VSL 桥梁鞍座体系的应用研发

摘 要：VSL SSI2000桥梁鞍座是一种新型斜拉索桥梁鞍座体系，该体系在保留了常规斜拉索体系锚具的机械性能，在钢绞线单根安装和单根更换的基础上，研发出了不同的材料界面之间的微动腐蚀疲劳和摩擦成果。在VSL SSI2000鞍座体系方案中，所有的钢绞线通过各自的单根分丝孔道在鞍座内按照设计的角度进行偏转，分丝孔道的截面几何形状类似于一个优化后的倒置的雨滴型，该截面形状可以提供较高的摩擦系数和优良的耐疲劳性能。此新型鞍座根据国际标准FIB对于斜拉索体系的要求，对规格为Φ15.7-4的鞍座进行了疲劳试验验证，结果完全满足FIB 标准的要求。

关键词：疲劳；鞍座体系；斜拉索体系；微动腐蚀疲劳

0 引言

平行钢绞线拉索在桥梁上进行应用时，可以选择使用钢绞线和拉索锚具在桥塔上进行锚固；或是选择在使用桥梁鞍座，使得钢绞线连续从桥塔的一侧通过桥塔到达桥塔的另一侧而不间断，保证了预应力钢绞线的连续性。如果选择后一种方案，首先从设计的角度，桥塔的设计截面尺寸会大幅减小；通过使用鞍座使得桥塔结构更加紧凑，避免了锚固区裂纹。

普通斜拉索桥桥塔 鞍座斜拉桥桥塔

图1 不同的斜拉索桥桥塔结构

1 VSL SSI2000鞍座体系的性能

（1）实现了钢绞线连续的防腐蚀保护；（2）鞍座具备和斜拉索锚具同样的耐疲劳性能，即，满足FIB 和 CIP 国际标准要求的200MPa应力幅，二百万次疲劳载荷循环；（3）新型鞍座能够平衡桥塔两侧的不平衡载荷；（4）鞍座与钢绞线之间的摩擦系数不小于0.4；（5）优越的防腐保护；（6）钢绞线可以单根安装和单根更换。

图2 VSL SSI2000鞍座在结构中的布置

2 VSL SSI2000新型鞍座解决了不同材料之间的微动腐蚀疲劳

该新型鞍座的设计思路是在具备良好耐疲劳性能的同时，保证拉索和鞍座之间保持可靠的摩擦力以平衡桥塔两侧的不平衡载荷，并且保持体系的可更换性。微动腐蚀疲劳是指钢绞线在鞍座内发生偏转，同时在接触面产生较大的接触压力和较高的摩擦。

图3 典型的微动腐蚀疲劳破坏

VSL SSI2000新型鞍座关于微动腐蚀的解决方案。

如上所述，在暴露在空气的环境中，给钢绞线施加径向的持续变化的应力，将加速钢绞线出现疲劳裂纹并脆断，因此，解决方案的第一步就是避免钢绞线和氧气发生接触。

方案1：如下图，使用带紧挤压HDPE层的钢绞线，并且在钢绞线和HDPE层之间填充油脂或蜡，使得钢绞线和空气隔绝。

图4 带HDPE层的钢绞线

该方案中，HDPE层的耐久性决定了该体系的耐久性。在轴向运动和径向压力的综合作用下，HDPE层变得非常脆弱，因此在HDPE层受到破坏后，钢绞线将迅速发生腐蚀破坏。

图5 破坏后的HDPE层和钢绞线的腐蚀破坏

方案2：如下图，采用在鞍座分丝孔和钢绞线之间的空隙中填充特种材料，既要保证钢绞线和鞍座分丝孔之间存在接触摩擦，且不降低两者之间的摩擦系数，同时还要满足钢绞线的单根安装和单根更换的可操作性。

图6 在钢绞线和鞍座分丝孔之间填充特种材料

3 VSL SSI2000新型鞍座的摩擦性能和耐疲劳性能

在鞍座分丝孔成孔材料的选择上，使用了超高强度的砂浆材料，该材料既可以提供设计要求的机械性能，同时又具备良好的成型特性，能够通过模具制作成倒置的雨滴形状的分丝孔。

图7 倒置雨滴型分丝孔以及内部的单根钢绞线和特种填充材料

图8 倒置雨滴型分丝孔受力状况和传统圆形分丝孔区别

VSL SSI2000新型鞍座可以传递的最大不平衡载荷，计算公式如下：

图9 鞍座可以传递桥塔两侧的不平衡载荷

图10 VSL SSI2000新型鞍座分丝孔的优化设计

4 摩擦系数的测量

通过使用一根钢绞线，安装在鞍座的任一个分丝孔内，根据设计要求，填充特种填充材料。

试验布置如下图：

图11 VSL SSI2000新型鞍座摩擦系数试验布置及测量

5 疲劳试验

首先进行了在鞍座内安装4根钢绞线的疲劳试验，试验参数：

应力幅200MPa

应力上限45% UTS

2x106 次载荷循环

图12 疲劳试验布置照片

实验结果：（1）疲劳试验过程中没有钢丝出现断裂；（2）所有的试验样品在整个试验过程中均没有发生破坏；（3）在疲劳试验后，紧接着进行了张拉试验，达到1051.5KN，相应于钢绞线标准破断强度的99.2%，和钢绞线实际破断强度的96%；超出了FIB标准分别为95%和92%的标准要求；（4）钢绞线没有发生腐蚀现象。

6 结论

本文依据VSL SSI2000新型桥梁鞍座体系的研发，从开始的设计到根据FIB 标准进行的小规模的疲劳试验，把鞍座的性能特点进行了概括的介绍。该鞍座不仅性能优越，更重要的是完全满足国际标准的要求。

作者简介：张松（1973-），男，安徽宿州人，工程师。