悬索桥索夹螺杆在役20年性能几何？

悬索桥的索夹采用对合设计，分为上下对合型和左右对合型两种方式。两种对合方式均需要使用多根螺杆将两半索夹连接成为整体。单个索夹上的螺杆数量，从4根到20多根不等。通过对这些索夹上的螺杆施加一定的紧固力，以抵抗由恒载和活载产生的沿主缆径向的下滑力。

悬索桥设计规范要求吊索索夹的抗滑系数Kfc=Ffc/Nc≥3，其中Nc为主缆上索夹的下滑力，由荷载产生。Fc为索夹抗滑摩阻力，来源于索夹螺杆的紧固力，并与之成线性关系。另外，在悬索桥的索夹设计要求中，设计单位一般会要求，在主要荷载作用下，当索夹螺杆紧固力下降到设计值的70%时，吊索索夹的抗滑系数Kfc仍然不低于3。由于螺杆紧固力不足导致索夹滑移，是悬索桥索夹长期使用情况下可能发生的常见病害。

在悬索桥运营过程中，除了索夹螺杆力的不断衰减外，螺杆及其组件也可能会因为主缆防护体系的局部缺损产生锈蚀，进而导致其力学性能的衰退。在悬索桥常规检测过程中，很难对索夹内部的情况进行确认，也无法对螺杆及其组件的材料性能进行检测。本文依托江阴大桥的螺杆更换项目，对拆卸下来的螺杆进行检测，主要检测项目包括螺杆的整体外观状况、硬度检验、拉力冲击检验、化学成分检验、螺纹有效性检验、金相检测及破断试验。

江阴大桥位于江苏省江阴市与靖江市之间，是主跨为1385m的钢箱梁悬索桥，全桥总长3071m。大桥于1994年11月22日正式开工建设，1999年9月28日建成通车，至今已开通运营超过20年。全桥索夹共分为A、B、C、D、E、F、G、H、K九种类型，其中A、B、C、D、E、F为有吊索索夹，G、H、K为无吊索索夹，如图1所示。

图1 江阴大桥索夹总体布置图

索夹采用上下半合的形式，上下两半索夹通过螺杆相连夹紧。全桥螺杆型号均为M48，螺杆及组件细节尺寸如图2所示。根据螺杆施工期资料，螺杆未受力时长度为910mm，螺杆缩腰部分直径为41mm。螺杆上、下端外露部分由垫圈A、垫圈B及螺母固定。垫圈A高度35mm，垫圈B高度35mm，螺母高度68mm。

图2  索夹螺杆及组件 示意图

(尺寸单位：mm)

江阴大桥通车以来，为保证螺杆紧固力处于较高水平，进行了多次螺杆检测和紧固工作。实施中发现部分螺杆下端外露螺纹较短，为预防后期螺杆紧固过程中出现螺母拉脱的现象，江阴大桥于2018—2019年开展了部分螺杆及组件的更换施工，并对更换下的螺杆及组件，按照规范要求进行了材料性能检测。

本次江阴大桥的索夹螺杆及组件的更换，针对主跨有吊索的索夹进行，总计完成3个索夹的20根螺杆及组件的更换，主要实施步骤如图3所示。

图3 施工流程 

索夹螺杆的更换施工过程中，旧螺杆拆除与新螺杆的安装之间，存在一定的时间间隔，该时段内索夹将仅由剩余的螺杆提供紧固力。为防止索夹出现滑移，需要进行螺杆更换过程的验算，计算单根螺杆被拆除后，剩余螺杆提供紧固力，能否保证索夹抗滑系数Kfc仍然大于3。

江阴大桥主跨共A～F六种类型的索夹，每种索夹选取索夹倾角最大（最不利）的情况进行索夹抗滑系数计算，结果如表1所示。

从上述计算结果可以看出，对江阴大桥的索夹螺杆进行更换时，只要保证索夹上螺杆的平均紧固力不低于552kN，就满足索夹螺杆的单根更换施工要求。江阴大桥在养护管理中，要求索夹螺杆的紧固力不低于600kN。因此，在本次螺杆更换施工中，首先需要按600kN的要求对索夹上其它螺杆进行紧固，然后才可以开展后续单根螺杆的更换工作。

为了方便后期索夹螺杆的紧固维护，本次更换的新螺杆上、下端均配有防水螺帽，螺杆、螺母及垫圈表面均采用达克罗防护处理。新螺杆与旧螺杆总长度均为920mm，原螺杆上端螺纹长度200mm，下端螺纹长度110mm，而新螺杆两端螺纹长度均为185mm。构件基本信息及构造如表2、图4及图5所示。

图4 新螺杆照片

图5 新螺杆设计构造（单位：mm）

本次共更换安装了20根螺杆，在其中抽选了部分螺杆进行螺杆理化检验、螺杆尺寸和螺纹检测、螺杆渗透着色检测、螺杆金相及破断试验，并对部分螺杆的螺母及垫圈进行硬度。具体检测内容如表3所示。

本次拆卸下的旧螺杆缩腰部分均存在锈蚀，垫圈及螺母外观未见异常。更换下的旧螺杆及组件照片如图6所示。

a）螺杆缩腰部分存在锈蚀

b）垫圈外观未见异常

c）螺杆端部未见异常

d）螺母外观未见异常

图6 螺杆及其组件外观状况

螺杆理化检验内容为螺杆的硬度检验、拉力冲击检验及材料的化学成分检验。本次共抽取6组螺杆、螺母及垫圈进行理化检验。

本次检测的6根螺杆抗拉强度、断后伸长率均满足规范要求，105-04螺杆的断面收缩率为54%，略低于规范要求的55%；本次试验的6根螺杆的冲击吸收能量均不小于27J；螺杆的洛氏硬度检测结果基本满足规范要求，106-10螺杆的洛氏硬度为35.4，略高于规范规定范围。

因螺杆为参照欧洲规范制作，螺杆材料化学成分中铬（Cr）、钼（Mo）含量略高于国内标准。

按照设计图纸要求，螺母硬度要求HRC28～30，垫圈硬度要求HRC30～34。本次所抽检的部分垫圈硬度在HRC34以上，部分螺母硬度在HRC28以下。

利用通止规对抽选的9根螺杆进行螺纹有效性检查。若通止规能顺利通过，螺纹则螺纹合格。检测结果显示9根螺纹上、下端螺纹通止规均通不过，螺纹均已出现变形，通止规通不过位置均位于螺杆螺纹部分靠近端部位置。

利用渗透着色法对螺杆螺纹部分的细致缺陷进行检查，如裂纹、缩松、针孔、冷隔、折叠及氧化夹渣等，本次抽检的9根螺杆螺纹表面均无缺陷。江阴大桥运营期间针对缆索系统开展了多次防腐维修过程，螺杆螺纹并未受外界环境影响产生细致缺陷。

金相检验分析主要检测材料基体相的组织结构、缺陷及显微组织的取向和状态的非均匀性，如带状、分布不均、晶粒度等，检测结果见表4、图7。

图7 晶粒度显微照片

根据螺杆金相检测结果，螺杆材料在光学金相显微镜下呈现出索氏体构造。晶粒度是表示晶粒大小的尺度，对于金属的常温力学性能来说，晶粒度越高则金属的强度和硬度也越高，本次拆卸下的旧螺杆经检测晶粒度为10.5级。

对抽选的9根螺杆进行破断试验，测试螺杆材料的极限拉力。根据《合金结构钢》（GB3077－1988），40CrNiMoA材料的抗拉强度为980MPa，及螺杆拉断前所能承受的极限拉力应不小于1293kN。利用液压机对螺杆进行破断试验，螺杆断裂位置均位于无螺纹杆部，破断力测试最小值为1372kN，满足材料抗拉强度的要求。

在悬索桥养护过程中，受限于现场条件，针对索夹螺杆的检查主要为外观检查、螺杆紧固力检测。为避免索夹滑移现象的产生，悬索桥索夹螺杆的检测及紧固会根据桥梁实际情况在一定的周期内循环进行。针对螺杆的多次检测及紧固、防腐体系局部缺损、外界环境变化等因素，可能会导致运营期内螺杆材料性能的衰退。而螺杆长期使用后性能衰退情况在以往的研究中少有关注，针对螺杆役后性能的检测是十分重要的。

江阴大桥建成通车已20余年，本次试验的螺杆缩腰部分均存在轻微锈蚀，是水汽侵入索夹内部造成。螺杆端部螺纹得益于定期的重新防腐，未有锈蚀及细小缺陷产生，对后期的螺杆紧固力检测及补张没有影响。

螺杆拉伸、冲击试验大部分指标能满足设计文件及规范的要求，个别螺杆的断面收缩率、硬度略超出规范给定范围；经化学成分分析，螺杆材料中的Cr、Mo含量不在规范的给定范围内，与其加工工艺有关；在光学显微镜下，螺杆材料试样呈索氏体的平衡组织结构，晶粒度均在10.5级以上。

本次研究针对江阴大桥螺杆进行检测，螺杆缩腰部分虽有轻微锈蚀，但检测结果表明其材料力学性能并未因长期使用有较大衰退，旧有螺杆能满足继续使用的要求。大桥管养单位仍需在桥梁运营期内持续关注结构现状，定期开展维护工作以保证结构功能的正常使用。