南京长江第二大桥南汊桥斜拉索制作和防护的质量控制

　　摘要：本文详细阐述了平行钢丝索工厂制作、现场修补和永久防护的质量控制的方法。通过对斜拉索的技术特点和施工方法的分析。提出在斜拉索创作、修补及防护过程中容易出现的质量问题和质量控制的要点。
　　关键词：斜拉索 制作 修补 防护 质量控制
　　一、引言
　　在历史上，初始的斜拉索曾采用铁链、铁连杆来制作拉索，但这种做法，在当今已完全不可取。现代斜拉索全部使用高强度钢筋、钢丝或钢绞线制作拉索。当代斜拉桥对拉索的要求更高，几乎一律使用高强度的钢丝或钢绞线制作拉索，轧制的粗钢筋已被淘汰。拉索的防护手段，随着材料和工艺的进步，也日趋简单有效。经过数十年的不断创新和淘汰，目前我国常用的拉索系统主要有以下两种，一种是用热挤高密度聚乙烯（PE）防护的平行钢丝索配以环氧冷铸墩头锚系统，另一种是用热挤PE防护的单股绞线组成平行的绞线索，两端用不同于一般预应力钢绞线的特殊的夹片锥形成群锚系统。在这两种斜拉索中，我国绝大多数斜拉索采用的是平行钢丝索。
　　70 年代，由前联邦德国Leonhardt教授和瑞士的BBR公司研制的HiAm（High Amplitude）耐高应力幅锚具问世。由于这种锚具具有很高的抗疲劳能力，日本在引进了BBR公司的HiAm锚具的同时，进一步发展了平行钢丝索的生产技术，热挤PE防护的平行钢丝索就是首创于日本．我国在修建东营黄河桥时，首次从日本进口了这种拉索。在我国的斜拉桥建设中，早期拉索均在施工现场手工制作，经过各方位或努力，已逐步走上了机械化、专业化、工厂化制索的道路。现在，设计单位只要很畅设计需要，选用合适规格型号的拉索和锚具，就可直接到工厂订货。
　　平行钢丝索是将若干根钢丝平行并拢，同心同向作轻度扭绞，扭绞角2° ～4°，再用包带扎紧，最外层直接挤裹PE护套作防护，这种索挠曲性能好，可以盘绕，具备长途运输的条件，宜于在工厂中机械化生产。目前平行钢丝索普遍使用φ5或φ7钢丝制作，要求钢丝的抗拉强度不低于l600MPa.斜拉索防腐问题，从斜拉桥诞生起就一直是人们关注的问题，脱胎于
　　电线技术的热挤PE 防护的方法至今已经历了二十余年的考验，至今还没有发现什么问题。每一根斜拉索，都包括钢索和锚具两大部分。平行钢丝索由于可以在工厂内制作并配装锚具，不仅质量得到保证，而且极大地简化了施工现场的工作。冷铸墩头锚是在锚杯锥形腔的后部设一块钢丝定位板，钢索中的钢丝通过锚杯后，再各各穿过定位板上的对应孔眼，墩头就位，锚杯中的空隙，用特制的环氧混合料填充，环氧固化后，即和锚杯中的钢丝结合成一个整体。环氧混凝合料中必须加入锈钢丸，铸钢丸在混合料中形成承受荷载的构架，使钢丝获得锚固。由于环氧混合料的固化温度不超过180℃，相对于450℃高温下浇注的热铸锚而言，就被称为冷铸锚，由于钢丝的末端均被墩粗，所以称这种锚具为冷铸墩头锚或冷铸锚。
　　配装冷铸锚的拉索具有优异的抗疲劳性能，其耐疲劳应力幅达到200～250MPa，完全能满足斜拉桥的要求。本世纪最大跨度的斜拉桥——主跨890m的多多罗大桥就是用394丝φ7的平行钢丝索。
　　本文结合南京长江第二大桥南汊桥斜拉桥制作和防护的监理工作，详细阐述了平行钢丝索工厂制作、现场修补和永久防护的质量控制的方法。通过对斜拉索的技术特点和施工方法的分析，提出在斜拉索制作、修补及防护过程中容易出现的质量问题和质量控制的要点。
　　二、工程概况
　　南京长江第二大桥南汊桥横跨南京市和八卦洲岛之间的长江江面，是一座双索面五孔连续钢箱梁斜拉桥，中跨628m，边跨246.5m＋58.5m.索塔为上塔柱平行分离的倒Y形混凝土塔，塔总高195.4lm，上塔柱为斜拉索锚固区。主梁采用宽37.2m、高3.5m的扁平全焊钢箱梁。
　　本桥所有斜拉索均为外裹PE 的高强度平行钢丝索，最大拉索钢丝根数为265丝，长335.8m，重24.4t.斜拉索采用空间双索面扇形索布置，全桥共160根索，主梁上标准索距为 15m，辅助跨为12m，斜拉索在塔上的锚固间距为1.75～2.5m.斜拉索采用直径7mm的高强度低松弛镀锌钢丝，钢索断面呈正六角形紧密排列，经左旋轻度扭绞而成，两端配以冷铸锚，一端为固定端锚具，另一端为张拉端锚具，塔端为张拉端，梁端为固定端。全桥斜拉索共有五种类型，与斜拉素类型对应，冷铸锚有五种规格，分别为：LM7-139、LM7-163、LM7-199、LM7-241、LM7-265，全桥共用冷铸锚具320套。斜拉索的防腐设计为内层黑色PE、外层白色PE，在斜拉索制作过程中一次热挤成形，黑色PE采用德国进口材料，彩色PE为进口原料，国内混料加工造粒。接拉索规格不同，黑色PE的厚度由7.4～9.2mm不等，灰白色PE厚度均为2.5mm.为了减轻斜拉索的振动，在塔上设置减振橡胶块，在梁上设置减振阻尼器。
　　南京长江第二大桥建设指挥部委托铁道部科学研究院工程监理部为南京长江第二大桥斜拉索制作和防护工程的监理单位。
　　三、原材料的质量控制
　　1.高强镀锌钢丝
　　制造斜拉索的钢丝的尺寸、外形、重量、力学性能以及化学成分的要求应符合《桥梁缆索用热镀锌钢丝》（GB/T17101-1997）的规定，在交货的成品钢丝中，不得有任何形式的接头。南京长江第二大桥南汊桥成品钢丝技术指标。
　　在高强度镀锌钢丝生产过程中，监理工程师对盘条的力学性能和化学成分试验、钢丝生产过程及制造厂家成品钢丝各种性能指标的自检进行旁站。同时，在生产现场按20％的频数对钢丝的全部性能指标随机进行监理平行检验，全桥共用钢丝2060.72t、2097盘，监理工程师对497盘钢丝进行了检验，有36盘被判为不合格产品。
　　2.冷铸锚具
　　斜拉索冷铸锚的锚杯和螺母采用35CrMo锻钢，锚具在表面镀锌前必须逐个按《锻轧钢捧超声波检验方法》（GB/Tl4162-91）B级探伤。规格相同的锚具部件，应具有互换性。
　　锚杯和螺母的制作工艺是按下列程序进行的：下料→锻造→粗车→热处理→超声波探伤→精车→钳作→磁粉探伤→镀锌→检验→成品入库。从下料到超声波探伤这些工序是在锻件供货单位——上海动力设备有限公司锻造分厂进行的，其余各工序则在上海浦东缆索有限公司完成。上海浦江缆索有限公司对锻件首先进行材质分析和机械性能试验，而后再进行超声波探伤。在生产厂家超声波探伤合格的基础上，监理工程师按20％的频数进行超声探伤的平行检验，本项目包括试验索用锚具其326套，监理随机抽检121套，全部合格。
　　3．其他材料
　　监理工程师对PE、冷铸填料、密封料、绕包带的质保资料进行审查，同时对PE的各种材料试验进行旁站。
　　四、斜拉索制作的质量控制
　　1．斜拉索的试制和试验
　　斜拉索在成批生产前，应就材料、配方、工艺和制作程序进行试制，并进行静载试验。试验如达不到合格标准，应分析查明其原因，检验材料质量，采取相应的调整工艺的措施，重新进行试验，直至符合规定要求。在静载试验中，主要考查斜拉索的破断荷载、破断延伸率和抗拉弹性模量。由于各根单丝的强度很难完全相同，斜拉索的拉力，也不一定正好均匀分配给各根钢丝，一旦索中钢丝开始断裂，斜拉索的强度也就达到极限。所以，斜拉索的破断荷载不可能等于索中各根钢丝拉力的总和．即斜拉索的实际破断荷载总是稍低于公称被断索力，此处公称破断索力为斜拉索公称截面和钢丝标准强度的乘积。实际破断索力和公称破断索力之比，称为斜拉索的效率系数。斜拉索的弹性模量，受索中各根钢丝集合形式的影响。平行钢丝索是由若干单丝集合绞制而成，斜拉索受拉后，除索中单丝的弹性伸长外，还有集合构造的变形，因此，平行钢丝索的弹性模量，普遍低于单丝的弹性模量。由于平行钢丝索单丝集合的构造比较简单，扭绞角不超过4°，所以．其弹性模量不低于单丝弹性模量的95％。
　　本项目一共做了3 根斜拉索的静载试验，试验索的规格分别为φ7*139、φ7*199、φ7*265.试验索的制作满足《斜拉桥热挤聚乙烯拉索技术条件》（JT/T6- 94）和设计图纸的要求，试件的自由长度（不包括锚固长度的钢丝长度）不短于3m.对于静载试验索，其被断荷载应不小于组成斜拉索的钢丝标称破断荷载的 95％，其静载破断延伸率应不小于2％，抗拉弹性模量应不小于190000Mpa，斜拉索经试验应在钢索部分破断，不得在锚具中拨出，断丝率不大于5%.本项目3根试验索全部技术性能指标都能够满足设计要求。
　　在静载试验成功和制造厂家提交了经国家质检部门认可的由139～265丝φ7组成的钢丝束疲劳试验资料的基础上，监理会同有关人员对“南京长江第二大桥南汊桥斜拉索制造工艺文件”进行了审查。
　　2.斜拉索的制作
　　（1）绞制、绕包、挤塑和切断
　　根据索长进行配长下料，把下料好的钢丝放人储线架，配以一定的牵引速度、绕笼转速及绕包转速进行绞制和饶包。钢丝束应同心左向绞合而成，最外层钢丝绞合角为3° ±0．5°。绕包单层重叠宽度不小于带宽的1/3.斜拉索全部护层厚度偏差控制在（ 1.0，-0.5）mm，外层彩色PE厚度为2.5±0.5mm.在每根索的切断处做切断标记，按切断标记位置进行切割。制成的钢索中应确保钢丝无接头、无机械损伤、符合长度要求及包扎定形要求．防护层不应有断裂、裂纹和刻痕。
　　在这一工序，随着斜拉索直径增大，容易出现两个问题，一个是由于PE自重的影响，PE防护层厚度容易产生局部不均匀、偏心现象。另一个是在统制后和挤塑前，如果生产设备致使斜拉索的回转半径较小，容易产生索股的变形。监理工程师在生产过程中对PE层厚度进行了随机抽查。
　　（2）冷铸锚的铸造
　　注意保证钢丝的墩头质量，墩头不得有横向裂纹。冷铸材料配料应准确，每个冷铸锚的冷铸料在浇铸时必须同时制作三个试件（试件规格30mm*30mm*30mm），试件强度在常温下应≥147MPa.加温固化应严格控制程度、温度和时间。
　　在这一工序的生产过程中，监理工程师重点对钢丝墩头裂纹情况、冷铸料强度和锚具的密封情况进行了随机抽查，在160根索中共抽查了38根索，全部钢丝墩头没有发现裂纹，锚具的密封处理都能够符合设计要求，冷铸料强度的平均值为156.5MPa，但冷铸料强度的离散性较大。
　　（3）预张拉测锚板回缩值和索长
　　使若干根制好锚的斜拉索通过连接部件相连，在拉索两端锚具铸体表面取三个不在同一直线上的点，用深度游标卡尺测其距锚杯端面的深度，作好记录和油漆标记。对斜拉索施加1.4 倍的设计荷载的预张拉完毕后，复测三点标记处的深度，前后差的平均值作为该锚具的锚板回缩值，锚板回缩值应不大于5mm.在超张拉卸载至仅剩20％时，用精度为1／5000的50m钢卷尺．在钢尺的两端施加50N的力，测量拉索长度，再换算为设计条件下的索长，长度偏差ΔL应符合以下规定： ①ΔL≤20mm（索长L≤100m），②ΔL≤0.0002L（索长L＞100m）。
　　在这一工序的生产过程中，监理工程师在制造厂家自检的基础上，对锚板回缩值、斜拉索长度进行了随机抽查，在160根斜拉索中共抽查38根索，斜拉索长度和钱板回缩值全部符合设计的要求，张拉端和锚固端锚板回缩值的平均值分别为1.28mm和1.53mm.
　　（4）成品索包装、上盘和标志
　　索体包装采用尼龙纸 白布防水彩条编织布。斜拉索两端锚具用塑料袋包装后，再用防水彩条编织布包裹。拉索盘绕内径不得小于20倍拉索直径，也不小于1.8m.制成并合格的斜拉索，应按有关规定在指定位置上打上钢印编号并涂以标记。每根斜拉索均挂有标牌，上面注明：制造厂家名称、生产日期、编号、规格、长度和重量。标牌应牢固地系于包装层的两端锚具处。凡质量合格，并经监理工程师签认合格的斜拉索，由厂质检部门与监理工程师共同签发“斜拉索质保书”。
　　五、斜拉索现场修补的质量控制
　　在现场挂索时，一定要注意对斜拉索的保护，本桥在挂索时对斜拉索的损伤主要是将PE 划伤。对于斜拉索PE表面小面积的划伤，深度在3mm以下，用专用焊枪将相同的PE原料覆盖并焊接在损坏处，再用电磨机进行表面处理，使损坏处恢复原有的护层厚度，并使索表面基本恢复原有平整状态。对于比较深、范围较大的损坏，修复面积大于lO平方厘米，深度在3mm以上，采用加热套管进行恢复。施工时，先将相同的PE原料填充在受损部位，然后用加热套管使PE原料热熔补充在损坏的拉索缺口上，热熔完成后仍用电磨机进行表面处理，恢复表面平整。
　　斜拉索修补过程中，应特别注意采用与原索相同色彩、质量合格的PE料进行修补，操作时要注意加热温度，既不能因温度不足而产生夹生现象，更不容许因温度过高而发生材料炭化，修复表面不允许出现气泡。
　　六、斜拉索永久防护的质量控制
　　1.减振
　　斜拉索减振采用较多的办法是用粘弹性高阻尼材料在斜拉索端部钢导管的入口处设置一个附加阻尼支点。粘弹性高阻尼材料是一种合成橡胶，其阻尼值比一般橡胶大4～5 倍。用这种材料制作衬套，嵌在斜拉索和斜拉索钢导管之间构成阻尼支点后，斜拉索稍有振动，阻尼衬套就受到挤压并吸收能量，发挥减振作用。阻尼衬套构造简单，隐藏安装在斜拉索钢导管内，对斜拉索的外观无任何影响。在阻尼衬套安装时，必须注意使阻尼衬套与斜拉索及钢导管之间密贴并且固定牢固。
　　2.锚具的防护
　　如果对斜拉索的锚具不进行较好的防护，让预埋钢导管内积水、进杂物或锚具发生锈蚀，不仅严重影响斜拉索的使用寿命，而且严重影响斜拉桥中期索力调整及将来的换索工作。本桥采用封闭性聚氨酯发泡，填充在斜拉索锚具与预埋钢导管的间隙内，防止水分进入钢导管。钢导管内发泡材料采用特制的聚醚与多次甲基苯基、多异氨酸酯的聚合反应后，自我膨胀而形成与索端钢导管内壁和索体表面紧密的聚氨酯发泡塑料。该泡沫塑料具有质量轻、吸水性特小、低导热性、隔气性好、较好的韧性等特点。能使钢材和索体表面PE层粘合成较牢固的整体，使导管内的锚具与雨水、潮气及其他腐蚀介质相隔离，能在较长时间内防止索端锚具锈蚀。泡沫塑料易于清理，相对于以前采用的灌注水泥砂浆的方法来说，更便于将来斜拉索的维护和更换。在操作过程中，首先注意用高压气体除去钢导管内壁上的浮锈和灰尘，将钢导管内壁清理干净，确保泡沫塑料和管壁粘合良好。其次注意梁上发泡由下至上．塔上发泡由上至下，保证泡沫塑料的密实性及管内全部填充。对于泡沫塑料，要求目测无焦化、无流淌、无裂缝、无杂色，手揿后能基本复原，无脆化粘连现象，无酥松现象。
　　在两端锚具外露部分的表面涂刷一层锚具专用的防护油脂，然后在锚具外加盖不锈钢护罩。防护专用油脂由矿物油脂及适量的树脂组成，它具有对金属无腐蚀、常温下不粘手、80℃下不流淌和低温下不开裂的性能。在锚具表面均匀地涂刷一层油脂后，锚具表面与大气隔离，可达到锚具防护的目的；加盖不锈钢护罩可防止油脂被损坏而导致锚具锈蚀。在操作过程中应注意油脂融化要彻底，油脂内无固体物，油脂涂刷要均匀，无漏涂现象。
　　在整个锚具防护过程中，监理工程师进行了全过程的旁站。
　　七、结语
　　通过南京长江第二大桥南汊桥斜拉索制作和防护工程的监理工作，有以下一些体会：
　　（l）在斜拉索工厂制作过程中，驻厂监理对原材料和斜拉索制作进行了全过程的监理，通过这一工作，有效地排除了不合格的原材料，对制作过程中出现的质量问题能够及时发现，及时纠正，所以说，斜拉索工厂制作的驻厂监理是保证斜拉桥工程质量质保体系中不可缺少的一环。
　　（2）在斜拉索制作过程中，需要特别注意的质量控制点有：锚具的内在质量、冷铸料的冷铸效果和PE料的耐久性及成形情况
　　（3）斜拉索作为斜拉桥重要的受力构件，斜拉索锚具的永久防护至关重要，在设计和施工两方面，都需特别予以重视。