專利名稱：基于材料強度差實現壽命差的破損安全拉索的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于橋梁、建筑結構、長輸電線、海洋工程等索結構技術領域。具體涉及一種基于材料強度差實現壽命差的破損安全拉索。
背景技術：
由鋼絲或鋼絞線所構成的拉索，早已廣泛地應用在橋梁、建筑、礦山工程、海洋エ程、長輸電線等領域，然而，拉索驟斷結構毀損的重大事故，卻一直沒有杜絕。以橋梁拉索為例，迄今的破斷統計壽命為3 16年，很少超過20年。近年雖有改迸，尚不能指望其與結構的服役壽命相同，此其ー；其次，由于其載荷與環境作用的隨機性， 橋梁拉索的破斷壽命為非確定性的，何時破斷并不知道。因而，在橋梁的全壽命期內，拉索將多次破斷或拆換[唐寰澄橋梁拉索隱患剖祈，《橋梁》，2005/5期]。目前，雖然對拉索普遍采用了以壽命預測為核心的健康檢測與診斷技木，以及“三年ー檢測，十年一拆換”的保障措施，但由于載荷作用的隨機性和檢測的局限性，從本質上講，這樣的檢測和拆換措施，是不能排除拉索驟斷的危險。因為一，拉索的拆換時間，是根據剰余壽命預測(或評估)確定的，而隨機問題的壽命預測，為非確定性的‘統計量’[周傳月等MSC. Fatigue疲勞分析應用與實例.之pp. 49]。拉索究竟會何時破斷，是無法準確確定的。其ニ，對于橋梁鋼索，一般多采取‘疑斷就換’，一換就成批地換，甚至全橋拆換。即拆換的時間與拆換對象的決策，沒有定量準則或判據，因此帶有主觀性隨意性。既存在誤拆的浪費，也存在該拆而未拆的危險。其三，這樣ー換就成批或全橋拆換的作法，在橋梁的全壽命期內，其服役成本可與全橋建造的總造價相比，令人吃驚。如德國漢堡Kohlbrand Estuary橋拉索拆換一次的費用為原造價的4倍[王文濤.斜拉橋換索工程.前言];至于拉索驟斷損毀橋的修復費用，統計表明，將是全橋當年總造價的I倍以上；全橋拉索拆換一次的費用，與橋梁建造當年的總造價相當，為建橋當年拉索造價的6 10倍。譬如中國四川成渝公路內江新龍坳橋換索費用為全橋當年總造價的I. 2倍；四川宜賓小南門橋，因鋼索驟斷、橋梁損毀的修復及拉索拆換的費用，為全橋新建當年總造價的I. 5倍以上。“三年ー檢測，十年一拆換”的保障技術措施，從分析上講，只解決了當前的斷索危機，但并未排除橋梁拉索驟斷的鳳險。因為在拆換周期、乃至檢測周期內，因拉索驟然破斷帶來的垮橋風險不能排除，如美國明尼阿波利斯市密西西比河大橋，經明尼蘇達大學土木工程系等進行健康監測和檢測，不只一次地評估預測得出結論近期不必因疲勞問題而提前對大橋拉索進行更換。于是，更換工程被安排到了 2020年。然而，大橋卻提前于2007年8月I日，且在只有半幅通車的情況下，驟然垮塌了 [張啟偉.‘屢檢屢過’的大橋坍塌背后.科學時報.2007. 8. 24]。這無疑對橋梁拉索健康監測和診斷技術的可靠性，提出了尖鋭質疑。為了解決拉索驟斷毀橋問題，ZL200520034394. 9公開了ー種‘用于橋梁吊桿和拉索的破斷預警及在線拆換裝置’。該裝置的技術特征是拉索由兩根成品拉索組成，其中一根為承載索，另一根為安全索；承載索受力時，安全索不承載受力；承載索破斷后，安全索即承載受力。該裝置雖這一方面可避免承載索破斷后橋梁受損或垮塌，另一方面可保證實現在線更換承載索，但只適用于通常的多路傳力(如雙吊桿)系統，而對于大量(90%以上)存在的單路傳力拉索是不適用的，且如果是平行雙索還需張拉工藝才能實現，施工成本較高。繼后，ZL200720081631.6又公開了一種破損安全拉索，簡稱FSC。該拉索是基于鋼絲或鋼絞線的‘應力差實現壽命差’的準則，通過超張拉工藝，將組成拉索的鋼絲(或鋼絞 線)分為外層的應力水平較高的部份和中心應力水平較低的部份。應力水平較高的外層鋼絲(或鋼絞線)將先行破斷，即發出警示。中心部分鋼絲(或鋼絞線)則能繼續承載，保證鋼索整體不斷的情況下(此即謂斷絲不斷索)，立即拆換，且‘損一換一’，既避免了橋梁受損或垮塌，又勿需‘疑斷就換’，換則全橋或成批拆換。但該拉索需要通過安裝施工時的超張拉工藝來實現應力差，既增加工藝環節和超張控制的難度，又增加施工成本。
發明內容本實用新型的目的是針對現有技術存在的問題，提供一種基于材料強度差實現壽命差的破損安全拉索。本實用新型提供的基于材料強度差實現壽命差的破損安全拉索，該拉索由防護套和包覆其中的平行鋼絲或鋼絞線構成，其特征在于包覆其中的鋼絲或鋼絞線由破斷強度低的鋼絲或鋼絞線與破斷強度高的鋼絲或鋼絞線組成，且二者的鋼材破斷強度比為0. 68
0.86，優選 0. 75 0. 85。由于破斷強度低的鋼絲或鋼絞線驟然破斷時，其所承受的載荷將轉移至破斷強度高的鋼絲或鋼絞線上。這一突加的載荷轉移，會對破斷強度高的鋼絲或鋼絞線產生沖擊作用。為了保證破斷強度高的鋼絲或鋼絞線不致破斷，本實用新型取定破斷強度低的鋼絲或鋼絞線破斷時的沖擊系數為I. 62 2. 00，優選I. 63 I. 66。基于破斷強度低的鋼絲或鋼絞線的破斷沖擊系數的取定，結合現行設計規范的要求，即可確定構成破斷強度低的鋼絲或鋼絞線與破斷強度高的鋼絲或鋼絞線的截面面積。考慮到本實用新型提供的拉索中破斷強度低的鋼絲或鋼絞線先行斷裂后，拆換需要一定時間，為了保證在此拉索拆換期間破斷強度高的鋼絲或鋼絞線不致驟斷，以便安全拆換，對此本實用新型將其取定為在破斷強度低的鋼絲或鋼絞線破斷后，破斷強度高的鋼絲或鋼絞線的平均剩余壽命> 6個月。本發明人在考查鋼索破斷實例還發現，在拉索服役過程中，由于外部環境及載荷的作用，位于防護套內的鋼絲或鋼絞線多從外圈開始破斷，因此，為了使該拉索的破斷預警作用更強，本實用新型將破斷強度低的鋼絲或鋼絞線均勻分布于破斷強度高的鋼絲或鋼絞線的外圈。本實用新型提供的拉索可應用于所有的索結構工程，包括橋梁、建筑結構、礦山工程、長輸電線、海洋工程等。本實用新型具有以下優點I、由于本實用新型提供的拉索是由破斷強度不同的鋼絲或鋼絞線組成，因而不需要如現有專利技術ZL200720081631. 6那樣，在安裝施工時需通過超張拉工藝產生應力差，進而實現壽命差。2、本實用新型提供的拉索在服役期間，破斷強度低的鋼絲或鋼絞線與破斷強度高的鋼絲或鋼絞線雖與通常拉索一樣，全截面均勻受力，但由于二者存在破斷強度差，和設定的破斷沖擊以及破斷壽命差等條件，因而破斷強度低的鋼絲或鋼絞線將一定較破斷強度高的鋼絲或鋼絞線先行破斷發出警示，進而可立即拆換該拉索，‘隨斷隨換’，‘損一換一’，避免了目前的‘非確定性的’壽命預測，疑斷就換，一換則成批(或全橋)地換的弊病，另一方面，在破斷強度低的鋼絲或鋼絞線破斷退出工作后，破斷強度高的鋼絲或鋼絞線能夠繼續承載，既可在拆換該拉索期間不致斷索毀橋，又可為拆換該拉索提供安全作業的時間。3、由于本實用新型提供的拉索除了組成拉索材質不同外，其它有關構造、防護、錨固、加工、安裝、調索等均與通常拉索完全相同，因而既適用現行橋梁規范，又制造容易。4、本實用新型提供的拉索設計巧妙，結構簡單，易于推廣應用。
圖I為本實用新型提供的拉索的結構示意圖；圖2為本實用新型由鋼絲構成的拉索橫截面的結構示意圖；圖3為本實用新型由鋼絞線構成的拉索橫截面的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖給出實施例以對本實用新型作出進一步說明，但所給出的實施例不能理解為對本實用新型保護范圍的限制，因而本領域的技術人員根據上述本實用新型的內容和設計思想所作出的非本質的改進和調整也應屬于本實用新型的保護范圍。實施例I如圖1、2所示，本實施例給出的拉索是由防護套P和包覆其中的平行鋼絲構成，平行鋼絲又是由破斷強度低的鋼絲F與破斷強度高的鋼絲S組成，且破斷強度低的鋼絲F均勻分布于破斷強度高的鋼絲S的外圈。本實施例在設計索力為3658KN下，其破損安全拉索的構成為F由破斷強度為1670Mpa的PES370 7鋼絲組成；37Φ7 PES高強鋼絲，其破斷強度為1670Mpa ;F與S鋼絲的破斷強度比取O. 85 ;當S的破斷強度取1960Mpa時，得到S的截面為PES15107 ;XF破斷時其沖擊系數取為1.63。F與S的鋼絲的強度比取為O. 85，則S也為PES高強鋼絲，其破斷強度為1960Mpa，初擬的S截面為151Φ7 ;又F破斷時，對S的沖擊系數取為I. 63。根據上述條件，對拉索的破損安全性進行驗算。結果匯總見表I。表I
序I斜纟覽I絲束I設計I截面I破~斷I沖擊I截面各工況安全系數—
號鋼索名稱索力組成強_度系數面積服役I F斷時 F斷后
1FSCM F 絲 3658KN 37 Φ 7 1670Mpa 1.63 1424mm2 3.29 OO
2S 絲151Φ 7 1960Mpa5773mm2 3.86 2.76 3.1 1由表I可知①拉索的服役安全系數F為3. 29，S為3. 86 ；F破斷瞬時，S的安全系數為2. 76 ；F破斷后(拆換前)S的安全系數為3. 11。②根據規范JTGT D65-01-2007的要求，拉索服役エ況的安全系數不得小于2. 50，臨時受載エ況安全系數容許值為2. 00。驗算表明，拉索破損安全各エ況，均滿足規范要求。實施例2如圖1、3所示，本實施例給出的拉索是由防護套P和包覆其中的鋼絞線構成，鋼絞線是由破斷強度低的鋼絞線F與破斷強度高的鋼絞線S組成，且破斷強度低的鋼絞線F均勻分布于破斷強度高的鋼絞線S的外圈，而每股鋼絞線又是由7Φ5鋼絲絞合而成。本實施例在設計索カ為4840kN，其破損安全拉索的構成為F束由破斷強度為1570Mpa的6Φ15. 2PES鋼絞線組成；F與S鋼絞線材料的破斷強度比取為O. 80，因S也為PES鋼絞線，當其破斷強度為1960Mpa，初擬的S截面為31-Φ15. 2 ;F破斷時，對S的沖擊系數取為1.63。根據上述條件，對拉索的破損安全性，進行驗算考査。驗算結果匯總如表2表 2
序斜纟覽j索股j設i十I截面~I破斷I沖擊I截面I 各エ況安全系數 號鋼索名稱索力型號強度系數面積服役[F斷時I >斷后:I F 束 6Φ15. 2 1570Mpa 840mm2 I. 68 O O-FSCM - 4840kN--I. 63----
2S 束31Φ15.2 1960Mpa4340mm2 2. 10 1.87 1.78根據標準JTG/TD65-01-2007，第4· 3· 3條的指示，矮塔斜拉橋的斜纜按預應カ混凝土結構的體外索設計，相應的服役安全系數不得小于I. 67。由表I可知①破損安全斜纜，在服役中F束的安全系數為I. 68，S的安全系數為2. 10，均滿足規范要求。②F破斷瞬吋，S的安全系數為1.87 ;F破斷后單獨承載時，S的安全系數為1.78，也滿足規范要求。以上驗算表明本實施例破損安全斜纜，各エ況均是安全的。實施例3如圖I和圖3所示，本實施例給出的拉索是由防護套P和包覆其中的鋼絞線構成，其中又分為破斷強度低的鋼絞線F與破斷強度高的鋼絞線S，且破斷強度低的鋼絞線F均勻分布于破斷強度高的鋼絞線S的外圏。本實施例在設計索カ為1107kN時，其破損安全拉索的構成為F由破斷強度為1470Mpa的4Φ45鋼絞線組成；F與S的鋼絞線的強度比取為
O.75 ;當S的破斷強度取1960Mpa時，得到S截面為150^15 ;XF破斷時，對S的沖擊系數取為面1.66。根據上述條件，對拉索的破損安全性進行驗算。驗算結果匯總如表3。表權利要求1.一種基于材料強度差實現壽命差的破損安全拉索，該拉索由防護套(P)和包覆其中的平行鋼絲或鋼絞線構成，其特征在于包覆其中的鋼絲或鋼絞線由破斷強度低的鋼絲或鋼絞線(F)與破斷強度高的鋼絲或鋼絞線(S)組成，且二者的鋼材破斷強度比為O. 68 O.86。
2.根據權利要求I所述的基于材料強度差實現壽命差的破損安全拉索，其特征在于破斷強度低的鋼絲或鋼絞線(F)破斷時，其沖擊系數為I. 62 2. 00。
3.根據權利要求I或2所述的基于材料強度差實現壽命差的破損安全拉索，其特征在于破斷強度低的鋼絲或鋼絞線(F)破斷后，破斷強度高的鋼絲或鋼絞線(S)的平均剩余壽命≥6個月。
4.根據權利要求I或2所述的基于材料強度差實現壽命差的破損安全拉索，其特征在于破斷強度低的鋼絲或鋼絞線(F)均勻分布于破斷強度高的鋼絲或鋼絞線(S)的外圈。
5.根據權利要求3所述的基于材料強度差實現壽命差的破損安全拉索，其特征在于強度低的鋼絲或鋼絞線(F)均勻分布于破斷強度高的鋼絲或鋼絞線⑶的外圈。
專利摘要本實用新型公開的基于材料強度差實現壽命差的破損安全拉索是由防護套P和包覆其中的平行鋼絲或鋼絞線構成，其特征在于包覆其中的鋼絲或鋼絞線由破斷強度低的鋼絲或鋼絞線F與破斷強度高的鋼絲或鋼絞線S組成，且二者的鋼材破斷強度比為0.68～0.86，破斷強度低的鋼絲或鋼絞線F破斷時的沖擊系數為1.62～2.00。由于本實用新型的拉索是由破斷強度不同的鋼絲或鋼絞線組成，因而既不需要安裝施工時通過超張拉工藝來實現壽命差，且在拉索的服役中，其全截面均勻受力的情況下，一方面可通過破斷強度低的鋼絲或鋼鋼絞線F的先行破斷警示，可立即拆換該拉索，另一方面通過強度高的鋼絲或鋼絞線S的承載，可在拆換該拉索期間避免斷索毀橋。
文檔編號D07B1/10GK202440710SQ20122005297
公開日2012年9月19日 申請日期2012年2月17日 優先權日2012年2月17日
發明者廖光明, 湯國棟, 湯朋 申請人:廖光明, 湯國棟