-91等多种规格。根据《悬索桥预制主缆丝股技术条件》（JT/T 395-1999）、《公路悬索桥吊索》（JT/T449-2001）、《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》（GB/T 18365-2001）的技术标准可知，悬索桥索股的热铸锚具应达到以下设计要求：

（1）静载性能达到JT/T 395-1999《悬索桥预制主缆丝股技术条件》标准要求：最大试验荷载≥95%公称破断荷载；（2）疲劳性能达到GB/T 18365-2001《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》标准的要求：应力上限0.4σb，应力下限0.28σb，经200万次脉冲加载后断丝不大于总数的5%。

根据单根钢丝与合金在单位面积上的附着力，可计算索股热铸锚的锚杯内钢丝锚固长度为：

其中dw为主缆钢丝直径，取5mm；为主缆钢丝在锚杯内的锚固长度；σb为主缆钢丝公称抗拉强度，取1770MPa；K为钢丝锚固安全系数，取K=2.5；ν为单根钢丝与合金在单位面积上的附着力，取v=20MPa。经计算可得≥277mm。

热铸锚具的锚杯结构，对热铸锚具的受力进行分析。其计算条件为：（1）锚杯材料为ZG310-570，σS≥310MPa，计算时以屈服强度σS为设计依据。（2）钢丝公称直径（d）为5mm，钢丝强度等级（fptk）为1770MPa，钢丝索最小破断力（Pb）为3163KN/4413KN。（3）灌铸材料为锌铜合金，其粘结强度（σBb）≥20MPa，压缩强度（σcb）≥110MPa。

5-91型和5-127型丝股的锚杯内钢丝锚固长度均大于277mm（见表1），因此可认定合金对钢丝的粘结应力σB满足要求。

热铸镦头锚采用合金浇注，丝股受力过程中的压缩应力为σc：

其中：θ为合金锥角，ρ为合金对钢的摩擦角（tanρ=0.2），=。

静载及疲劳试验。按照交通行业标准JT/T395-1999《悬索桥预制主缆丝股技术条件》标准对OVMRM5-127规格的主缆索股进行了静载性能试验，试验表明：试验最大拉力大于公称破断力的95%，满足标准要求。按照国家标准《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》（GB/T18365-2001），对OVMRM5-127规格的主缆索股进行了疲劳试验，试验完成后对试件进行检查，发现有1根丝股发生破断，断丝率为0.79%，其余部位无明显损伤，满足标准规定的断丝率不大于5%的要求。

3 主缆平行钢丝索股制作

主缆采用PPWS法施工，工厂预制平行钢丝索股，以127丝为例研究主缆平行钢丝索股制作，将127根Φ5mm的镀锌铝高强钢丝通过工厂生产线编制成束，索股竖向排列成尖顶的正六边形，用定型捆扎带绑扎。

主缆单个索股由直径Φ5mm的127根高强镀锌铝平行钢丝平行集束成六角形断面，每隔1.5m用定型包扎带绕缠，并在两头固结热铸锚具而成。具体制作流程见图1。

（1）标志丝的制作。为了便于在制造、架设主缆索股过程中观察、辨别平行钢丝索股是否扭转，在平行钢丝索股六角形截面左上角设一标志丝，沿锚杯之外全长涂上红色。（2）标准丝的制作。预知平行钢丝索股长度是通过位于正六角形索股截面边上角的一根经过精确测量的标准丝来控制的。因此标准丝的长度测量精度是保证索长的关键。其制作精度为1/15000。标准丝采用基线测长法制作。设置的测长基线测距为300m，采用分段基线法制作标准丝，即将精確测量的长直线分数次来控制标准丝的下料长度，见图2测长基线位于车间内，避免外界环境的影响。在标准丝制作前，根据主跨中心点、东西主索鞍中心点、东西边跨中心点、东西散索鞍起弯点、索股两端点等九个位置及设计要求的相应标记点位置，对整条基线长度重新标定。每根索股均对应一根标准丝。在每个标定点粘贴一段经检验过的钢尺，以适应各索股长度的微小差异。每根索股上的标记点应按照图纸要求作出明显的标记。（3）平行钢丝索股制作。主缆索股制作工艺流程为：放丝→分丝→聚并成型→牵引→绕包→颜色标记→成盘。索股的车间布置，见图3。（4）制锚工艺。将主缆索股用锌铜合金固结于锚杯的制锚工艺是在制锚平台上完成。其具体过程包括：1）锚杯内腔用清洗液清洗干净，并灌水测量容积。2）钢丝穿入锚杯并固定，按工艺卡控制伸入锚杯的钢丝长度。3）锚杯下口应用石棉或耐火泥充分密封，以保证注入的合金不从下口漏出。并上密封定位夹具实现垂直固定，使钢丝索股的轴线与锚杯的前端面成直角。用角尺校正，使其角度控制在90±0.5°。4）将主缆索股和锚杯在浇铸台用专用工具垂直固定，确保锚杯下的主缆索股垂直长度及弯曲半径符合规范要求。5）预热：锌铜合金的熔化温度不得高于600℃，浇铸锌铜合金前应将锚杯预热至（150±10）℃，浇铸容器预热至200℃以上，保证锌铜合金浇铸温度为（460±10）℃。6）浇铸：将合金注入锚杯时，应避免任何振动，浇铸应一次完成，不得中断。7）冷却：通过空气冷却，为提高生产效率，可采用风扇加快冷却速度。锚头表面温度低于80℃之前不得有任何移动。8）反顶：待锚头及浇铸合金完全冷却至常温后，将锚头固定在顶压台上，在锚铸体后端顶压，顶压力2000KN，持荷5min，卸压后测量索股的外移量小于5mm为合格。9）锚杯内合金浇铸应密实、无气孔，实际浇铸量应为理论计算浇铸量的92%以上。合金铸入率按下式进行计算：，其中：Vz为合金铸入率（%）；m为实际灌入合金量（g）；Vb为锚杯内容积（ml）；ρ为合金密度（g/cm3）；10）所有锚头的浇铸按上述规定检测。11）锚杯安装完毕后，在其表面进行喷锌防护。12）为方便索股的架设，用红色油漆在锚头顶面写主缆索股编号。

4 结语

对镀锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢丝拉索进行研制，主缆拉索及配套的锚具满足钢丝拉索及主缆索的相关标准要求，静载破断力不小于拉索公称破断力的95%；疲劳性能按拉索应力上限为0.4σb，应力下限0.28σb，经200万次脉冲加载后断丝不大于总数的5%。钢丝相关力学性能满足GB/T17101-1997《桥梁缆索用热镀锌钢丝》的要求，而钢丝的防腐性能要优于镀锌钢丝，若替代镀锌钢丝作为主缆索股钢丝将可大大提升悬索桥主缆的防腐性能，具有良好的社会及经济效益。同时形成了稳定的主缆制索成型工艺，可满足主缆索股的生产要求。

参考文献

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