大吨位高疲劳应力幅斜拉索及锚具研究

1、14桥梁建设2002年第3期文章编号:1003-4722(2002)03-0014-03大吨位高疲劳应力幅斜拉索及锚具研究汪双炎1,党志杰2(1.中铁大桥局集团有限公司,湖北武汉430050;2.中铁大桥局集团桥梁科学研究院,湖北武汉430034)摘要:结合芜湖长江大桥斜拉索的设计,索和锚具的研制及试验成果。关键词:斜拉索;锚具;力学性质;疲劳试验中图分类号:U448.38R2loadHighFatigueStressAmplitudeCableandAnchorageofCable2stayedBridgeWANGShuang2yan,DANGZhi2jie2(1.ChinaZhongtie

2、MajorBridgeEngineeringGroupCo.,Ltd.,Wuhan430050,China;2.TheBridgeScienceResearchInstituteofChinaZhongtieMajorBridgeEngineeringGroupCo.,Ltd.,Wuhan430034,China)Abstract:AccordingtothecabledesignofWuhuChangjiangRiverBridge,theresearchprocessandthetestresultsofheavy2loadhighfatiguestressamplitudecablean

3、danchorage,whichcouldbeusedindoubledeckcable2stayedbridgeforhighwayandrailway,areintroduced.Keywords:staycable;anchorage;mechanicalproperty;fatiguetest1前言斜拉索是斜拉桥的一个重要组成部分。当前斜拉索一般采用高强度的钢绞线或钢丝制成。国外单根斜拉索的破断索力已达到30000kN,满足200万次循环加载的疲劳应力幅为250MPa。我国用于斜拉桥上的斜缆锚具主要为HiAm冷铸锚和钢绞线夹片群锚。芜湖长江大桥斜拉索设计采用7500kN的Hi2Am冷铸

4、锚,设计耐疲劳应力幅为200250MPa。目前我国斜拉桥采用的大吨位斜拉索,其满足200万次循环加载的疲劳应力幅为200MPa。如此大吨位高疲劳应力幅的HiAm冷铸锚用于铁路斜拉桥在我国还是首次,因此,要求对研制开发的大吨位斜缆及锚具进行静力及疲劳试验,以证明材料、构造、工艺等条件满足芜湖长江大桥的设计和运营要求。2芜湖长江大桥成品索主要技术指标芜湖长江大桥斜拉桥铁路活载与公路斜拉桥活载有很大的区别,公路一般活载大多不能满载,实际产生的应力变化幅度较铁路活载小,且总体加载频率也较低,而铁路活载则多接近满载,引起的应力幅大,加载频率也高。因此,芜湖长江大桥要求采用容许应力幅为250MPa的斜拉索

5、,其成品索主要技术指标如下。2.17mm高强度镀锌钢丝技术要求(1)公称直径为<7.00(+0.08,-0.02)mm;(2)圆度0.04mm;(3)抗拉强度1670MPa;(4)屈服强度1410MPa;(5)延伸率4.0%(L0=250mm);(6)弹性模量为(1.952.1)×105MPa;(7)反复弯曲3次(R=15mm);(8)卷绕3d×8;(9)松弛2.5%(0.7G.U.T.S.,10000h,收稿日期:2001-12-11作者简介:汪双炎(1964-),男,高级工程师,1986年毕业于西南交通大学桥梁工程专业,工学学士,1989年毕业于西南交通大学土木工

6、程学院桥隧专业,工学硕士。大吨位高疲劳应力幅斜拉索及锚具研究汪双炎,党志杰15);20(10)疲劳应力幅为400MPa(上限应力0.45106次);b,N=2×(11)镀锌层质量300g/m2;(12)锌层附着性5d×2圈;(13)硫酸铜试验4次;(14)平直度15mm(1/2弦矢高)。2.2成品拉索的长度的目的要求及主要内容为:(1)研究选择满足我国第一座公铁两用斜拉桥芜湖长江大桥成品拉索技术条件的主要原材料;(2)优化锚具结构设计,研究拉索绞制和制锚技术,确保拉索生产工艺满足芜湖长江大桥成品拉索技术条件的要求;(3)完成1组小规格模拟索的制造,并进行一系列的试验研究;(

7、4)完成1<7mm芜湖长江大桥。、试验和安装规应及锚固效应要求高于组装件试验应力幅取值约140MPa。如组装件试验应力幅250MPa,单根钢丝相应取值应不低于390MPa(芜湖长江大桥成品索技术指标要求400MPa)。国产高强度镀锌钢丝200万次耐疲劳应力幅已达到410MPa,钢丝质量索长应满足设计长度的要求,长度误差L应L符合下述规定:L100m时,20mm;L>100Lm时,0.0002L。2.3预张拉破断荷载0.56倍,不大于6mm。2.4成品拉索的物理机械性能(1)静载破断荷载:应不小于拉索标称破断荷载的95%;(2)静载破断延伸率:应不小于2%;(3)抗拉弹性模量:应不小

8、于1.95×105MPa;(4)疲劳应力幅度:250MPa(上限应力0.45b,N=2×106)断丝率不大于5%。与国外厂商供货水平相同。在采用冷铸锚时成品索的疲劳寿命主要受下述因素影响:钢丝的均匀性显著影响成品索的疲劳寿命;钢丝的锚固构造造成的应力集中和对刚丝的损伤程度、应尽量减少构造应力集中和构造损伤;成品索高应力幅疲劳试验时,钢丝扭绞的影响更加明显。即在保证可以正常运输、安装的前提下,采用较小的扭绞角度是合适的。4大吨位高疲劳应力幅斜拉索及锚具的试验研究4.1研究内容3大吨位高疲劳应力幅斜缆及锚具的研制根据芜湖长江大桥成品索主要技术指标,调研了国内主要的锚具和桥梁用斜

9、拉索生产厂家,在此基础上研制开发满足芜湖长江大桥成品索技术指标的大吨位斜缆及锚具。目前国产冷铸锚斜拉索基本上能满足200万次循环加载的疲劳应力幅200MPa要求,对于生产满足疲劳应力幅250MPa的成品索还是第1次。因此研制开发大吨位斜缆及锚具主要任务是提高冷铸锚缆索组装件等的疲劳强度。在武汉长江二桥采用的成熟的200MPa应力幅HiAm锚具结构的基础上,以提高成品索抗疲劳应力幅值为目的,进行锚具结构优化。由于锚内钢丝分散成锥体状,必须有一折点存在,此折点就是应力集中点,角度的大小直接影响拉索的抗疲劳性能。为此,冷铸锚具提高其抗疲劳性能的关键是使钢丝折点角度尽量最小。但钢丝折点角的减小势必使钢

10、丝折点移至锚具尾部(连接筒部位),从而使连接筒受力增加,为使连接筒承受住这附加的荷载,连接筒的壁厚需增加,但连接筒壁厚的增加也得有一限度,故合理设置钢丝折点位置是一大关键。大吨位高疲劳应力幅斜拉索及锚具的研制开发对采用芜湖长江大桥成品索制作工艺研制开发的大吨位斜缆及锚具试验索进行疲劳及静力试验,检查该大吨位斜缆及锚具是否满足芜湖长江大桥成品索技术条件。4.1.1大吨位成品斜缆锚具组装件的静载试验(1)组装件在预拉荷载下锚板内缩值的测定;(2)组装件在设计荷载下,钢丝束的延伸率、锚具径向变形、钢丝束的拔出量及一般性观察;(3)实测组装件的破断荷载以及钢丝束在破断荷载下的总延伸率及锚固效率系数;(

11、4)组装件在破断荷载下,对锚具各部件工作状态的观察。4.1.2大吨位成品斜缆的疲劳试验对斜缆进行200万次循环加载疲劳试验,加载应满足设计上限和给定的应力幅。4.2检验标准(1)弹性模量1.95×105MPa;16(2)疲劳寿命试验断丝率5%(2×106次疲劳循环);(3)200万次循环加载后,满足断丝率要求,同桥梁建设2002年第3期时静拉破断荷载95%的斜拉索标称破断荷载。4.373×<7mm及85×<7mm索组装件的试验4.3.1试验索(1)73×<7mm索组装件室进行,加载设备为美国MTS公司生产的四柱立式20000k

12、N电液伺服试验机,试验机加载精度为5F.S.。疲劳试验的上、下加载值分别P上=0.45A=9052kN和P下=0.30A=6035kN,拉bb索钢丝的应力幅值为250MPa,疲劳试验的加载次数为200万次。疲劳试验过程中,在924800次时听到试验拉索发生两声响声,1112770次时听到一声响声。在,疲劳试验过程5%。经过200万次5%。出如下结论。(1)在(0.300.45)b应力范围,按两端锚具支承面间总变形量计算,实测试验拉索变形模量值为1.83×105MPa。(2)经静拉强度试验检验,试验拉索在最高应力为0.45b,经200万次应力幅250MPa循环加载后,其静拉破坏强度可达

13、0.95bA,相应伸长量为106mm,为初始长度L0的2.6%。(3)由上、下锚具测得的锚板回缩值:经200万试验用斜拉索组装件共4根,由上海浦江缆索有限公司加工制造,全长为4200mm,有效试验段长度为3800mm,结构形式为73×<7mm,双侧冷铸镦头锚连接,采用上海申佳金属制品有限公司生产的钢丝,钢丝强度等级为1670MPa40Cr,标称横截面积为A0=32断荷载为4691kNA-4。(2)85×<7mm试验索组装件共2根,由大桥局集团一公司郑州索厂制造,钢丝分别选用上海申佳金属制品有限公司和江阴华新金属制品有限公司生产的高强度镀锌钢丝,钢丝标准强度均为1

14、670MPa,试验索标称破断荷载为5462kN。试验索编号为B-1和B-2。4.3.2疲劳试验结果疲劳试验结果汇总于表1。表1疲劳试验结果组装件MPaA-1A-2A-3A-4B-1B-22.00×1052.00×101.96×105次疲劳试验后为5.84mm;静拉试验后为8.31mm,均未超过一般的检测要求6mm和15mm。(4)疲劳加载试验及最后静拉伸试验后,锚具弹性模量疲劳试验断丝/丝疲劳后静载破断力/kN标准要求实测结果标准要求实测结果4565445645304600461151885217032341.96×10553.65无异状,螺母能用手在锚

15、具上自由拧动,中间PE护套也无破损。(5)实型试验索组装件能满足芜湖长江大桥成品索的技术条件要求。5结语2.07×10554.25上述6根索组装件的疲劳试验结果表明,上海浦江索厂和大桥局集团一公司郑州索厂制造的试验索均能满足芜湖长江大桥成品索技术条件要求。4.4313×<7mm实型索组装件试验4.4.1试验索313×<7mm试验实型索组装件由上海浦江缆疲劳应力幅250MPa桥梁用大吨位斜拉索的开发成功,证明我国平行钢丝斜拉索具有更高的技术指标,高强度钢丝的耐疲劳应力幅值由此前的360MPa提高到410MPa,其相关的锚具、高强度钢丝的生产水平得到大幅度的提高,制索工艺进一步完善,为今后大跨度铁路斜