南沙大桥1960MPa超高强度主缆索股性能分析及应用研究

笔者认为各项性能检测结果满足 1960MPa 等级钢丝主缆索股技术指标要求，并通过实桥应用得出以下结论：（1）通过采用 30t 研发-800t 小批量生产和通条试验相结合的质量考核管理方式严格保证了国产1960Mpa主缆钢丝研发质量的可靠性和稳定性，为大批量生产的1960MPa超高强度钢丝定下了先进合理的验收判定标准（抗拉强度达到 1960MPa 以上，扭转次数达到 14 次以上），奠定了后续 1960MPa 主缆索股成功研发的基础。（2）试制出的国产 1960MPa 超高强度主缆索股均通过了破断力达到公称破断荷载的 95%以上的静载性能试验，并且试验后索股无断丝，铸体及锚杯无异常，满足相关要求，主缆索股静载性能安全可靠且富有余量。

第一章 绪论

1.1 课题背景和研究意义
桥梁一般是指架在水上或空中以便通行的有承载能力的专门人工构造物，后泛指为道路跨越天然或人工障碍而修建的建筑物。桥梁按照结构体系划分，可以分为缆索承重桥（即悬索桥、斜拉桥）、拱桥、梁式桥、刚架桥等四种基本体系，其中悬索桥由于其合理的受力结构、优越的跨越能力和经济性在众多桥型中备受瞩目，是目前跨越能力最强、发展最迅速的桥梁型式。
悬索桥又称吊桥，由主缆、桥塔、锚碇、加劲梁、索夹、鞍座和吊索组成，其结构如图 1-1 所示。简单来说，悬索桥可以看成是大缆系统和加劲梁系统两者的简单组合，大缆系统由缆、塔和锚碇三者组成，其中塔支承大缆使其达到一定的高度，锚碇则是将大缆两端固定住，使缆能受力牢靠；加劲梁则直接承受桥面活荷载，大缆和加劲梁之间用竖向的吊索相连接[1]。悬索桥的传力途径一般是桥面荷载先通过加劲梁和吊索传给主缆，再由主缆传给主塔和锚碇最后至地面，因此，悬索桥主缆在桥梁上的主要作用是承重和传力，是桥梁的主要承重结构。并且由于悬索桥主缆寿命需要与桥梁等同，一般采用不可更换设计，所以主缆又被称为悬索桥的“安全生命线”。

........................

1.2 国内外大跨径悬索桥高强度主缆的应用历史及研究现状
1.2.1 国外大跨径悬索桥高强度主缆的应用历史和研究现状
以钢丝绳、钢绞线和钢丝等钢材为缆索材料的现代悬索桥首先在欧美发展起来，1883 年美国采用钢丝主缆建成主跨为 486m 的布鲁克林（Brookline）桥，该桥被公认为世界上首座现代悬索桥，其主缆钢丝材料强度约为 1200MPa[6]。建于 1909 年的美国纽约曼哈顿大桥，主跨为 1280 米，主缆材料强度为 1370MPa，建于 1937 年的美国金门大桥，主跨 1280m 曾保持世界最大跨度记录长达 27 年之久，其主缆强度为 1400MPa；建于 1957 年的美国麦基诺海峡大桥，主跨为 1158 米，主缆强度约为 1500MPa[7]。
20 世纪 80 年代前，国内外使用的桥梁缆索强度级别主要为 1570MPa。到了上世纪末期，国际上大跨径悬索桥主缆强度基本都达到了 1670MPa，如 1997 年建成的连接丹麦西兰岛和菲英岛的大贝尔特桥（主跨 1624m）。个别桥梁开始采用 1770MPa 的主缆，如 1998 年建造的日本明石海峡大桥主缆首次采用 1770MPa 级φ5mm 系列热镀锌钢丝，降低了主缆的直径，主跨为 1991m 的明石海峡大桥到今天为止仍是世界第一跨度悬索桥，世界记录保持了 22 年[8]。
随着桥梁主缆索股技术的进一步发展，到了本世纪，国际上悬索桥缆索钢丝的强度开始向 1860MPa 迈进。2013 年建成的韩国李舜臣大桥是跨度为 357.7m+1545m+357.5m的三跨悬索桥，全长 2260m，采用了 1860MPa 的锌-铝合金镀层钢丝作为主缆材料[9]。与此同时，韩国也开始了桥梁用 1860MPa 以上高强度钢丝主缆索股的推广应用，2014年建成的主跨 1150m 的蔚山大桥采用了 1960MPa 主缆索股[10]。近年来国外悬索桥主缆强度发展趋势如图 1-3 所示。

...........................

第二章 南沙大桥 1960MPa 超高强度主缆钢丝通条性能研究

2.1 南沙大桥 1960MPa 主缆索股研发
2.1.1 南沙大桥坭洲水道桥项目简介和主缆设计标准
南沙大桥（原虎门二桥）工程项目是广东省高速公路网规划中连接广州和东莞的重要东西向通道，路线起于广州市南沙区东涌镇，止于东莞沙田。全线均采用桥梁方式建设，全长 12.886km，设置跨江特大桥两座，分别是采用主跨 1688m 双塔双跨悬索桥的坭洲水道桥，采用主跨 1200m 双塔单跨悬索桥的大沙水道桥。项目采用双向八车道高速公路标准，设计时速为100公里每小时，设计荷载等级为公路－Ⅰ级，桥梁宽度40.5m，设计洪水频率为特大桥 1/300，地震动峰值加速度为 0.08g，设计基准风速 V10=34.4m/s。项目批复概算 111.8 亿元，工期 5 年。南沙大桥于 2013 年 12 月 28 日动工建设，2018年 11 月 20 日完成合龙，2019 年 3 月 29 日完成交工验收，2019 年 4 月 2 日建成通车。南沙大桥是粤港澳大湾区核心区的重要过江通道，对于缓解虎门大桥交通压力、实施广东省《珠江三角洲地区改革发展规划纲要》将起到至关重要的作用，同时也是《粤港澳大湾区发展规划纲要》颁布后首个通车的“超级工程”。南沙大桥鸟瞰图如图 2-1 所示。

......................

2.2 1960MPa 锌铝合金镀层主缆钢丝通条性能研究
2.2.1 1960MPa 悬索桥主缆钢丝通条试验研究的必要性和方法
悬索桥主缆钢丝的力学性能、工艺性能如强度、弹性模量、扭转、镀层均匀性和抗疲劳等性能在很大程度上影响着主缆性能，特别是结构性能，可见 1960MPa 超高强度钢丝的综合性能是 1960MPa 主缆索股质量的关键，根据研发试验经验，在钢丝的力学性能中强度和扭转是超高强度钢丝综合性能中最重要的两个指标。根据大量文献研究表明，国内外钢丝加工生产线长期存在强度波动值较大、扭转值偏低及通条性能不均匀等问题，因此很多高档次的线材制品仍需进口[36-37]。
为了保证 1960MPa 主缆钢丝研发质量的可靠性，通过参考国内外钢丝研发相关资料[38-39]，结合“30t 研发—800t 小批量生产—大批量生产”的科研试制过程制定了保守可靠的通条试验质量验收方法：（1）在研发试验确定选用盘条和钢丝加工工艺的基础上，首先研制出 30t 合格钢丝，任意抽取 10 盘钢丝，分别取连续 30 根试样进行强度和扭转试验；（2）在 30t 试制合格的基础上进行 800t 钢丝小批量生产，任意抽取 10 盘钢丝，分别取连续 30 根试样进行强度和扭转试验；（3）在 800t 小批量生产合格的基础上才可以进行大批量生产，并正式确定 1960MPa 超高强度钢丝验收标准。
桥梁缆索钢丝扭转值历来是一个较难满足并且有争议的指标，现行桥梁缆索钢丝标准规定是不得小于 8 次，但国外少数国家已经提出了扭转强度不得低于 14 次的高标准，这也给南沙大桥 1960MPa 主缆钢丝“国际领先”的目标带来验收判定标准的争议。鉴于课题在 2013 年开始的时候 1960MPa 超高强度钢丝只在国外比如韩国、日本有极少的科研应用，并无研发借鉴资料，国内各厂家都是在从无到有中摸索钢丝工艺，并且新工艺需要经过一定时间的调试才得以稳定等原因，南沙大桥经过慎重考虑，针对 1960MPa钢丝提出了扭转≥14 次的目标值，并增加了扭转指标和强度指标接受通条试验检验考核的方法，确保国产 1960MPa 钢丝“国际领先”。
..............................

第三章 1960MPa 超高强度主缆索股力学性能研究.................... 22
3.1 1960MPa 主缆索股静载性能研究............................ 22
3.1.1 静载试验目的和参数要求............................22
3.1.2 静载试验分析.......................22
第四章 1960MPa 超高强度主缆索股锚固性能研究.............. 37
4.1 1960MPa 主缆索股钢丝锚固试验研究............................. 37
4.2 1960MPa 主缆索股锚具结构理论计算分析...........................37
4.3 1960MPa 主缆索股锚具有限元分析.............................. 40
第五章 1960MPa 超高强度主缆索股应用研究......................49
5.1 工程应用分析...............................49
5.2 科研成果分析..............................50
5.3 经济效益分析.......................50

第五章 1960MPa 超高强度主缆索股应用研究

5.1 工程应用分析
国产 1960MPa 主缆索股研发成功后，首次成功应用在国内主跨 1688m 的坭洲水道桥上，主缆架设过程顺利（见图 5-1），成桥主缆线形优美（见图 5-2），运营期受力安全平稳（南沙大桥已于 2019 年 4 月 2 日通车）。南沙大桥坭洲水道桥采用 1960MPa主缆索股后不仅节约钢材实现了主缆的轻量化，而且减小了主缆直径，优化了主缆和桥梁结构，相应的塔锚结构、索鞍索夹结构都适当减小，降低了现场主缆架设施工工程量和施工难度，减轻后续施工难度，降低了超大跨径悬索桥的施工运营和管理成本，具有显著的经济效益和社会效益。以下介绍国产 1960MPa 主缆索股在坭洲水道桥的应用效果。

.........................

结论和展望

结论
南沙大桥研制的 1960MPa 高强度主缆索股首次采用国产 1960MPa 等级钢丝，制造了Φ5-127 规格单元索股，开发出了超高强度、抗疲劳、耐久型、施工便利的 1960MPa主缆索股，各项性能检测结果满足 1960MPa 等级钢丝主缆索股技术指标要求，并通过实桥应用得出以下结论：
（1）通过采用 30t 研发-800t 小批量生产和通条试验相结合的质量考核管理方式严格保证了国产1960Mpa主缆钢丝研发质量的可靠性和稳定性，为大批量生产的1960MPa超高强度钢丝定下了先进合理的验收判定标准（抗拉强度达到 1960MPa 以上，扭转次数达到 14 次以上），奠定了后续 1960MPa 主缆索股成功研发的基础。
（2）试制出的国产 1960MPa 超高强度主缆索股均通过了破断力达到公称破断荷载的 95%以上的静载性能试验，并且试验后索股无断丝，铸体及锚杯无异常，满足相关要求，主缆索股静载性能安全可靠且富有余量。
（3）试制出的国产 1960MPa 超高强度主缆索股均通过了应力上限为 0.4Pb，应力范围为 200MPa、200 万次的疲劳性能试验，并且试验后索股无断丝，铸体及锚杯无异常，满足相关要求；经过以上疲劳试验后，其静载破断力仍然达到公称破断荷载的 95%以上。表明 1960MPa 主缆索股疲劳性能安全可靠并具有一定的储备能力，可以推广应用到要求疲劳性能的吊索斜拉索结构。
（4）通过国产 1960MPa 锌铝合金镀层钢丝主缆和锌镀层钢丝主缆（索夹）抗滑移性能对比试验可知，镀锌和锌铝合金镀层钢丝主缆抗滑移力均大于设计规范要求，但同等试验条件下锌铝合金镀层主缆抗滑移能力略小于锌镀层主缆抗滑移力。
参考文献（略）