沪通长江大桥直径7 mm 2 000 MPa级钢丝试验研究

闫志刚， 薛花娟

(1. 中国铁路总公司 工程管理中心， 北京 100038； 2. 江苏东纲金属制品有限公司，江苏 江阴 214400)

1 工程概况

沪通铁路是我国铁路网线沿海通道中重要组成部分，是鲁东、苏北与上海、苏南、浙东地区最便捷的铁路运输通道，也是长三角地区快速轨道交通网的重要组成部分。上海至南通铁路长江大桥(沪通长江大桥)是新建沪通铁路的控制性工程，全长11 072 m，上层双线6车道公路，下层为4线铁路，桥位位于江阴长江公路大桥下游约45 km，苏通长江公路大桥上游约40 km[1-4]。其中主航道桥为(140+462+1 092+462+140)m 五跨双塔连续钢桁梁斜拉桥，主跨1 092 m，见图1。

主航道桥跨度大、荷载重，决定了斜拉索索力大、部分斜拉索长度大，虽然对三主桁结构斜拉索布置为3个索面，最大索力高达13 000 kN，但传统的斜拉索强度难以满足实际的工程需要，需研制2 000 MPa 以上的超高强度斜拉索。随着钢丝强度的提高，可以使用更小截面的斜拉索，使得耗钢量减少，经济效益明显。其次，超高强度钢丝的运用，可以减小斜拉索的直径，减小迎风面积，减小风对结构的影响。另外，超高强度钢丝的运用，降低了最大单索重量，也降低了运输和架设的困难。因此，2 000 MPa超高强度斜拉索使用钢丝新产品、新技术的开发是桥梁缆索行业发展的趋势。

目前国内外常用的斜拉索体系有平行钢丝斜拉索和钢绞线斜拉索2 种类型[5-6]，两者各有特点，主要特性比较可参考文献[7]。而直径7 mm 2 000 MPa级钢丝尚未有工程应用，如港珠澳青州航道桥采用直径7 mm的平行钢丝斜拉索，钢丝抗拉强度为1 860 MPa[8]；杨泗港长江大桥为悬索桥，主缆钢丝强度达到1 960 MPa，其钢丝直径为6.2 mm[9]；虎门二桥坭洲水道桥主缆采用直径5 mm抗拉强度1 960 MPa的平行钢丝[10]。沪通长江大桥斜拉索采用耐久性优异的直径7 mm平行钢丝制成，标准抗拉强度为2 000 MPa，全桥共布置拉索3×2×2×36=432 根，分别选用253-φ7、265-φ7、283-φ7、301-φ7、337-φ7、367-φ7、409-φ7、421-φ7、439-φ7、451-φ7 共10 种规格(索体断面示意见图2)，单根最小制造长度为134.975 m，单根最大制造长度为576.193 m。单根最小索重114 kN，最大索重835 kN(含保护层)。

采用优质国产高碳钢盘条生产出φ7 mm-2 000 MPa超高强度钢丝后，进行200 t批量试制试验，试验结果表明，该钢丝在获得超高强度的同时，具有良好的塑韧性和成卷钢丝的通条稳定性，即将用于沪通长江大桥现场施工建设。

2 2 000 MPa级钢丝技术条件

综合以往的研究试验和成果[11-12]，直径7 mm 2 000 MPa钢丝关键技术成果主要包括抗拉强度、扭转性能以及硫酸铜试验指标性能。抗拉强度要求达到2 000 MPa，反映了钢丝的总体承载能力；扭转性能要求达到12次，反映了钢丝的材质的均匀性和韧性；硫酸铜试验指标，反映了钢丝表面锌铝镀层的均匀性，是钢丝耐久性能的重要保证，要求达到4次。在以上重要指标突破的基础上，提出了《沪通长江大桥用2 000 MPa级平行钢丝斜拉索技术条件》[13]。

(1) 盘条要求

斜拉索使用的钢丝采用优质高碳钢盘条制作而成，盘条的化学成分见表1。

表1 高碳钢盘条化学成分(质量分数) %

(2) 锌铝合金镀层钢丝技术要求

斜拉索使用的钢丝为直径7 mm、抗拉强度2 000 MPa的低松弛锌铝合金镀层钢丝，钢丝不允许有任何形式的接头，其主要技术指标应符合表2规定。

表2 锌铝合金镀层钢丝技术要求

3 试制与试验研究

3.1 钢丝高强度高韧性机理

本项目高强度钢丝是基于共析钢冷拉强化机理对碳含量达到0.90%以上的过共析钢进行拉拔并热镀锌铝合金。其中拉拔是钢丝获得高强度、高韧性的主要环节。对于拉拔应变小于 2.0的珠光体，随着变形量的增加，大量的珠光体片层发生转动，与拉伸轴方向逐渐趋于一致，在变形的过程中被减薄变成了纤维状细条。珠光体片层间距不断减小，渗碳体片层厚度和铁素体片层厚度基本上同步减小，铁素体-渗碳体相界面是位错运动的障碍，铁素体和渗碳体相细化导致晶粒界面数量增加，增大了位错运动的阻力，宏观上表现为抗拉强度的增大。对于桥梁缆索用钢丝，盘条组织以索氏体组织(细珠光体)为主，组织含量达到90%以上。随着拉拔，钢丝的组织结构及性能发生变化，其强度提高，塑性降低。

由于索氏体是由铁素体、渗碳体片层组成的复合结构，因此索氏体强度可以采用混合律进行计算，计算过程中分别考虑铁素体、渗碳体的强度。

σ=σαVα+σθVθ

( 1 )

式中：σ为变形后钢丝的抗拉强度；σα、σθ分别为铁素体、渗碳体的抗拉强度；Vα、Vθ分别为铁素体、渗碳体的体积分数。

通常在钢丝拉拔研究中，式( 1 )可表示拉拔钢丝的抗拉强度。

随着变形应变量的增大，加工硬化使得铁素体和渗碳体强度均随之增大。但由于渗碳体不易塑性变形，其加工硬化效应可基本忽略。而铁素体的强度随片层厚度变化大致符合Hall-Petch关系式

( 2 )

式中：σα0为初始铁素体抗拉强度；K为与材料有关的常数；dαε为拉拔应变后铁素体片层厚度。

据式( 1 )、式( 2 )，拉拔后光面钢丝的抗拉强度可简化为[14]

σ=A+Bexp(ε/4)

( 3 )

式中：A为盘条的原始抗拉强度；B为钢丝的加工硬化率；ε为钢丝的拉拔应变，钢丝拉拔中的应变ε=2lnD0/D，其中,D0为盘条的直径，D为拉拔后的钢丝直径。

在试生产过程中，通过化学成分的调整和成分偏析控制技术，在现有缆索用钢化学成分的基础上提高C含量并适当添加其他合金元素如Cr、Si ，在浇铸过程中采用电磁搅拌和低过热浇铸技术，提供可靠性更高的高强度高韧性钢丝专用线材盘条；通过采用盘条索氏体化处理，也是获得高强度、高韧性的一个关键因素；在钢丝生产中，除需要控制拉拔的总压缩率和部分压缩率外，还要对拉拔速度、润滑剂等各项条件进行控制。

3.2 盘条检测试验情况

本次200 t试生产总计盘条120件，共3个炉号，约220 t。盘条入厂后按照盘条技术参数对盘条进行抽样检测，包括尺寸、力学性能、化学成分、脱碳层、非金属夹杂物及表面质量等，检测情况见表3～表6，盘条成分满足技术条件和规范[15]要求。

表3 盘条直径及不圆度 mm

表4 盘条化学成分(质量分数)

表5 盘条力学性能

表6 盘条脱碳层、非金属夹杂及表面缺陷

3.3 平行钢丝试验

3.3.1 加工硬化情况

加工硬化试验研究选取3卷盘条，分别检测盘条、光面钢丝及热镀后钢丝的力学性能，检测结果见表7。

由表7可见，3件φ14.0 mm-XC95LS盘条平均强度分别为1 514、1 554、1 501 MPa，经拉拔至6.95 mm左右，其钢丝的拉拔应变为1.40。经拉拔后，光面钢丝的平均强度分别达到2 079、2 098、2 050 MPa。基于式( 3 )，对以上试验结果进行线性曲线拟合，得到

σ=1 500+387.16exp(ε/4)

( 4 )

在200 t的试生产中，对以上拟合曲线进行了相关性检验，相关系数R大于 0．99，证明本试验拟合的曲线正确合理，精度较高。结合以往生产经验可以看出，式( 3)中的系数项B与钢丝中碳的质量分数有关，对于2 000 MP钢丝，曲线斜率比传统的钢丝有所增大，说明随盘条含碳量的提高其加工硬化程度不断提高。再经热镀后，平均强度分别降低了25、21、22 MPa，强度损失约为1.1%。

表7 加工硬化试验研究力学性能

3.3.2 不同工艺后的力学性能对比试验

对比试验选取5组钢丝，分别对光面钢丝、镀锌铝后钢丝及稳定化处理后钢丝进行力学性能检测试验，5组钢丝的力学性能检测平均结果见表8。

表8 不同工况下的力学性能均值统计结果

由以上数据分析可知，光面钢丝经过热镀锌铝合金后，强度损失约1.1%，再经过稳定化处理后，强度基本保持不变；通过对比拉丝、热镀及稳定化处理后的钢丝扭转次数均未发生较大变化。

3.3.3 钢丝疲劳性能试验

选取3组(3根试件为1组)钢丝进行单丝轴向动载性能试验研究，检测方法基于文献[16]附录A，疲劳试验要求及试验结果见表9。

表9 钢丝疲劳试验要求及试验结果

3.3.4 首尾端力学性能及镀层性能检测

试生产总计投入φ14.0 mm-XC95LS 盘条120 件，最终制作成品钢丝总计132 件。

(1) 主要性能统计分析

钢丝的抗拉强度、弹性模量、抗扭转性能、镀层均匀性以及镀层质量的指标分布统计情况见表10、图3。

表10 钢丝主要检测指标统计

(2) 通过对132 件成品钢丝进行直径、不圆度、抗拉强度、屈服强度、延伸率、弹性模量、扭转、反复弯曲、缠绕、镀层质量、镀层附着性、镀层均匀性、镀层铝含量和自由翘高首尾检测，单项指标合格率统计为:① 扭转性能合格率为98.9%；②镀层均匀性合格率为98.9%；③其他指标合格率均为100%。钢丝抗拉试验、扭转试验后断面效果见图4。

汇总132件成品钢丝试验结果，对于每一批试件中出现不合格单项指标，即认为该试件不合格，则计算得其综合合格率为95.5%，能够满足工程应用需要。在工程应用中，通过采取生产厂家自检、工程应用单位抽检和第三方检测等质量控制措施，不允许不合格钢丝出厂，保证工程建设应用合格产品。

4 结论

针对沪通长江大桥的结构形式和受力特点，进行了2 000 MPa高强度平行钢丝试验研究。对采用国产盘条生产的钢丝关键性能指标及技术条件进行研究，试制成品钢丝进行抗拉强度、扭转及疲劳性能等检测试验分析，得到如下结论：

(1) 根据试制试验结果，拟合出2 000 MPa钢丝抗拉强度的加工硬化率参数，可用于指导后续钢丝生产。

(2) 研制出的桥梁缆索用直径7 mm钢丝抗拉强度达到2 000 MPa，扭转次数平均值达到25.5次，松弛率小于2.5%，使大直径钢丝既有较高的强度，又具有良好的韧塑性和松弛稳定性，提高了产品的综合性能。

(3) 试制的2 000 MPa 钢丝抗疲劳性能较好，不仅在应力上限为45%抗拉强度、应力幅值360 MPa 的条件下经过200 万次循环加载未发生断裂，而且在应力上限为50%抗拉强度、应力幅值分别为410、460 MPa 的条件下经过200 万次循环加载也未发生断裂。

(4) 钢丝镀层质量≥300 g/m2，镀层均匀性试验合格率达到98.9%；镀层附着性好，经过5D×8 圈的缠绕试验，不起层、不剥落，使钢丝的耐腐蚀性能在镀锌钢丝的基础上进一步提升。

直径7 mm 2 000 MPa平行钢丝为依托沪通长江大桥项目首次研发成功并得到工程应用，实现了钢丝用盘条的国产化，既推动了我国钢铁冶炼技术的进步，又提升了我国桥梁建设水平。