1960MPa缆索“吊起”虎门二桥

文|广东省公路建设有限公司虎门二桥分公司 张鑫敏

随着悬索桥主跨跨径的增大，主缆的自重呈非线性加速增长，导致主缆材料强度用以承担其自身重量的比例增大，用于承担使用荷载的比例相对减小，承载效率降低，因此，提高主缆强度、减轻自重成为突破更大跨径的关键。由广东省交通运输厅组织实施的“1960MPa悬索桥主缆索股技术研究”于2009年启动，该项目依托虎门二桥工程，深入研究了盘条合金组分、连铸偏析、索氏体化技术，钢丝拉拔、热镀锌铝技术，索股锚固、预成型等关键技术。其研究成果总体达到国际领先水平。

虎门二桥全景图

项目总体技术路线图

该项目研究针对1960MPa主缆钢丝及索股在虎门二桥悬索桥应用，以自主创新、集成创新为主导，以产、学、研结合的模式开展研究工作。实施过程中统筹考虑研究与成果应用时间，既保证研究成果服务于虎门二桥工程建设，又能通过工程实践检验研究成果，促进理论、方法的完善和技术水平的提升。

1960MPa缆索钢丝用盘条开发

提高钢丝强度的一般技术方法是增加碳含量，国产1770MPa钢丝采用82碳盘条，技术路线为高锰。根据前期试验结果，1960MPa钢丝需要提高盘条碳含量。为同时满足强度和扭转等性能的要求，各钢厂还进行了特殊的盘条成分设计，同时对冶炼和轧制技术进行改进和提升。盘条成分设计需综合考虑合理的含碳量和其他金属含量。经过反复试验研究，选择用于制作1960MPa钢丝的3种盘条成分组成，如表1所示。

表1 1960MPa钢丝用盘条化学成分

盘卷技术

1960MPa主缆

为满足优质的扭转等性能，研发和应用了桥梁缆索钢丝盘条索氏体化处理，改进和提高盘条组织和均匀性，在国内第一次应用在线水浴（EDC）、离线盐浴（DLP）和离线铅浴（LP）等大直径盘条热处理技术，实现了索氏体组织≥90%，金相组织均匀。基于上述研究，首次成功应用了盘条EDC处理和离线LP处理，自主设计了国内首条DLP生产线，并形成了全套的生产工艺技术。经盘条试验和钢丝加工结果检验，热处理效果达到或优于国外目前公认的盘条质量。其中，在线EDC技术和工艺在节能环保方面处于国际领先水平。

1960MPa悬索桥主缆用高强度钢丝开发

1960MPa高强度锌铝合金镀层钢丝拉拔技术研究

该项研究立足于高碳钢高强度大直径钢丝在生产线上的拉拔过程，研究了在现代化大生产条件下钢丝拉拔组织、性能变化规律。通过对不同应变量钢丝的组织演变观察分析以探求钢丝拉拔过程中组织与力学性能演变过程。研究了高碳钢丝在拉拔过程中的微观组织结构和力学性能随拉拔应变量的变化规律；系统地分析了高碳钢丝拉拔过程中的织构演变过程，分析了钢丝织构对钢丝力学性能的影响，同时对钢丝的热镀过程中的再结晶织构进行了系统研究。重点研究了含碳量为0.87%左右的过共析钢钢丝经索氏体化后，在不同拉拔应变量下纵截面方向的微观组织变化，创新性的采用了大应变量拉拔技术，利用渗碳体碎化后非晶带的纤维强化和渗碳体颗粒的弥散强化来提高光面钢丝的强度和韧性。

同时，研究了低温时效对钢丝扭转性能的影响，模拟拉丝温升对钢丝扭转性能的影响，为拉丝过程中工艺的制定与控制提供参考。研究了热镀温度对钢丝扭转性能的影响，模拟镀锌温度对钢丝扭转性能的影响，研究其影响的机制，开发出了强度达到1960MPa、扭转次数达到14次以上的锌铝合金镀层钢丝成套制作技术。该创新点经江苏省经信委鉴定，达到国际领先水平。钢丝抗疲劳性能经过美国结构试验室认证，超过了目前国际上ISO及美国标准的相关要求，达到国际领先水平。

基于无接触式新型钢丝锌铝合金镀层控制技术研究

镀层质量对于桥梁缆索的耐久性至关重量。对于锌铝合金镀层钢丝，由于铝的流动性较好，因此其热镀速度为传统热镀锌的2倍以上。该研究创新性的将非接触式的电磁热镀抹拭法+气体抹拭法的复合抹拭技术用于锌铝合金钢丝的双镀技术，通过控制洛伦磁力的大小、分布和氮气的气压，实现了镀层质量和均匀性的精确控制，实现了锌铝合金热镀技术的高速、低耗和绿色环保。

镀锌钢丝表面粘上液态镀锌层垂直向上穿过电磁抹拭装置，当移动到锌层电磁抹拭原理图所示位置时，线圈中通入的交变电流在钢件区域感应产生交变磁场，交变磁场在镀锌层中，产生方向与感应线圈电流方向相反的感应涡流电流，根据麦克斯韦电磁场微分方程，随着钢件向上移动过程中，镀锌层中的涡流电流在交变感应磁场的作用下，受到斜向下的洛伦兹力的作用，阻止了液态镀锌层向上移动，克服镀锌层之间的粘附力，将多余的锌液抹拭下去，通过改变磁力大小和分布，从而达到控制锌层重量的效果。

锌层电磁抹拭原理

在热镀锌铝合金后，采用气体抹拭法(主要是氮气)精确控制锌铝合金成品的表面质量。其方法创造性地使具有一定压力的气体，通过环形气刀装置在钢丝周围产生高速气流，高速气流作用在镀层表面时产生抹拭力，将表面多余的合金熔液抹拭回合金锅去。气体抹拭原理为钢件从锌锅出来之后，垂直向上移动过程中，气刀中喷出的高压气体作用在钢丝上，表面镀锌层在气流以及重力的作用下，沿着向下回流到锌锅里面去。通过控制气体压力和气刀高度、角度等参数控制镀层的质量和均匀性。

采用非接触式复合抹拭技术后，热镀速度从传统的每秒10米提高到每秒20米，镀层重量达到每平方米300克，镀层均匀性好，其硫酸铜次数可达到4次，其抗盐雾腐蚀能力较传统的热镀锌钢丝提高了1倍。该创新点经江苏省经信委鉴定，达到国际领先水平。

锌铝合金镀层钢丝与传统热镀锌钢丝的镀层抗腐蚀能力对比

1960MPa悬索桥主缆索股制作技术研究

针对1960MPa锌铝合金镀层钢丝悬索桥主缆索股，由于强度性能的提高和锌铝合金镀层的特点，可能影响到索股制造工艺和性能，特别是锚固工艺和性能，需要进行系统的研究和试验。首先需要研发合适的锚具结构和锚固方法，并进行合理的结构设计及试验研究，以实现主缆索股锚具锚固技术的可靠开发应用。同时，需要进行系统的索股制造工艺试验，检验和确定合适的1960MPa钢丝主缆索股的制作工艺。

锚具和锚固技术

根据国内外悬索桥主缆锚固的经验，虎门二桥1960MPa钢丝和主缆索股研发应用项目仍选择热铸锚锚固方法，主要研究内容包括锚具设计和结构分析，以及锚固工艺研究。

锚具选材及结构尺寸。通过设计计算和有限元分析，选择了锚具结构和主要尺寸。该研究同时选取ZG310-570和ZG20Mn两种铸钢材料，研究了不同的热处理方式对材料显微组织、力学性能(含低温冲击性能)和焊接性能的影响，以确定1960MPa锌铝合金镀层钢丝索股的锚具材料。研究表明，ZG310-570铸钢经正火+回火后的金相组织为铁素体+珠光体构成，晶粒度达7级以上；ZG20Mn铸钢经“退火+调质”处理后的金相组织为回火索氏体，晶粒度达9级以上。ZG20Mn铸钢经热处理后的屈服强度、延伸率高于ZG310-570铸钢，特别是室温冲击韧性较ZG310-570提高了4倍，为ZG20Mn，其低温冲击韧性也明显优于ZG310570铸钢，这对防止材料的低温脆性有利。在以上研究基础上，创新性的采用经过调质处理的ZG20Mn材料作为1960MPa锌铝合金镀层钢丝主缆索股的锚具材料，并实现了批量化生产。

锚固性能试验。由于1960MPa钢丝强度提高两个等级，且锌铝合金镀层和锌镀层存在一些差异，为此进行了1960MPa锌铝合金镀层钢丝的单丝锚固试验和索股锚固试验研究。试验结果表明，锌铝合金镀层钢丝和镀锌钢丝与锌铜合金的粘结力区别不大，满足1960MPa等级锌铝合金镀层钢丝的锚固要求，可采用锌铜合金热铸锚。通过对比试验确定了钢丝有效锚固长度和索股锚固长度，保证钢丝和索股可靠锚固。同时，还进行了锚固助镀、预热灌铸温度控制等工艺试验，确定最佳工艺参数。为检测127Φ5.0的1960MPa锌铝合金镀层钢丝索股锚固结构在加载状态下的受力性能，对锚具结构进行了结构试验研究。试验结果发现锚杯无异常，锌铜合金铸体未破坏，满足了破断荷载≥95%的静载要求。

主缆索股制作技术工艺。为保障主缆索股的质量，根据1960MPa锌铝合金镀层钢丝和索股特点，进行了制索工艺和设备改进。同时，进行了系列索股试验验证，确定了与高强度锌铝合金镀层相适应的制索工艺和生产线。为减少工地架设难度和工作量，项目自主研发了一种索鞍区域“工厂预先成型的索股”索股制造技术，可实现主索鞍、散索鞍段索股在工厂内预制成矩形段。该技术采用多道双层卡箍定型，预成型两端过渡段采用钢丝缠绕等方式，控制预成型段索股的形状。通过工厂内放索试验、入鞍试验以及以往项目预成型主缆索股制作经验来看，该技术实现了主缆索股在现场架设直接入鞍，提高了索股的架设质量和效率，有效保护了钢丝表面镀层，避免了采用镀锌钢丝索股预成型技术编制锌铝合金镀层钢丝单元索股带来的成型性差的缺点。

索股试验

为了确保我国和世界第一列特大悬索桥主缆1960MPa钢丝和索股研发应用项目绝对可靠，在钢丝性能可靠的前提下，进行了系统的索股试验研究，确保1960MPa钢丝悬索桥主缆结构安全应用，为其他桥梁缆索应用储备性能。

静载性能。委托中国船舶工业金属结构试验检测中心对12根锌铝合金镀层钢丝索股（三种应用钢丝各至少3根索股）和1根镀锌钢丝索股进行了轴向静载性能试验。试验结果发现，索股破断载荷基本在100%或以上破断载荷下破断，索股的静载性能满足相关规范的要求。

抗疲劳性能。在钢丝疲劳试验合格的基础上，3种应用钢丝各制作至少3根索股进行动载疲劳试验，共抽取15条索股动载试验，试验结果全部合格。

为了与国外优质盘条钢丝比较，还分别选用进口DLP盘条和国产EDC盘条钢丝制作索股，进行了应力上限为40%抗拉强度、应力幅值为200MPa、200万次的索股疲劳试验和应力上限为40%抗拉强度、应力幅值为250MPa、300万次的索股延寿疲劳试验，试验结果表明国产盘条和进口优质品牌盘条钢丝索股疲劳性能基本相似，不存在明显差别。

抗滑移性能。根据锌铝合金镀层钢丝和锌镀层钢丝主缆（索夹）抗滑移性能对比试验，锌铝合金镀层比锌镀层钢丝主缆抗滑移力低10%至12%，与高丽制钢公司单丝摩阻系数试验结论一致，具有一定的参考价值。

放索试验。试验索按照虎门二桥坭洲水道桥主缆索股要求制作，长度为3100米，规格为1960MPa等级Φ5毫米×127丝锌铝合金镀层钢丝主缆索股。通过试验验证，试制索股的各项指标均达到预期目标，保证了悬索桥使用锌铝合金镀层钢丝主缆索股制作和放索质量。

盐雾试验。通过盐雾试验后测镀层失重和力学性能变化的方法，对比两种镀层钢丝的耐腐蚀性能。研究结果表明，在抗盐雾腐蚀方面，热镀锌铝镀层钢丝是热镀锌钢丝的2倍以上，具有更长久的耐环境腐蚀能力。

首次实现1960MPa缆索3万吨级实桥应用

主缆索股锚具结构尺寸

该项目针对超大跨径桥梁建设对缆索强度、寿命性能提出的更高要求，系统研究了超高强度钢丝拉拔、热处理以及镀层制备等生产技术，成功开发出缆索用1960MPa锌铝合金镀层钢丝（其钢丝抗拉强度≥1960MPa，扭转次数≥14次，疲劳应力上限达到0.45σb,应力幅值达到510MPa。）并在此基础上，通过选择与钢丝强度相适应的高强度锚具材料，进行合理的结构设计与试验研究，开发出成熟的1960MPa主缆索股锚固技术，1960MPa主缆索股的锚固效率达到95%以上。研制出的1960MPa索股的静载性能良好，通过第三方检测，最大静荷载≥95%标称破断荷载，静载延伸率≥2%，弹性模量≥1.90×105MPa。）

完善了制索工艺，发明了一种悬索桥主缆用预制平行钢丝预成型索股的制作方法（ZL201510906592.8），研制出了悬索桥主缆用1960MPa锌铝合金镀层钢丝及索股，经第三方权威鉴定技术水平达到国际领先。同时，完成1960MPa锌铝合金镀层钢丝及主缆索股抗疲劳性能研究，1960MPa镀层钢丝及主缆索股抗疲劳性能优异，1960MPa镀层钢丝经美国检测试验，动静载性能优于国际相关标准。

主缆索股通过了应力上限0.40σb，应力幅为200MPa条件下，疲劳应力循环次超过200万次的动载试验。该创新成果增加了缆索强度，降低了缆索的重量，不仅可降低架设的难度，而且大大降低了工程的投资成本。该产品已成功应用于虎门二桥，首次实现国际上1960MPa缆索项目3万吨级实桥应用。