香溪长江公路大桥高应力幅智能拉索设计论证

朱元 张铭 张峰

（1.柳州欧维姆机械股份有限公司 545006；2.湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉430000）

引言

随着基础建设的加快，工程结构质量成为了社会关注的焦点，如何快速提前感知工程结构存在的风险以及如何提高其耐久性成为日后路桥工程发展的方向。近些年桥梁工业得到了突飞猛进的扩展，而桥梁结构安全性与生命安全紧密关联，桥梁健康检测逐步成为关注的焦点。尤其是桥梁上的拉索是生命线的关键点之一，拉索的使用寿命长度和拉索使用工况的可监控度，成为预防发生桥梁坍塌事故需要完善的地方。

目前国内外对桥梁拉索的监控检测还主要集中在日常的人为维护和检测索力，例如压力传感器、磁通量传感器、频率法检测仪器等等。这几种检测手段都需要安装在拉索索体外，且其工作效率差而且耗费时间长，且检测手段比较落后，无法对拉索的使用状态进行实时监控。因此本文结合工程需求，开发了一种植入拉索索体内的可实现实时监控拉索索力，且提高拉索抗疲劳性能的一种高应力幅智能拉索。

高应力幅、智能拉索的研制可以有效地实现对拉索索力的实时监控，有效检测拉索的使用工况，提前预测拉索的使用寿命及其可靠性。另外其可用于高应力幅工况的桥梁拉索工程，能够提高拉索的耐久性和安全性，确保拉索的使用寿命更长久。

本文根据香溪长江公路大桥设计提出吊杆需满足300MPa的大动载荷疲劳和大位移偏摆幅度需求，开发出高出标准规范疲劳性能且可耦合光纤光栅的智能拉索产品。

1 工程概况

香溪长江公路大桥是湖北省骨架公路网中第6纵（郧县—来凤）的第2条支线（兴山—五峰）跨越长江的节点工程，桥址位于长江三峡兵书宝剑峡峡口。大桥全长883.2m，主桥为主跨519m（计算跨径）中承式钢桁架拱桥。主桥长531.2m，桥跨组合为：2×35m预应力混凝土T梁+531.2m（主孔两过渡墩之间的跨度）+9×30m预应力混凝土T梁。大桥按四车道一级公路设计，桥面梁全宽27.3m（不含两侧各2.5m宽人行道），汽车荷载等级为公路I级。桥型布置如图1所示[1]。

图1 桥型布置Fig.1 Bridge arrangement

主桥拱肋采用空间变截面桁架式结构，主桁下弦杆中心线净跨径为508m，下弦中心矢高为127.0m，矢跨比为1／4。主拱轴线采用悬链线线形，拱轴系数为2.0。桁架拱采用双片主桁，上、下游两榀主桁平行布置，主桁的横向中心距为25.3m。主桁采用易于控制腹杆稳定的柏式桁架，主桁拱顶截面径向高采用12.0m，拱脚截面径向高采用14.0m。主桁采用变节间布置，共有12.0m、11.8m两种布置方式，桥面以上主桁节间长度为12.0m，吊杆间距为12.0m；桥面以下主桁节间长度为11.8m，拱上立柱间距为11.8m。

吊杆采用单吊杆体系，横桥向吊杆中心距25.3m。要求吊杆满足高应力幅疲劳性能，通过提高拉索的疲劳性能有利于桥梁结构风险的降低，延长拉索的使用寿命，从而保障桥梁主体结构的安全性能。

2 拉索性能指标需求

2.1 设计目标

根据工程设计需求，短吊杆采用37根1860MPa级φ15.2mm的环氧钢绞线作为吊杆承载体，索体结构采用双层无粘结HDPE成品索结构，PE外层设计成双螺旋线结构抑制风雨激振。要求吊杆在满足0.4Fptk应力上限的设计索力下，能够实现300MPa的应力幅疲劳次数200万次的性能指标。吊杆索体中耦合光纤光栅智能钢绞线，用于对吊杆索力进行实时监控。

2.2 设计标准

拉索锚具应有可靠的锚固性能和足够的承载能力，锚具锚固夹持性能符合《预应力筋用锚具、夹具和连接器》，锚固效率系数≥0.95%，极限延伸率≥2%。疲劳性能达到《斜拉索设计、测试和安装条例》（PTI-2001）等相关规范要求[2]。光纤光栅精度控制在0.5%左右，应力应变值符合线性同步规律达到99.5%及以上。

2.3 吊杆空间结构设计需求

根据设计条件拉索有效穿索孔道为φ248×16mm的空间，且能够方便张拉空间需求为500mm×1000mm×800mm。目前国内外采用吊杆设计载体有钢丝、钢丝绳、钢绞线，而由于钢管拱锚箱结构空间有限，要求吊杆承载体的锚具结构尺寸必须尽量要小，确保降低锚下应力对整个锚箱受力的影响，如图2所示[1]。

3 拉索可行性技术分析

本项目设计所要求解决的问题主要在于吊杆锚具结构需适合拱肋和箱梁的狭小空间结构，通过优化锚箱结构空间来实现降低整个桥体结构的重量和造价成本，因此必须开发出结构紧凑型的锚具结构产品。

3.1 锚固结构对比分析

吊杆最大公称破断索力不小于9600kN，换算成钢丝根数为151，换算为钢绞线根数为37。而根据香溪河桥的设计特点，首先考虑合适的锚具尺寸能够满足穿索孔道的设计需求。钢丝吊杆采用冷铸锚固方式，而钢绞线目前只采用夹片式，以上两种锚固方式锚具结构尺寸大，对穿索孔道和锚固区提出了更大的空间要求，无法适应本项目空间有限的需求。而采用钢绞线整体挤压锚固方式，锚具结构尺寸相对较小，各种索锚具对比如图3所示。

图2 上锚腔空间结构（单位：mm）Fig.2 Spatial structure of anchorage box（unit：mm）

图3 各种抗索锚具对比Fig.3 Comparative drawings of various cable anchors

3.2 如何实现拉索锚具抗疲劳性能

拉索的抗疲劳性能，主要取决于承载体（钢丝、钢绞线）母材质量的好坏，其次是锚具承载体的夹持握裹效果以及锚夹具对承载体的损伤程度。从图3可以看出，常规吊杆的钢丝索和夹片式钢绞线锚固结构与索体有一定的折角，钢丝或钢绞线在锚固区内形成一定的折弯，拉索在动态受力的工况下，折弯处是钢丝或钢绞线容易发生疲劳损伤的薄弱点。

本文工程中，钢丝索和夹片式钢绞线拉索的锚固尺寸较大无法满足设计需求，因此为了适应设计目标，专门开发了一种采用整体挤压+冷铸复合锚固钢绞线原理的结构，如图4所示为挤压锚固原理图。

图4 挤压锚固原理Fig.4 Extrusion anchorage principle

本文方案采用专用的挤压模具和千斤顶及挤压装置，采用径向挤压变形的方式使锚固套产生永久性的塑性变形，使相互平行隔离的钢绞线嵌入到锚固套内腔金属层形成一种相互夹持握裹的整体，如图5所示（高应力幅锚具结构）[4]。该结构相对以上两种方式，锚具结构尺寸可以降低20%～30%左右，可以满足上锚点空间安装需求和方便穿索孔径设计。再加上由于钢绞线相互隔离平行，改善了钢绞线在锚固段的折弯疲劳损伤隐患，降低了钢绞线的抗疲劳折弯系数，并且通过设计延长筒的方式，增强索体剥除PE的裸露段钢绞线的握裹稳定性，从而可提高整个锚固区索体的抗疲劳、抗微震动性能。

图5 高应力幅锚具结构Fig.5 High stress amplitude anchor structure

3.3 高应力幅疲劳性能的保障措施

1.开发钢绞线相互平行隔离夹持握裹的挤压式锚固套，确保了钢绞线避免折角损伤产生应力集中的问题，改善了钢绞线束整体抗疲劳的稳定性，如图6所示。

图6 挤压锚固套结构Fig.6 Structure drawing of extruded anchorage sleeve

2.锚固套出口端采用灌注弹性体保护材料，可以有效地抵抗拉索在振动情况下钢绞线在出口处容易发生相互摩擦，避免钢绞线的微磨损风险。

3.锚头外表面通过采用特殊刀具车削螺纹，并进行喷丸除应力的方式，提高了锚头螺纹处的抗疲劳性能，有效减少了锚头表面裂纹。

4.另外为了满足拉索300MPa的高应力幅，还专门联合钢绞线厂家开发了一种高疲劳的钢绞线盘条制作母材。

4 智能索方案实施及工艺试验

4.1 智能拉索成品索设计方案

本项目采用37根φ15.2mm的高强钢绞线，将智能筋嵌入到其中一根中心或边心钢绞线的钢丝上，再将多根钢绞线集束为成品索后挤塑成PE多层防护索体结构，组装在挤压锚具内，通过挤压将钢绞线握裹成形。智能成品结构如图7所示。

这种设计方案，可以有效地将拉索中心索力通过光纤光栅传感器进行检测，由于钢绞线是采用无粘结相互隔离保护，光纤光栅嵌入到钢丝槽内，在制作流程中可以更好地有效保护传感器耐久性。

图7 智能索设计方案Fig.7 Intelligent cable design scheme

4.2 智能索制作

拉索索体最中间的钢绞线的中心丝，通过刻痕设备在钢丝上刻槽，将光纤光栅嵌入。然后再制作成光纤成品拉索，光纤光栅拉索如图8所示。

图8 智能筋制作Fig.8 Intelligent bar manufacture

关键工艺控制：制作光纤光栅索—钢绞线束放线—挤塑PE索体—裁索—装配锚具—锚具挤压成形—锚头加工螺纹—超张拉—信号检测。

采用钢丝刻槽设计，避免了挤压过程及使用中钢绞线对传感器的挤压破坏，同时拉索制作过程中需要对光纤光栅进行保护处理，通过在光纤表面包裹一层保护套进行隔离，并且在挤压工装上进行开孔，先将光纤光栅引出锚具，进行工艺过程控制。

4.3 智能索试验测试

本项目采用了光纤光栅与钢绞线拉索耦合技术，光纤光栅是折射率沿光纤轴线发生周期性变化的一小段光纤纤芯，它可将入射光中某一特定波长的光部分或全部发射，它的反射的中心波长方程式为λB＝2NeffΛ，式中：λB为光栅布喇格波长，Neff为纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期[5]。

对智能拉索进行静载试验测试：制作了两根PL1和PL2试验索，光纤光栅波长的测定选用解调仪ZX-FP-C16，试验索在柳州欧维姆公司实验室张拉台座上进行拉伸试验。试验时先张拉0.1F（F为标准破断力）预紧，试验过程每0.1F张拉一次，并持荷5min，张拉到0.95F时试验停止，两根自感知试验索在0.95F时均未发生损坏，事实证明，自感知拉索不影响拉索的静载锚固性能。表1为单根智能索的原始数据。

试验索PL1和PL2的波长数据见表2，试验数据分析见图9。

表1 单根智能索波长测试数据Tab.1 Single intelligent cable wavelength test data

表2 成品拉索波长测试数据Tab.2 Final cable wavelength test data

图9 测试数据分析Fig.9 Analysis of test data

由以上试验数据可以看出，PL1和PL2两组成品拉索的测试数据基本接近单根钢绞线智能拉索的原始数据，可以判断出光纤光栅智能索检测的数据误差是在控制范围内，这种智能拉索的制作工艺可达到设计需求。

4.4 高疲劳拉索试验

试件疲劳性能试验采用德国IST公司生产的10MN疲劳试验机来进行，该系统的最大试验负荷为±10MN，疲劳频率1.5Hz，疲劳试验装置如图10所示。

图10 疲劳试验装置Fig.10 Fatigue testing equipment

试验结果见表3，可见通过前文的技术措施改进和优化设计，这种结构的拉索体系可以满足应力幅度300MPa的疲劳次数200万次。

表3 疲劳试验结果Tab.3 Fatigue test results

5 结语

本文针对香溪长江公路桥短吊杆的高应力幅疲劳性能需求，根据设计指标开发了一种全新锚固原理的钢绞线复合式整体挤压锚固的智能筋拉索，对锚固结构和索体工艺的技术进行了研发设计和试验论证。开发的新型锚固结构技术在具有适应拉索的高疲劳、可靠锚固性能的同时，也缩小了拉索的锚头结构尺寸，有利于锚箱结构的优化设计。对于拱桥吊杆中尤其是拱桥处短索动载大、摆幅大的工况，有利于提高其安全性能。另外通过植入光纤光栅智能筋到拉索索体内与钢绞线进行耦合，通过多点分布式测量并建立集成监控系统和可以有效地对吊杆索力进行实时监控。