2000MPa平行钢丝拉索冷铸锚固安全性能研究

石艺歌，王士杰

（中铁大桥（郑州）缆索有限公司 郑州市 450044）

随着技术的发展，斜拉索用钢丝抗拉强度级别越来越高，从最初1570MPa、1670MPa直至目前的2000MPa，例如芜湖长江公铁大桥（主跨588m）和沪通长江大桥（主跨1092m）均采用抗拉强度2000MPa的锌铝合金镀层钢丝成品拉索。斜拉索是斜拉桥的重要受力构件，冷铸锚是斜拉索的重要组成部分，位于斜拉索两端，起着锚固斜拉索、传递索力的作用。如果斜拉索出现损伤或失效等情况，会直接影响斜拉索和桥梁的安全使用寿命。为保证2000MPa平行钢丝拉索冷铸锚固安全性能，从高强钢丝、冷铸锚具、冷铸填料三个关键受力构件进行质量控制，然后进行试验索的弯曲疲劳试验、静载破断试验等检测。

1 冷铸锚结构

斜拉索冷铸锚由锚杯、分丝板、连接筒、锚圈、前后盖等金属部件组成，高强钢丝穿入分丝板后进行镦头，锚杯内腔灌注冷铸填料，经高温养生固化形成冷铸锚结构（见图1）。

2 高强钢丝

2000MPa高强钢丝由国内专业厂家生产，主要技术指标见表1。钢丝使用前按照钢丝生产厂家检验项目取样数量的5%进行抽样检测，检测项目包括抗拉强度、屈服强度、伸长率、弹性模量、反复弯曲、缠绕性能、扭转性能等，经检验合格后方可投入使用。

3 冷铸锚具

依据《公路斜拉桥设计细则》（JTG／T D65-01-2007）标准要求，运营状态斜拉索安全系数不应小于2.5，施工状态斜拉索安全系数不应小于2.0，斜拉索锚具的安全系数不应小于斜拉索的安全系数。

3.1 冷铸锚具材质

冷铸锚具常规采用40Cr材质，2000MPa平行钢丝拉索锚具采用性能更好的42CrMo和35CrMo，应符合《合金结构钢》（GB／T 3077-2015）的规定。

在锚具加工过程中，锚杯和锚圈采用钢锭经锻压锻成空心筒体的锻件，应符合《大型合金结构钢锻件技术条件》（GB／T 33084-2016）的规定。锻件的力学性能与锚具截面尺寸相关，随着尺寸的增大，锻件屈服强度ReL逐渐下降。结合锚具截面尺寸，42CrMo锻件和35CrMo锻件屈服强度ReL分别为550 MPa和540MPa。

表1 2000MPa高强钢丝技术指标

3.2 冷铸锚具设计

锚具的结构尺寸由以下几个因素确定：锚杯小端孔径应满足索体穿过及填料灌注工艺间隙的要求；大端孔径应满足钢丝发散空间、钢丝穿入分丝板后的镦头间隙；锚杯内钢丝的有效锚固长度（lsc）应满足冷铸锚固填料与钢丝的粘结强度的要求，应大于钢丝在冷铸填料中的拔出试验的最小握裹长度；锚杯内腔锥形面的母线与轴线的夹角（βs）适宜，若角度太小，容易造成拉索在超张拉后的分丝板的回缩值过大；锚杯的平均壁厚（tsm）须满足冷铸体引起的压力在锚杯壁上产生的环向应力要求（见图2）。

锚杯强度验算包括：内外螺纹强度校核（弯曲、剪切、挤压）、锚杯危险断面验算（锚窝退刀槽处）、锚杯环向应力；锚圈强度验算包括：螺纹强度（弯曲、剪切、挤压）、端面承压。通过锚具强度验算可以知道，锚杯是由锻件屈服强度控制其结构尺寸，锚圈是锚垫板承压控制其外形尺寸，因此考虑到锚具结构尺寸的紧凑性及经济性，锚杯采用42CrMo，锚圈采用35CrMo。

在2000MPa平行钢丝拉索锚具设计时，分丝板灌注流道间隙增大，适当延长锚固段钢丝的发散区域，改善锚具的灌注工艺性；在锚杯小端口处增加弹性限制器，降低拉索接触应力以及由此产生的二次弯曲应力，提高拉索的弯曲疲劳性能（见图3）。另外，锚具结构的细节设计要合理，变截面部位出现尖角或圆角半径不够大，会造成应力集中；锚具表面光洁度不足，加工过程留下的划痕、刀痕、磨削裂纹等也会造成应力集中，都可能导致锚具在交变应力作用下发生疲劳断裂。因此在高强度斜拉索锚具结构设计中，更应注重细节部位的处理：变截面部位应采用圆角过渡，且圆角半径不能太小，以降低应力集中；加工时应控制表面及圆角处的光洁度，提高表面质量，以利于增强材料的疲劳强度。

3.3 冷铸锚具制造

锚杯及锚圈加工工艺流程：42CrMo／35CrMo→锻造→粗车→进厂检验→热处理→半精车→超声波探伤→精车→钻孔攻丝→磁粉探伤→粉末渗锌→封闭处理→最终检验→成品入库。

锚杯及锚圈的坯件为锻钢件，需进行调质热处理，过高的热处理强度，会过大地增加材料的硬度和脆性，增加工件机加工难度，同时也会增加工件的内应力，产生表面裂缝，结合厂家锚具制造经验，锚杯硬度225～269HB，锚圈硬度207～255HB。热处理符合《钢件的淬火与回火》（GB／T 16924-2008）标准要求，不能出现硬度不匀、淬透深度不足、表面裂纹、组织畸形等工艺性缺陷。锚具热处理后，按照《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》（GB／T230.1-2009）标准规定进行硬度检测。锚杯及锚圈均按照《锻钢件超声检测》（JB／T 8467-2014）规定的2级要求逐件进行超声波探伤检验，成品表面均按照《锻钢件磁粉检测》（JB／T 8468-2014）规定的2级要求逐件进行磁粉探伤。

冷铸锚具有规格型号和产品流水号标志，同规格的部件具有互换性。每套锚具均有质量保证书，标明各主要部件的材质、化学成分、机械性能、探伤报告等，填写各部件硬度、尺寸加工误差、渗锌层厚度等检测结果。

3.4 冷铸锚具防护

锚具防护目前主要有常用3种方式：电镀锌、热浸锌和粉末渗锌。粉末渗锌是一种化学热处理工艺，能够形成锌铁合金保护层，有效防止锚具腐蚀。锚具粉末渗锌工艺流程：酸洗除锈→工件装夹→装炉→工艺参数设置→渗锌（升温、恒温、冷却）→出炉→水洗→干燥→检验→钝化→封闭。

锚具粉末渗锌主要特点：涂层厚度均匀，梯形螺纹直接满足旋合配合精度；渗锌层为扩散冶金结合，锌铁合金与基体金属结合强度高；渗锌层硬度高，耐磨损性能好；涂层耐腐蚀性强，工艺过程环保，没有氢脆现象。粉末渗锌锚具经1000h中性盐雾试验，试件表面未出现红锈。锚具3种防护方式技术指标对比见表2。

表2 电镀锌、热浸锌和粉末渗锌指标比较

4 QS2160冷铸填料

冷铸填料主要由环氧粘接材料、铁砂（粗骨料）、矿粉（细骨料）组成，是在常温下灌注高温下固化，形成圆台状冷铸体，将钢丝握裹楔进锚杯，形成整体结构传递索力。为了满足2000MPa高强钢丝的锚固强度，我们在原有冷铸填料配方的基础上，进行了多次配方试制，经过常温抗压强度试验、高温抗压强度试验、热老化试验、钢丝拔出试验等，开发出性能更好的QS2160冷铸填料。该配方主要特点是，冷铸体为海岛结构的环氧树脂合金，固化物具有超高的断裂韧性、抗裂纹扩展能力和热稳定性。锚具养生固化温度从175℃降至160℃，锚具养生质量更易得到保障。试件常温抗压强度从147MPa提高到160MPa以上，满足了高强钢丝的锚固要求。

5 斜拉索试验

采用2000MPa高强钢丝、42CrMo锚杯、35CrMo锚圈及QS2160冷铸填料制造了一组试验索，以验证斜拉索冷铸锚固安全性能。

5.1 弯曲疲劳试验

按照《大跨度斜拉桥平行钢丝拉索》（JT／T 775-2016）标准要求对试验索进行了弯曲疲劳性能试验检测。试验索规格为PESC7-511，公称破断索力39311kN。疲劳试验加载波形为正弦波，频率0.6Hz，疲劳加载峰值为17699kN（0.45），应力幅为4916kN（250MPa）；200万次疲劳加载过程中动恒载保持稳定，未见异常；疲劳试验完成后，对该试验索进行了轴向拉伸试验，试验最大荷载为37407kN，加载过程中未见异常；试验完成后检查，未见钢丝断裂和护套破损等现象，且锚圈与锚杯能自由旋合。具体检测数据和结果见表3。

表3 PESC7-511斜拉索弯曲疲劳性能试验检测结果

5.2 静载试验

按照《大跨度斜拉桥平行钢丝拉索》（JT／T 775-2016）标准要求对试验索进行了静载性能试验检测。试验索规格为PESC7-547，公称破断索力42102kN。试验中，各级加载稳定，未见异常；试验荷载最大值为41712kN，持荷5min后卸载，未见异常；试验完成后检查，未见钢丝断裂和护套破损等现象，且锚圈与锚杯能自由旋合。具体检测数据和结果见表4。

表4 PESC7-547斜拉索静载性能试验检测结果

6 结语

斜拉索钢丝抗拉强度级别提高后，需要与之匹配的冷铸锚具和冷铸填料，以满足结构受力。采用42CrMo锚杯、35CrMo锚圈及QS2160冷铸填料制造的2000MPa平行钢丝拉索试验索，经弯曲疲劳试验及静载试验检验，各项指标符合设计和标准规范要求，冷铸锚固性能安全可靠，为2000MPa平行钢丝拉索项目的实施奠定了基础，也可作为类似项目的参考。