孫洪濱 章偉 陳朋 張鵬飛

（1.江蘇揚(yáng)子江高速通道管理有限公司，江蘇 靖江 214500；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

0 引言

懸索橋的索夾采用對(duì)合設(shè)計(jì)，分為上下對(duì)合型和左右對(duì)合型兩種方式。兩種對(duì)合方式均需要使用多根螺桿將兩半索夾連接成為整體。單個(gè)索夾上的螺桿數(shù)量從4 根到20 余根不等。索夾上的螺桿通過(guò)加固，可抵抗由恒載和活載產(chǎn)生的沿主纜徑向的下滑力。

懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范要求吊索索夾的抗滑系數(shù)Kfc=Ffc/Nc≥3，其中Nc為主纜上索夾的下滑力，由荷載產(chǎn)生[1]；Ffc為索夾抗滑摩阻力，來(lái)源于索夾螺桿的緊固力，并與之呈線性關(guān)系。另外，在懸索橋的索夾設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)單位一般會(huì)要求，當(dāng)在主要荷載作用下，索夾螺桿緊固力下降到設(shè)計(jì)值的70%時(shí)，吊索索夾的抗滑系數(shù)Kfc仍然不低于3。螺桿緊固力不足導(dǎo)致索夾滑移，是懸索橋索夾長(zhǎng)期使用情況下可能發(fā)生的常見(jiàn)病害[2]。

在懸索橋運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，除了索夾螺桿力不斷衰減外，螺桿及其組件也可能會(huì)因?yàn)橹骼|防護(hù)體系的局部缺損而產(chǎn)生銹蝕，進(jìn)而導(dǎo)致力學(xué)性能衰退。懸索橋常規(guī)檢測(cè)很難確認(rèn)索夾內(nèi)部情況，也無(wú)法檢測(cè)螺桿及其組件的材料性能[3,4]。本文依托江陰大橋的螺桿更換項(xiàng)目，檢測(cè)拆卸下來(lái)的螺桿整體外觀狀況、硬度、拉力沖擊、化學(xué)成分、螺紋有效性，并開(kāi)展金相及破斷試驗(yàn)。

1 江陰大橋索夾螺桿及組件概況

江陰大橋位于江蘇省江陰市與靖江市之間，為鋼箱梁懸索橋，主跨1385m，全橋總長(zhǎng)3 071m[5]。大橋于1994年11月22日正式開(kāi)工建設(shè)，1999年9月28日建成通車(chē)，至今已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)超過(guò)20年。全橋索夾共分為A、B、C、D、E、F、G、H、K9種類(lèi)型，其中A、B、C、D、E、F為有吊索索夾，G、H、K為無(wú)吊索索夾，如圖1所示。

圖1 江陰大橋索夾總體布置圖

索夾采用上下半合的形式，上下兩半索夾通過(guò)螺桿相連夾緊。全橋螺桿型號(hào)均為M 4 8，螺桿及組件細(xì)節(jié)尺寸如圖2 所示。根據(jù)螺桿施工期資料，螺桿未受力時(shí)長(zhǎng)度為9 1 0 m m，螺桿縮腰部分直徑為41m m[6]。螺桿上、下端外露部分由墊圈A、墊圈B及螺母固定。墊圈A高度3 5 m m，墊圈B 高度3 5 m m，螺母高度68m m。

圖2 索夾螺桿及組件示意圖（單位：mm）

江陰大橋通車(chē)以來(lái)，為保證螺桿緊固力處于較高水平，曾多次檢測(cè)螺桿并加固。檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，部分螺桿下端外露螺紋較短，為預(yù)防后期螺桿緊固過(guò)程中出現(xiàn)螺母拉脫的現(xiàn)象，于2018年～2019年更換了部分螺桿及組件，并按照規(guī)范要求對(duì)更換下的螺桿及組件材料進(jìn)行性能檢測(cè)。

2 索夾螺桿更換施工

本次江陰大橋的索夾螺桿及組件更換，針對(duì)主跨有吊索的索夾進(jìn)行，總計(jì)完成3個(gè)索夾20根螺桿及組件的更換，主要實(shí)施步驟如圖3所示。

圖3 施工流程

2.1 抗滑系數(shù)計(jì)算

索夾螺桿的更換施工過(guò)程中，舊螺桿拆除與新螺桿安裝之間，存在一定的時(shí)間間隔，該時(shí)段內(nèi)索夾將僅由剩余的螺桿提供緊固力。為防止索夾出現(xiàn)滑移，需要進(jìn)行螺桿更換過(guò)程的驗(yàn)算，計(jì)算單根螺桿被拆除后，剩余螺桿提供的緊固力能否保證索夾抗滑系數(shù)Kfc仍然大于3，公式如下所示：

江陰大橋主跨的索夾共A～F 6種類(lèi)型，每種索夾選取索夾傾角最大（最不利）的情況進(jìn)行索夾抗滑系數(shù)計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1 Kfc=3 時(shí)對(duì)應(yīng)的螺桿緊固力

由計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)江陰大橋的索夾螺桿進(jìn)行更換時(shí)，只要保證索夾上螺桿的平均緊固力不低于552kN，就能夠滿足索夾螺桿的單根更換施工要求。江陰大橋在養(yǎng)護(hù)管理中，要求索夾螺桿的緊固力不低于600kN。因此在本次螺桿更換施工中，首先需要按600kN的要求對(duì)索夾上其他螺桿進(jìn)行緊固，然后才可以開(kāi)展后續(xù)單根螺桿的更換工作。

2.2 新螺桿定制

為了方便后期索夾螺桿的緊固維護(hù)，本次更換的新螺桿上、下端均配有防水螺帽，螺桿、螺母及墊圈表面均采用達(dá)克羅防護(hù)處理。新螺桿與舊螺桿總長(zhǎng)度均為920mm，舊螺桿上端螺紋長(zhǎng)度200mm，下端螺紋長(zhǎng)度110mm，而新螺桿兩端螺紋長(zhǎng)度均為185mm。構(gòu)件基本信息及構(gòu)造如表2、圖4及圖5所示。

表2 螺桿、螺母及墊圈基本信息表

圖4 新螺桿照片

圖5 新螺桿設(shè)計(jì)構(gòu)造（單位：mm）

2.3 螺桿安裝

為保證索夾整體的夾緊力滿足抗滑移安全系數(shù)不小于3的要求，采用螺桿逐根更換安裝的方案，更換前按照設(shè)計(jì)力值對(duì)待更換螺桿的索夾進(jìn)行整體緊固，安裝步驟及現(xiàn)場(chǎng)施工照片如圖6所示：

圖6 現(xiàn)場(chǎng)更換步驟

（1）清理螺桿安裝孔內(nèi)滲入的直縫密封膠及其他異物，確保新螺桿安裝時(shí)不會(huì)卡住。

（2）將新螺桿下端的墊圈及螺母安裝好，保證螺桿下端外露螺紋端長(zhǎng)度不小于40mm以便后期養(yǎng)護(hù)。

（3）將新螺桿自下而上穿入索夾，將螺桿上端墊圈及螺母擰緊后，利用千斤頂螺桿進(jìn)行緊固，緊固目標(biāo)力為650kN，采用交叉施擰的方式逐步更換螺桿，保證索夾整體抗滑移安全系數(shù)不小于3。緊固結(jié)束后安裝螺桿上、下端的防水螺帽。

3 螺桿及組件性能檢測(cè)

本次檢測(cè)共更換安裝了20根螺桿，抽選了其中部分螺桿，檢驗(yàn)螺桿理化、螺桿尺寸和螺紋、螺桿滲透著色，開(kāi)展螺桿金相及破斷試驗(yàn)，檢測(cè)螺母及墊圈硬度。具體檢測(cè)內(nèi)容如表3所示。

表3 螺桿試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目

3.1 螺桿外觀狀況

本次拆卸下的舊螺桿縮腰部分均存在銹蝕，墊圈及螺母外觀未見(jiàn)異常。更換下的舊螺桿及組件如圖7所示。

圖7 螺桿及其組件外觀狀況

3.2 理化檢驗(yàn)

3.2.1 規(guī)范要求

螺桿理化檢驗(yàn)內(nèi)容包括螺桿的硬度檢驗(yàn)、拉力沖擊檢驗(yàn)及材料的化學(xué)成分檢驗(yàn)，規(guī)范要求如表4所示。

表4 螺桿、螺母及墊圈力學(xué)性能要求

3.2.2 螺桿、螺母及墊圈理化檢驗(yàn)結(jié)果

本次檢測(cè)共抽取6組螺桿、螺母及墊圈開(kāi)展理化檢驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如表5、表6、表7所示。

表5 螺桿力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表6 螺桿化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果

表7 墊圈及螺母理化檢驗(yàn)結(jié)果

本次檢測(cè)的6根螺桿抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率均滿足規(guī)范要求，105-04螺桿的斷面收縮率為54%，略低于規(guī)范要求的55%；KV2表示V型缺口試樣在2mm錘刃下的沖擊吸收能量，本次試驗(yàn)的6根螺桿的沖擊吸收能量均不小于27J；螺桿的洛氏硬度檢測(cè)結(jié)果基本滿足規(guī)范要求，106-10螺桿的洛氏硬度為35.4，略高于規(guī)范規(guī)定范圍。

由表6可知，因螺桿為參照歐洲規(guī)范制作，螺桿材料化學(xué)成分中鉻（Cr）、鉬（Mo）含量略高于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

按照設(shè)計(jì)圖紙要求，螺母硬度要求H R C28～3 0，墊圈硬度要求HRC30～34。本次所抽檢的部分墊圈硬度在HRC34以上，部分螺母硬度在HRC28以下，如表7中灰色區(qū)域所示。

3.3 螺紋檢測(cè)

利用通止規(guī)檢查抽選的9根螺桿螺紋有效性，若通止規(guī)能順利通過(guò)螺紋則螺紋合格。檢測(cè)結(jié)果顯示，9根螺紋上、下端螺紋通止規(guī)均通不過(guò)，螺紋均已出現(xiàn)變形，通止規(guī)通不過(guò)位置均位于螺桿螺紋部分靠近端部位置，如圖8所示。

圖8 螺紋通止規(guī)檢測(cè)

3.4 螺紋滲透著色檢測(cè)

利用滲透著色法檢查螺桿螺紋部分的細(xì)致缺陷，如裂紋、縮松、針孔、冷隔、折疊及氧化夾渣等，本次抽檢的9根螺桿螺紋表面均無(wú)缺陷。江陰大橋運(yùn)營(yíng)期間針對(duì)纜索系統(tǒng)開(kāi)展了多次防腐維修，螺桿螺紋并未受外界環(huán)境影響產(chǎn)生細(xì)致缺陷。檢測(cè)照片如圖9所示。

圖9 滲透著色法檢測(cè)

3.5 螺桿金相及破斷試驗(yàn)

3.5.1 螺桿金相檢驗(yàn)

金相檢驗(yàn)分析主要檢測(cè)材料基體相的組織結(jié)構(gòu)缺陷、顯微組織取向和狀態(tài)的非均勻性，如帶狀、分布不均、晶粒度等，檢測(cè)結(jié)果如表8、圖10所示。

表8 螺桿金相檢測(cè)結(jié)果

圖10 晶粒度顯微照片

根據(jù)螺桿金相檢測(cè)結(jié)果，螺桿材料在光學(xué)金相顯微鏡下呈現(xiàn)出索氏體構(gòu)造。晶粒度是表示晶粒大小的尺度，對(duì)于金屬的常溫力學(xué)性能來(lái)說(shuō)，晶粒度越高則金屬的強(qiáng)度和硬度也越高，本次拆卸下的舊螺桿經(jīng)檢測(cè)晶粒度為10.5級(jí)。

3.5.2 螺桿破斷試驗(yàn)

對(duì)抽選的9 根螺桿開(kāi)展破斷試驗(yàn)，測(cè)試螺桿材料的極限拉力，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 螺桿破斷試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《合金結(jié)構(gòu)鋼》（G B/T 3077-1988），40CrNiMoA材料的抗拉強(qiáng)度為980 M Pa，螺桿拉斷前所能承受的極限拉力應(yīng)不小于1293kN。利用液壓機(jī)對(duì)螺桿進(jìn)行破斷試驗(yàn)，螺桿斷裂位置均位于無(wú)螺紋桿部，破斷力測(cè)試最小值為1372kN，滿足材料抗拉強(qiáng)度的要求。

4 結(jié)論

懸索橋養(yǎng)護(hù)受限于現(xiàn)場(chǎng)條件，針對(duì)索夾螺桿的檢查主要為外觀檢查、螺桿緊固力檢測(cè)。為避免索夾產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，要在一定周期內(nèi)循環(huán)檢測(cè)懸索橋索夾螺桿，并根據(jù)橋梁實(shí)際情況進(jìn)行加固。螺桿的多次檢測(cè)及緊固、防腐體系局部缺損、外界環(huán)境變化等因素，可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)期內(nèi)螺桿材料性能衰退[7-18]。而針對(duì)螺桿長(zhǎng)期使用后性能衰退的情況在以往研究中少有關(guān)注。

江陰大橋建成通車(chē)已20余年，本文試驗(yàn)的螺桿縮腰部分均存在輕微銹蝕，系水汽侵入索夾內(nèi)部造成。得益于定期防腐，螺桿端部螺紋未產(chǎn)生銹蝕及細(xì)小缺陷，對(duì)后期螺桿緊固力檢測(cè)及補(bǔ)張沒(méi)有影響。

螺桿拉伸、沖擊試驗(yàn)大部分指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)文件及規(guī)范的要求，個(gè)別螺桿的斷面收縮率、硬度略超出規(guī)范給定范圍；經(jīng)化學(xué)成分分析，螺桿材料中的Cr、Mo含量不在規(guī)范要求內(nèi)，與其加工工藝有關(guān)；在光學(xué)顯微鏡下，螺桿材料試樣呈索氏體的平衡組織結(jié)構(gòu)，晶粒度均在10.5級(jí)以上。

目前，國(guó)內(nèi)開(kāi)展懸索橋索夾螺桿更換工程較少。本次研究針對(duì)江陰大橋螺桿開(kāi)展檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，螺桿縮腰部分雖有輕微銹蝕，但其材料力學(xué)性能并未因長(zhǎng)期使用有較大衰退，舊有螺桿能滿足繼續(xù)使用要求。管養(yǎng)單位仍須在橋梁運(yùn)營(yíng)期內(nèi)持續(xù)關(guān)注結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，定期開(kāi)展維護(hù)工作以保證結(jié)構(gòu)功能正常使用。