平行钢丝与钢绞线拉索体系比较研究.pdf

CHINA MUNICIPAL ENGINEERING 93 第6期（总第170期） 2013 年 12 月 No.6 (Serial No.170) Dec. 2013 平行钢丝与钢绞线拉索体系比较研究 万 义 辉 （南昌市政公用投资控股有限责任公司，江西 南昌 330000） 斜拉索是斜拉桥的重要组成部分，除必须具有 高强度性能外，还必须具备抗疲劳性能和良好的抗 腐蚀性。 斜拉索制作和施工工艺不断进步，对斜拉桥的 发展作出了重要贡献，对于一般的混凝土斜拉桥， 斜拉索的造价约占全桥总造价的 25% 30%。每 1 根斜拉索包括斜体和两端的锚具两部分，索体承 受拉力，锚具将索力传给主梁和索塔。 目前斜拉索索体均为钢索，它由高强度钢筋、 钢丝或钢绞线按一定的规律编成钢束。钢束必须排 列整齐、规则，每根钢丝或钢绞线受力均匀，钢索 断面紧密，便于穿过预埋管道易于锚固，同时也有 利于防腐。 根据组成钢束的材料，钢索的类型主要有封闭 式钢缆、平行钢筋索、平行钢丝索、钢绞线索及螺 旋钢绞缆等。国内采用较多的斜拉索型式为平行钢 丝索 1-5 和平行钢绞线索 6-82 种。 1 平行钢丝与钢绞线拉索体系基本构造 钢丝索将若干根钢丝平行并拢、扎紧而成，最 外层直接挤裹高密度聚乙烯（HDPE）作防护。钢 丝采用 5 mm 或 7 mm 高强钢丝或高强镀锌钢 丝，标准强度在 1 600 MPa 以上。平行钢丝索一般 配用冷铸墩头锚， 基本的组成构件是锚杯、 定位板、 连接筒、螺母、垫块，最后在锚杯中灌入流动态的 混合填料（见图 1） 。 收稿日期：2013-08-23 作者简介：万义辉（1973），男，高级工程师，本科，主 要从事桥梁工程管理工作。 摘要：斜拉索体系有多种型式，目前国内斜拉桥中平行钢丝拉索及平行钢绞线拉索应用较多。对以上 2 种拉索体 系进行比较，分析拉索经济性、施工便利性、耐久性及可维护性，得出结论。 关键词：平行钢丝拉索；平行钢绞线拉索；冷铸锚；夹片锚 中图分类号：U443.38 文献标志码：A 文章编号：1004-4655（2013）06-0093-03 DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2013.06.029 防腐油脂 外层 HDPE 内层 HDPE 镀锌或环氧涂层 隔离层高强聚酯带 高强钢丝 图 1 平行钢丝拉索索体截面示意 钢绞线索由单根镀锌或环氧喷涂钢绞线热挤聚 乙烯护套组成，钢绞线的标准强度达 1 860 MPa。 钢绞线索可以是平行成束，也可以扭绞一定的角 度成为半平行钢绞线索。整索束的外层是双层同 步挤压成型的高密度聚乙烯防护套管形成自由伸 缩段，两端配有单根锚定夹片式张拉端锚具和固 定端锚具，另外还包括预埋导管、锚垫板、夹片、 套管、钢锥管、保护盖帽、定位器，最后进行单 根钢绞线防腐。平行钢绞线拉索索体截面示意见 图 2。 HDPE 外护套管 HDPE 护层 单根防护钢绞线 油脂或蜡 镀锌或环氧 喷涂钢绞线 图 2 平行钢绞线拉索索体截面示意 2 斜拉索体系比选 平行钢丝斜拉索和平行钢绞线斜拉索均有各自 的优缺点，分析和对比如下。 94 2013 年第 6 期 2.1 索体制作与安装 平行钢绞线斜拉索体系与平行钢丝斜拉索体系 比较，具有索体结构、制作与安装、安装设备的不 同。 平行钢丝拉索一般在工厂内制作完成，根据设 计长度精确下料，并在两端灌注锚具、经超张拉检 验后制成成品拉索。 平行钢绞线拉索单根锚定夹片式张拉端锚具、 固定端锚具，以及配套的部件事先在工厂预制完 成，单件重量较轻，高密度聚乙烯防护套管在工厂 根据运输要求制成相应长度，运到施工现场后结合 安装长度要求进行焊接。钢绞线根据运输要求及施 工现场的起吊条件成盘，索盘直径小，没有平行钢 丝拉索运输要求高。 由于平行钢丝拉索在工厂事先制作为成品索， 故整根斜拉索重量大，安装时起吊困难，施工过程 中安装工作进度缓慢。平行钢绞线拉索可以单根进 行安装，操作简便，但现场工作量大，受风雨恶劣 天气影响严重，挂索时间长。 2 种体系安装设备比较见表 1。 表 1 2 种体系安装设备比较 安装设备平行钢丝拉索平行钢绞线拉索 主要起重 设备 大吨位地面运输平车、大吨位 龙门行车、大吨位垂直提升架、 大吨位桥面凹型平板车、8 50 t 卷扬机、塔吊 8 t 汽 吊、1 5 t 卷 扬机、塔吊 2.2 索体张拉与调索 平行钢丝拉索张拉与调索必须采用大吨位群锚 千斤顶，由于千斤顶自重较大，故操作困难，对起 吊的设备或吊装工具要求也高。 平行钢绞线拉索是单根安装的，因此可以进行 单根张拉与调索，也可以进行单根张拉整体调索， 单根张拉的设备轻便、体积小、操作简单。一般建 议单根张拉后进行整体调索。 2 种体系张拉设备及安装时间比较见表 2。 表 2 2 种体系张拉设备及时间比较 张拉设备 及时间 平行钢丝拉索平行钢绞线拉索 张拉设备 600 t、900 t、1 200 t 千斤 顶，自重分别为 1 480 kg、 1 510 kg、2 050 kg 16 t、250 t、550 t、900 t 千斤顶。自重分别为 15 kg、 300 kg、826 kg、1 150 kg 安装时间 同等索力情况下，挂索时 间比钢绞线挂索时间短 同等索力情况下，挂索时 间比钢丝挂索时间长 2.3 索体防护与防腐 平行钢绞线拉索防护的特点有以下几方面。 1） 钢与钢之间不接触，有很高的抗疲劳性。 2） 安装简单，容易更换。 3） 从工厂到工地能永久得到保护。 4） 任何时候可以逐束检查、调整索力。 平行钢丝拉索为热挤聚乙烯防护层，由于聚乙 烯 （PE） 防护层在索两端锚杯中复合填料紧紧握裹， 当日照使拉索发生温度变化时，钢丝与聚乙烯 2 种 材料的热膨胀系数不同，聚乙烯防护层无法纵向延 伸，只有向径向发展，造成聚乙烯防护层表面产生 龟裂现象，影响防护效果。 另外，由于工厂制作时聚乙烯为热挤成型，加 工温度达 200，当温度降到 100时，聚乙烯开 始凝固，在聚乙烯温度降到常温时，聚乙烯冷缩会 在平行钢丝内部产生残余应力。 而平行钢绞线拉索，由于防护套与内部聚乙烯 防护套之间可自由滑动，因此日照产生的热胀冷缩 仅发生在外部 HDPE 防护套上，不会使平行钢绞 线拉索体系的防护套产生应力。 在生产过程中，聚乙烯降温发生收缩，由于平 行钢绞线外覆油脂或蜡，钢绞线可自由滑动，因此 不会在钢绞线内部产生残余应力。2 种体系防护比 较见表 3。 表 3 2 种体系防护比较 拉索名称防护方式 平行钢丝拉 索 钢丝镀锌或环氧涂层 + 整体索外热挤聚乙烯（PE） 防护层 =2 层防护 平行钢绞线 拉索 钢绞线镀锌或环氧涂层 + 油脂或蜡 + 单根钢绞线热 挤聚乙烯（PE）防护套 + 整索束外包双层同步挤压成 型的高密度聚乙烯（HDPE）防护套管 =4 层防护 2.4 锚头防护 平行钢丝拉索采用冷铸镦头锚，在工厂与索体 一起安装然后运至工地，质量有保证。其主要问题 是，由于镦头锚本身的构造原因，聚乙烯防护层是 位于镦头锚内部的，一旦聚乙烯防护层在运营过程 中发生龟裂，而防水罩又易在振动下失效，则雨水 或水汽将从聚乙烯防护层破损处进入索体，并沿着 索体进入镦头锚，进而引起锚头的锈蚀和失效。国 内已建斜拉桥已有不少由于镦头锚被水锈蚀而更换 斜拉索的工程案例。 平行钢绞线拉索采用夹片式锚具，外层的 HDPE 防护套管外包预埋管，因此雨水不会进入索 体内部。由于夹片式锚具的防护油脂对锚头的耐久 性起着非常重要的作用，因此需选择优质耐久的油 万义辉：平行钢丝与钢绞线拉索体系比较研究 95 2013 年第 6 期 脂材料对锚头进行封闭防护。 2.5 索体更换及运营期检测 平行钢丝拉索体系换索（只能整体换索）需要 在大桥中断交通或部分封闭交通的情况下施工，施 工采用的大型起吊设备和安装设备笨重，操作难度 大。 平行钢绞线拉索的换索（可以单根换索）使用 的设备均为轻便设备，操作简便，可以在不影响大 桥正常运营的情况下施工。 平行钢丝拉索体系均为整束拉索，配置的传感 器规格较大，价格较高。平行钢绞线拉索可在整束 拉索中选择几个单根钢绞线安装传感器，传感器规 格较小，将降低价格。 2.6 经济性 拉索费用由材料费、制造费、安装费、运输 费等组成。假设采用7 mm 镀锌钢丝总用量为 1 000 t，比较7 mm 镀锌钢丝、镀锌钢绞线、环 氧涂层钢绞线三者的材料强度级别、材料损耗及材 料费用等情况见表 4、表 5。 表 4 材料强度级别与材料损耗比较 拉索名 称 拉索材料 材料 损耗 率 /% 强度级 别节省率 /% 实耗材 料重量 /t 平行钢 丝拉索 镀锌钢丝：7 mm，1 670 MPa901 090 平行钢 绞线拉 索 镀锌钢绞线： s15.2，1 770 MPa312906 环氧涂层钢绞线：s15.2，1 860 MPa318855 表 5 材料费用比较 材料名称出厂单价 / 元t-1实需材料重 /t金额 / 万元 镀锌钢丝15 0001 090 1 635 镀锌钢绞线16 000906 1 450 环氧涂层钢绞线14 500855 1 240 制造费 ： 平行钢绞线体系锚具比平行钢丝体系 锚具价格贵。 安装费 ： 2 种体系相当。 运输费用 ： 在同等距离下，平行钢绞线体系比 平行钢丝体系锚具便宜，但由于运距不确定，故无 法定量比较。 综合比较，按 1 000 t 斜拉索计算，平行钢绞 线体系比平行钢丝体系价格便宜 5% 15%。 2.7 综合比较 平行钢丝拉索与平行钢绞线拉索体系综合比较 见表 6。 表 6 平行钢丝拉索与平行钢绞线拉索体系比较 项目平行钢丝拉索平行钢绞线拉索 材料强度1 670 MPa1 860 MPa 受力均匀 性 在工厂内整体制造，索股 内钢丝整体扭绞成索，均匀 性佳 单根张拉调索或单根张 拉整体调索，均匀性劣于平 行钢丝拉索 抗疲劳性佳佳 现场工作 量 产品以成品方式提供，整 束挂索张拉，1 次完成张拉， 现场工作量较小；整索自重 较大，张拉设备较笨重 单根张拉调索或单根张 拉整体调索，现场工作量较 大；单根索自重小，张拉设 备较轻便 下料精度要求高要求低 防护 索体具有 2 层防腐；多次 运输、编索过程对镀锌层或 环氧涂层造成局部损坏，降 低了防腐性能；PE管易龟裂， 导致索体内部和锚头腐蚀 索体具有 4 层防腐；每 根钢绞线外有 PE 防护套， 在运输和编索过程中起到 有效保护钢绞线的作用； HDPE 外套管不易破损 锚头 冷铸镦头锚，锚固性能可 靠；需注意锚头进水锈蚀问 题 夹片锚，需注意松脱和 滑丝；锚头防护油脂需选择 耐久性佳者 运输和起 吊设备 需大型运输设备和大吨位 起吊设备 无需大型运输设备和大 吨位起吊设备，运输方便， 设备轻巧 换索 需整束替换，中断交通进 行 可在不中断交通情况下 单根换索 费用略高略低于平行钢丝拉索 3 结语 综合以上分析，平行钢绞线拉索在结构性能、 经济性、施工性、耐久性和可维护性方面都优于平 行钢丝拉索，因此在国内外各座大型桥梁中已得到 广泛应用，尤其是在严重腐蚀性环境工作下的桥梁 之中，具有广泛的发展前景。 参考文献 ： 1 高 宗 余 . 东 海 大 桥 主 航 道 桥 斜 拉 桥 总 体 设 计 J. 世 界 桥 梁 ,2004(S1): 6-9. 2 张喜刚 . 苏通大桥总体设计 J. 公路 ,2004(7): 1-11. 3 王仁贵 , 孟凡超 , 王梓夫，等 . 杭州湾跨海大桥总体设计 J. 公 路 ,2006(9): 1-7. 4 高宗余 . 武汉天兴洲公铁两用长江大桥总体设计 J. 桥梁建 设 ,2007(1): 5-9. 5 李卫华，杨光武，徐伟 . 黄冈公