大型悬索桥高强钢丝主缆索股制造技术研究

2015金属制品行业技术信息交流会论文集大型悬索桥高强钢丝主缆索股制造技术研究游胜意1，张海良2，李刚2，张德勤3，倪晓峰1，周生根1 (1奥盛(九江)新材料有限公司，江西九江332000：2上海浦江缆索股份有限公司，上海200120： 3九江学院，江西九江332000)摘要：研发出抗拉强度2 100肝a，断后伸长率45，扭转18次，松弛率08的中525唧2 060 MPa 镀锌钢丝，自主开发的智能水平收放索技术，预成型索股制造技术解决了施工中的“呼啦圈”等技术难 题，显著提高了索股架设效率和入鞍质量，形成了具有自主知识产权的核心技术16项、研究成果已应用 到舟山西堠门大桥、桃花峪黄河大桥、云南龙江特大桥、美国旧金山一奥克兰海湾大桥上，经济效益和 社会效益显著。关键词：悬索桥；主缆索股；超高强度：智能水平收放索：预成型1高强度缆索现状悬索桥是指以通过索塔悬挂并锚固于桥两端的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁。悬索 桥作为跨越能力最强的桥型，是大跨径桥梁的首选。主缆是悬索桥上部的主要承载结构，是悬索桥的永久构件，悬索桥桥面载荷通过主缆传递到 桥塔。目前国内的悬索桥主缆主要选择PPws预制平行钢丝束(索股)，一根悬索桥主缆由若干索 股组成，索股由若干高强度镀锌钢丝集束而成，索股两端配有锚具，如图1，图2所示。图1悬索桥及其主缆图2索股目前国内外悬索桥主缆索股普遍使用函50 mm系列1 670 MPa、l 770 MPa强度级别的镀锌钢丝，1 860 MPa以上强度级别镀锌钢丝在悬索桥主缆上的应用刚刚起步，2013年建成的韩国李舜臣主缆采用了国525姗1 860 MPa的镀锌钢丝，在建的韩国蔚山大桥设计采用函535唧l 960 MPa镀锌钢丝，在建的洞庭湖二桥设计采用驴525唧1 860肝a镀锌钢丝，在建的虎门二桥设 计采用驴50唧1 960 MPa镀锌钢丝，悬索桥主缆用镀锌钢丝正在向超高强度级别发展。主缆的承载能力和自重是悬索桥跨越能力的关键因素，其强度越高，自重越轻，能使桥梁的 跨度越大，并且相应减少了建桥材料成本。研究表明，在建的虎门二桥坭洲水道桥为主跨1 688 m的双跨悬索桥，采用西50衄1 860 MPa镀锌钢丝主缆后，主缆总质量约30 120 t，相比1 770MPa镀锌钢丝主缆，降低钢丝总质量近3 800 t，同时相应的锚固构造也将有所降低，较大的减 少了材料用量，可降低建设成本约5 000万元，如果采用1 960 MPa镀锌钢丝，可降低建设成本 1亿元以上，具有良好的经济效益和社会效益。随着悬索桥跨度和缆索用镀锌钢丝强度级别的提高，也增大了主缆索股编索的难度”。，特生产工艺技术研究别是大桥现场施工时的主缆索股架设过程中的“呼啦圈”现象和主缆索股整形入鞍操作困难及操 作时间长，已成为桥梁建设的2大技术难题。2悬索桥高强钢丝主缆索股制作工艺21悬索桥用高强钢丝生产工艺流程 悬索桥用高强度钢丝以优质高碳钢盘条为原料，采用的生产工艺：盘条一酸洗一高压冲洗一磷化一皂化一烘干一拉丝一放线一脱脂一酸洗一助镀一烘干一热镀锌一冷却一收线一光整一工 字轮放线一第一张紧一整形一中频加热一控冷一第二张紧一牵引一倍尺分盘一左右旋收线一打 捆一包装一入库。悬索桥用高强钢丝一般选用函5O咖系列镀锌钢丝，每个桥梁设计选用的镀锌钢丝直径大 多不一样，悬索桥常用的镀锌钢丝直径有50、510、525、535，也有采用520、533、570、 580等，个别桥梁甚至采用更大直径的镀锌钢丝，如武汉杨泗港大桥，计划采用622彻1 960 肝a镀锌钢丝作为悬索桥主缆材料。悬索桥主缆高强钢丝用盘条选用优质高碳钢盘条，主要采用桥梁缆索钢丝用热轧盘条，国内 主要有QS82Mn、QS87Mn、QS92Mn、B82MnQL、B87MnQL、87SiQL、90SiQL，国外的主要有S82BM、 S87BM，S92AM、S97AM，盘条直径一般为11135姗。目前盘条的强度越来越高，如我们采购的 日本盘条135衄S97AM热轧盘条最高强度可以达到l 560肝a，断面收缩率达到35，盘条 的金相组织较好，如图3、图4所示。图3组织偏析形貌图4基体组织形貌研究表明，制造1 8602 060肝a强度级别镀锌钢丝主要有如下3大难点。 211盘条的焊接性能差生产过程中碳质量分数为087097微合金盘条焊接非常困难，盘条或钢丝接头在拉拔、 镀锌、稳定化处理过程中容易断头。通过反复试验，找出盘条焊接的最佳焊接参数和回火温度， 并采用全气缸微机焊接设备较好地解决了盘条焊接这一技术难题。 212高强度镀锌钢丝扭转值波动由于悬索桥用镀锌钢丝的生产工序多，在生产过程中影响镀锌钢丝扭转性能的因素也多，特 别是镀锌钢丝强度越高，对拉拔、镀锌、稳定化工艺参数非常敏感，稍有控制不当，就会造成钢 丝扭转值的波动很大，造成成品扭转值达不到高扭转的要求，因此生产过程中应该严格控制工艺 参数的稳定，使镀锌钢丝达到高扭转值交货。213倍尺和直径精度的控制悬索桥主缆用镀锌钢丝是根据悬索桥主缆长度按照其倍尺进行交货的，如每盘镀锌钢丝长度2015金属制品行业技术信息交流会论文集为主缆长度的8倍尺，再加上编索时剪断留有一定的长度余量来计算出来的，由于镀锌钢丝生产 工序多，每个工序对长度控制不当，都会造成最终成品钢丝的长度达不到倍尺要求，使镀锌钢丝 的成材率下降。另外每根主缆索股都是若干根镀锌钢丝组成的。如127丝规格索股要求镀锌钢丝 交货时分成左旋64盘(或63盘)右旋63盘(或64盘)，这样编索时通过左右放线聚拢在一起 成127根丝，并且要求127根丝平均直径控制在001 m，因此对于生产时必须控制好成品镀 锌钢丝的直径精度，否则达不到上述要求。课题组通过成立统计组，对每道工序的长度、直径进 行记录核对，并由调度统一安排各工序生产计划，通知保证生产过程中有条不紊的生产，交货成 品钢丝达到大桥要求的倍尺长度和直径精度要求。22主缆单元索股制造工艺流程 根据高强钢丝主缆索股的特点，制定了详细可行的索股制作方案，具体制作流程如图5所示，标准长度钢丝制作如图6所示。鑫制作定位标志钢塞I亭乎譬警璧塑笺_悫叁壅竺墅孕警警 。t。每瓣翻垂二熔化制作标准长度钢丝i喘瓢F函逸 _粤?二竺篓墨_包装粪_出厂预热it锚具铸渤口工务 探伤图5主缆单索股制作工艺流程图分丝桨压紧装置定形装置牵引机绕包机紧策装置托轮导向架成圈图6标准长度钢丝制作工艺流程23主缆索股生产工艺流程 主缆索股制造主要是标准钢丝的制作，索股的编制，包括标准钢丝的定位，索股的成型，钢丝进入放线盘放线，穿丝、合并、牵引、绕包、成圈、切割、制锚(含分丝、清洗钢丝、浇铸、 风冷却)、反顶、包装等工序H3，具体流程如图7所示。生产工艺技术研究鞫冒嘈簿暨钿眇图7主缆索股生产工艺流程3悬索桥主缆索制造技术研究31悬索桥主缆用镀锌钢丝性能研究 悬索桥主缆用镀锌钢丝主要从盘条的选择、盘条表面处理、拉丝、热镀锌、光整、稳定化处理5个方面进行相关研究哺1。从日本、英国、韩国以及国内的宝钢、沙钢、青钢采购各种微合金高碳钢盘条，进行生产悬 索桥主缆用镀锌钢丝试验，从盘条的检验和生产情况综合分析来说，日本新日铁的高碳钢盘条综 合性能最好，但国内生产的盘条也有大幅度的提高，部分产品接近或达到日本新日铁盘条水平。 对于不同的镀锌钢丝产品应根据所要求的综合性能来选择不同牌号、不同规格的盘条，必须进行 盘条生产镀锌钢丝的小批量试验成功后，才能大批量投入生产。盘条表面处理的关键是磷化处理，必须保证磷化的温度、时间、游离酸、总酸度在一定的工 艺范围内，磷化膜的厚度也不能太厚，另外盘条在生产和转运过程中的防擦伤也很重要，否则会 影响钢丝的综合性能，特别是扭转性能。钢丝的拉拔是一种复杂的冷加工过程、拉丝过程中的工艺设计、拉拔速度、钢丝的表面质量、 冷却条件、润滑条件、盘条表面处理质量都会影响钢丝的综合机械性能。热镀锌的主要目的是提高产品的防腐性能，因此要想办法提高镀锌钢丝的锌层质量，同时要 选择合理的镀锌温度、速度、浸线长度、擦抹方法、冷却方法，来保证镀锌钢丝的综合机械性能。 钢丝通过热镀锌后，钢丝的强度会下降28，为了使镀锌钢丝得到高强度指标，钢丝镀锌 后进行光整加工是一种有效的途径。光整的关键是要选择合理的模具、光整速度、光整的压下量，保证光整后镀锌钢丝的表面质量达到工艺要求。镀锌钢丝的稳定化处理主要是提高产品的直线性、松弛性能和韧塑性。稳定化处理的关键是 加热温度、生产速度、张力、冷却、整形参数的控制。在保证产品的高强度同时，具有良好的韧2015金属制品行业技术信息交流会论文集塑性，尤其提高扭转值一直是镀锌钢丝生产的最重要课题。公司研发的525衄2 060 MPa镀锌钢丝经国家金属制品质量监督检验中心检验，结果见表1。表1525咖2 060胛a镀锌钢丝主要技术参数检测结果32悬索桥主缆索股锚固性能研究 锚具是把悬索桥主缆索股索力传递给锚碇预应力系统的主要结构，锚具尺寸大，安全系数也大，但锚具过大会造成材料浪费，而且影响结构外观。一般锚具直径是索体外径的253倍， 锚具锥体高度是索体外径的45倍，对于超高强度等级的主缆索股值可适当偏大，以满足强度 要求为准1。对于主缆索股的锚头，应具有合格的结构尺寸，足够的强度和硬度，即使在钢丝的极限破断 载荷作用下，锚具也不能够破坏失去锚固作用，不能使楔形合金浇注锥体破坏变形而导致失效， 更不能使钢丝从合金椎体中拔出。设计悬索桥主缆悬股锚具结构尺寸需根据以下参数确定：(1)锚具内锥腔(合金铸体)的有 效长度，主要是锚具内钢丝的锚固长度应满足锌铜合金与钢丝的握裹长度要求，同时须考虑高强 钢丝的有效锚固系数。(2)锚具内腔锥形面的母线与轴线夹角(也称锚具内腔锥度)，该角度太 小，容易造成索股在顶压后锥体回缩值过大。(3)锚具平均壁厚，须能承担合金铸体引起的压力在 锚杯壁上产生的环向应力。33悬索桥主缆索股抗疲劳技术研究 桥梁结构在行车荷载作用下，将承受加载和卸载，即应力大小将随车辆运行部位而发生变化，无数次应力大小的变化使桥梁结构产生疲劳，且当疲劳损伤达到一定程度时桥梁结构将会破坏。 悬索桥主缆索股的疲劳应力上限和应力幅的确定又与主缆安全系数，活载与恒载比例、索股强度、 主缆二次弯曲应力、主缆寿命等因素有关，而对于大跨径悬索桥，以上几个因素之间又互相影响。 作为悬索桥“生命线”的主缆，主要承受拉力作用，受吊索和索夹力的影响，主缆也承受一 定的弯曲应力，因此，采用PPws法编制高强钢丝的索股使用前应进行静载破断试验，如 函5251271 960 MPa超高强度钢丝主缆索股经工程兵科研一所结构、传动、多波普性能检测试验检测各项指标达到GBT 183652001和JTT 3951999标准要求，检测结果见表2。34智能水平收放索技术研究 在国内外，PPwS主缆单元索股的收卷工艺均采用了利用大直径钢盘收卷，水平排线的传统技术(简称为成盘)，但对于成盘工艺，一般索股长度超过1 500 m，在放线时容易出现“呼啦圈” 现象，严重时直接影响到现场施工进度和索股质量，智能水平收放索工艺技术较好的解决了“呼2015年生产工艺技术研究71智能水平收放索装置是对钢丝索股水平收放束方法的改进，原来放索过程中对油压机和电动 机采用手动操作方式，耗费人力资源且操作极其不便，数据不能保存。为了提高效率，减轻操作 人员的工作强度，对原有人工控制方式进行再次开发，使用PLc控制，删I系统进行监控人机界面控制，系统中的所有设备状态和测量数据都能得到显示，数据还可以保存和形成报表，智能收 放索装置系统架构如图8所示。操作更简单、方便、整个过程实现自动化控制，大大提高了工作 效率，为特大跨径悬索桥试验PPwS架设主缆索股技术提供了技术支持，智能水平放索方法获 国家发明专利授权。35预成型索股制造技术研究 悬索桥桥面的载荷通过主缆传递到桥塔，悬索桥的桥塔顶端一般设置主索鞍与主缆接触，并与主缆形成位置固定的关系，为增加主缆与主索鞍之间的接触面积，主缆索股在主索鞍内一般被 整形成矩形的索股。索股由六边形被整成矩形的过程一般都是在悬索桥桥塔顶部进行。目前工厂 提供的索股一般都是六边形状态，需要由工人在桥塔顶部进行整形操作。索股现场整形入鞍过程需要操作工人散开索股，重新编丝、整方、入鞍等工作，但是由于现 场条件有限，此项工作相当困难，而且现场操作不当会对钢丝的损伤非常大。为保障主缆索股质 量，公司开发了主缆预成型索股制造技术，可以在编制索股时将主索鞍、散索鞍段索股在工厂内 预制成矩形段，依托工厂的工装设备保障了索股钢丝不受损伤，这样在现场架设主缆索时就可以 直接入鞍，提高了索股的架设质量和效率。制作预成型段时首先将索股按编号挑丝成四边形截面， 然后放入插片模、收口模；经收口后，将预成型段用锯齿形夹具定型，安装定型夹箍并缠绕包带， 整型轮将布置在收口模后，整形轮的使用将保证索股编制成矩形后钢丝之间的截面形状保持完 整，并且钢丝之间的平行度及预成型效果更佳，矩形索股直接入鞍如图9所示。仿悬索桥主缆 索股的预成型方法和仿悬索桥主缆线性单元束股的预成型牵引机构2个生产技术均获国家 发明专利授权。父T一一 、。鬣：|I一丁i曼q 口一I ， 了、tIr裂 江k下 一，如_ 一一I土一图8智能放索装置系统架构图示图9矩形索股直接入鞍722015金属制品行业技术信息交流会论文集2015年项目的主要研究成果已应用到国内外许多大型悬索桥上，如舟山西堠门大桥(世界第二)、 河南桃花峪黄河大桥(世界主跨最长的双塔自锚式悬索桥)、贵州坝陵河大桥、云南龙江特大桥、 美国旧金山一奥克兰海湾大桥(世界主跨最长的单塔白锚式悬索桥)等世界级悬索桥上，取得了 良好的经济效益和社会效益。4结论(1)选择合理的微合金高碳钢盘条可以生产出合格的悬索桥主缆用高强度镀锌钢丝，但超 高强度镀锌钢丝生产过程中控制不当会使生产效率和产品成材率大幅下降，而且超高强度高碳钢 盘条大批量稳定生产也是我国必须解决的课题。(2)智能水平收放索技术很好的解决了“呼啦圈”问题，显著提高了索股架设效益和索股质量。(3)开发出适用于悬索桥主缆索股的预成型索股的编制技术，并形成预成型索股制造及入 鞍施工技术，提高了索股架设效率和入鞍质量。(4)悬索桥主缆索股制造正在向超高强度发展，目前我国已研发出函50127一1960肝a、 函5251271 960 MPa、函535127一l 960 MPa、函6221271960 MPa等超高强度钢丝主缆索 股，制造技术已达到国际先进水平，部分