缆索用钢丝的断丝问题

缆索用钢丝的断丝问题

叶觉明

(中铁大桥局桥梁科学研究院　武汉　430034)

摘　要　缆索由钢丝(或钢绞线)制作而成,广泛应用于大跨度桥梁和建筑中。由于跨越江河湖海和在应力条件下工作,应力和腐蚀的作用直接影响缆索的使用寿命。介绍了钢丝的制作和质量控制特点,分析钢丝腐蚀和断丝的原因和影响,探讨缆索断丝和锈蚀问题的防护、检测和处理。

关键词　钢丝　缆索　断丝　应力腐蚀　防护　检测

DISCUSSION ON FRACTURE OF STEE L WIRES FOR CAB L E

Y e J ueming

(Bridge Science Research Institute,Major Bridge Engineering Bureau,China Railways　Wuhan　430034)

ABSTRACT　A cable is made of high2strength wires(or strands),which is widely used for long2span bridges1The service life of the cables is affected directly by the stresses and corrosion due to their crossing over rivers or seas and work at stress conditions1The fabrication of steel wires and the features of quality control are introduced;the causes of corrosion and break of the steel wires as well as their influence are also analyzed1At last the protection,detection and treatment of the corrosion and break of the wires for cables are discussed1

KE Y WOR DS　steel wire　cable　break of wire　stress corrosion　protection　detection

近年来,缆索技术广泛应用在大跨度桥梁和大型建筑结构领域。其中有悬索桥的主缆、吊索,斜拉桥的斜拉索,拱吊桥的吊索,大型体育场馆、剧院、展厅的悬索和拉索等。这些缆索主要由高强度热镀锌钢丝和锚具锚固制成。桥梁缆索是桥梁中承重和传力的重要结构件,若缆索中的钢丝断裂,则会直接影响缆索结构的力学性能,若一定数量的钢丝断裂(目前一些标准中规定比例为5%),则该索就被判为失效。桥梁上已有钢丝锈蚀断裂、造成承力缆索破坏,直至断桥的实例。因此,在缆索结构应用中,我们要重视缆索用钢丝的断丝问题。

1　高强度热镀锌钢丝的制造和质量控制

在钢铁制品加工行业,以线材(盘条)为原料通过冷拉加工而成的钢材,称为钢丝。高强度热镀锌钢丝采用高质量的盘条(经过索氏体化处理),经过冷拉加工后,进行热镀锌防腐保护。国产高强度热镀锌钢丝,在生产环节上,要经历原材料(盘条)准备、前处理(酸洗、硼化等)、拉拔成丝、热镀锌保护、稳定化处理或调直处理、成盘等主要工序,还有检查,检验,试验,模具、设备检修,成品包装入库等辅助工序。20世纪90年代初开始,国内生产厂家直接引进国外的先进设备,借鉴和消化先进的工艺技术并改进提高。产品按ASTM(美)、J IS(日)、BS (英)、DIN(德)、NF(法)等先进工业国家的相应标准考核,并在1997年形成专项国标,其发展速度之快也充分反映出“桥梁缆索用热镀锌钢丝”的生命力。

作　者:叶觉明　男　1957年7月出生　高级工程师

收稿日期:2003-01-15

为满足桥梁缆索用钢丝的特点,需要从以下几个方面控制钢丝质量:1)原材料的理化成分分析和金相分析。原材料的性能,原材料碳、锰、硅、硫、磷、铜等化学成分及杂质含量等。2)钢丝成品几何尺寸。钢丝直径、直径偏差及不圆度等。3)机械力学性能试验。检查钢丝的抗拉强度、屈服强度、延伸率、弹性模量、扭转、反复弯曲、缠绕、松弛、疲劳等性能指标;4)热镀锌保护考核锌层厚度(单位重量)和附着性能。5)专门用途需要的不平直度、自由卷径、冷墩性和表面外观等〔1〕。

缆索钢丝的技术质量指标主要是控制盘条质量和生产线加工工艺。钢丝实质上是盘条的再加工产品,盘条质量是钢丝性能和质量的基础。高强度热镀锌钢丝要使用优质盘条,并经过专门的索氏体化处理。检查验收盘条,要进行理化性能检测分析和金相分析,要防止盘条的缩孔、疏松、气泡、夹杂、成

叶觉明:缆索用钢丝的断丝问题

分偏析等内在缺陷及盘条裂缝、折叠、结疤、起耳、分层、轧痕、麻面、凹坑等外部缺陷。盘条的化学成分和杂质含量是钢丝韧性和塑性性能指标的基础。钢丝的生产过程是利用金属材料的可塑性,借助拉丝模具在外力作用下使金属变形,钢丝的形状、尺寸、机械力学性能都受这一冷加工变形条件控制。钢丝通过模孔拉拔变形的外观表现是截面积减小,长度伸长,这一过程对机械力学性能指标的影响是金属变形的抗力指数有所提高,而塑性指数则相应下降。模具质量,拉拔速度,冷却、润滑条件等也会影响钢丝的质量和机械力学性能指标。热镀锌是防止钢丝腐蚀的有效方法,这一加工过程和随后的稳定化处理会影响到钢丝的松弛、疲劳力学性能以及抗拉性能等指标。

2　钢丝锈蚀和断丝及其影响

与其他金属材料一样,钢丝也存在破坏失效的问题。锈蚀是钢丝破坏的一种最初表现,断丝则是钢丝破坏失效的一种直观形式。造成断丝现象的原因有多种:一是盘条本身的疏松、夹杂、气泡、成分偏析等缺陷,这种缺陷若在生产过程中暴露,就会给成品钢丝留下断裂隐患点;二是为追求出材率和连续生产,对盘条采用焊接方式连接,这些焊接点也是钢丝的断裂隐患点(国内对桥梁缆索用钢丝提出了不允许盘条接头的技术要求);三是在制索和架索过程中,由于牵引力作用缺陷,钢丝会断裂,或因扭绞、钩挂等原因造成断丝;四是后续施工(如悬索桥紧缆、安装索夹、缠丝、吊装加劲梁、拆卸工作通道等)操作不慎,也可能造成断丝;五是营运过程中动态荷载作用,环境腐蚀,应力腐蚀和疲劳等均会造成钢丝在使用过程中断裂。断丝对一根钢丝而言是完全破坏和失效,对一根集束缆索而言,也会因其组成情况不同,对缆索机械力学性能产生影响。根据目前的设计标准,一般以缆索内5%的钢丝断裂作为缆索失效判定条件。无论是哪一种情况,断丝总是令人不安的。

在钢丝制造现场出现的断丝,只要判明不是工艺问题或系统问题,一般都能及时处理,只是中断一下生产,损耗一点原材料。如果钢丝成品中包含有前述原因造成的断裂隐患点,在制索过程的应力作用下也会发生钢丝断裂。在这些情况下钢丝并未超过受力极限,事故发生后的专业检验分析证明,上述断裂的主要原因是材料疏松、裂纹、夹杂和焊接不良等缺陷。架设过程中或后续施工时,由于钢丝本身缺陷,或架设过程中的不正常钩挂、工具损伤、机械伤丝、电源短路损伤等原因造成的断丝现象也在多座桥梁架设过程中发生过。因应力和环境腐蚀、疲劳荷载作用而产生的断丝现象在索股试验和检查中也经常发生,一些早期斜拉桥因采用光面钢丝腐蚀断丝较多,不得不采取换索措施。

3　断丝的检查和处理

断丝对缆索的影响是不利的,由于断丝是很明显的金属材料破断现象,对断丝最直观的检查是外观检查。钢丝在使用前发现的断丝,可以在出厂前控制。在架设后发现的断丝,只能采用钢丝接头处理,此时较好的方式是采用挤压接头技术(图1)。国内桥梁建设中使用过两种接头(亦称接长器),其方法都是将断丝插入接头内,然后对接头进行挤压固定住断丝。其中国产接长器为圆柱套筒内加工成丝扣,插入断丝挤压后圆柱体变形,能承受100%的张拉强度;而进口产品则是在套筒接头内加工成倒丝扣,插入断丝后用专用挤压器均匀挤压,圆柱套筒直径均匀减小,长度伸长,能承受100%的张拉强度,外观和接长效果优于国产接头。目前,国产接长器已在原基础上改进,结构性能得以提高。由于断丝接头数量较少,尚未有钢丝接头疲劳试验的报告。从实际应用看,在少量钢丝断丝的情况下,采用钢丝接头是可行的,可以发挥钢丝的承载作用。当缆索出现一定量断丝未被发现时,此时缆索失效,隐含着较大的危险,并可能导致惨重的事故

。

图1　挤压接头结构示意

4　缆索内部断丝的检测

缆索内部的断丝,外观检查难以发现,而内部断丝对不同结构的缆索是有不同影响的。主缆索股由较多钢丝组成,因而其工作状态不受内部偶然断丝的影响,主缆紧缆后安装索夹,钢丝外层还有缠丝,由此而形成的泊松效应,使主缆断丝与相邻的其他钢丝之间有足够的摩擦力。理论分析表明,在这种情况下,断裂的单根钢丝在离断裂端一定长度范围内仍能承受所分担的轴向荷载〔2〕。但断丝超过一定数量,或集中在一定长度范围内,也会对主缆

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建筑用钢材