專利名稱：基于材料強度差實現(xiàn)壽命差的破損安全拉索的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于橋梁、建筑結(jié)構(gòu)、長輸電線、海洋工程等索結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種基于材料強度差實現(xiàn)壽命差的破損安全拉索。
背景技術(shù)：
由鋼絲或鋼絞線所構(gòu)成的拉索，早已廣泛地應(yīng)用在橋梁、建筑、礦山工程、海洋エ程、長輸電線等領(lǐng)域，然而，拉索驟斷結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(jié)構(gòu)的服役壽命相同，此其ー；其次，由于其載荷與環(huán)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(nèi)，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(yù)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(zhì)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(jù)剰余壽命預(yù)測(或評估)確定的，而隨機問題的壽命預(yù)測，為非確定性的‘統(tǒng)計量’[周傳月等MSC. Fatigue疲勞分析應(yīng)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(jù)，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(nèi)，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(fù)費用，統(tǒng)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(nèi)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(fù)及拉索拆換的費用，為全橋新建當年總造價的I. 5倍以上?！叭戛`檢測，十年一拆換”的保障技術(shù)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(nèi)，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(jīng)明尼蘇達大學(xué)土木工程系等進行健康監(jiān)測和檢測，不只一次地評估預(yù)測得出結(jié)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(xué)時報.2007. 8. 24]。這無疑對橋梁拉索健康監(jiān)測和診斷技術(shù)的可靠性，提出了尖鋭質(zhì)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(yù)警及在線拆換裝置’。該裝置的技術(shù)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(xiàn)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(tǒng)，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(xiàn)，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(yīng)力差實現(xiàn)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(yīng)力水平較高的部份和中心應(yīng)力水平較低的部份。應(yīng)力水平較高的外層鋼絲(或鋼絞線)將先行破斷，即發(fā)出警示。中心部分鋼絲(或鋼絞線)則能繼續(xù)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(xiàn)應(yīng)力差，既增加工藝環(huán)節(jié)和超張控制的難度，又增加施工成本。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種基于材料強度差實現(xiàn)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(xiàn)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(gòu)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(yōu)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(zhuǎn)移至破斷強度高的鋼絲或鋼絞線上。這一突加的載荷轉(zhuǎn)移，會對破斷強度高的鋼絲或鋼絞線產(chǎn)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(shù)為I. 62 2. 00，優(yōu)選I. 63 I. 66?；谄茢鄰姸鹊偷匿摻z或鋼絞線的破斷沖擊系數(shù)的取定，結(jié)合現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的要求，即可確定構(gòu)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?？紤]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(fā)明人在考查鋼索破斷實例還發(fā)現(xiàn)，在拉索服役過程中，由于外部環(huán)境及載荷的作用，位于防護套內(nèi)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(yù)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(yīng)用于所有的索結(jié)構(gòu)工程，包括橋梁、建筑結(jié)構(gòu)、礦山工程、長輸電線、海洋工程等。本實用新型具有以下優(yōu)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(xiàn)有專利技術(shù)ZL200720081631. 6那樣，在安裝施工時需通過超張拉工藝產(chǎn)生應(yīng)力差，進而實現(xiàn)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(shè)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(fā)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(yù)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(xù)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(yè)的時間。3、由于本實用新型提供的拉索除了組成拉索材質(zhì)不同外，其它有關(guān)構(gòu)造、防護、錨固、加工、安裝、調(diào)索等均與通常拉索完全相同，因而既適用現(xiàn)行橋梁規(guī)范，又制造容易。4、本實用新型提供的拉索設(shè)計巧妙，結(jié)構(gòu)簡單，易于推廣應(yīng)用。

圖I為本實用新型提供的拉索的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型由鋼絲構(gòu)成的拉索橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型由鋼絞線構(gòu)成的拉索橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)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(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述本實用新型的內(nèi)容和設(shè)計思想所作出的非本質(zhì)的改進和調(diào)整也應(yīng)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(gòu)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(shè)計索力為3658KN下，其破損安全拉索的構(gòu)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(shù)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(shù)取為I. 63。根據(jù)上述條件，對拉索的破損安全性進行驗算。結(jié)果匯總見表I。表I
序I斜纟覽I絲束I設(shè)計I截面I破~斷I沖擊I截面各工況安全系數(shù)—
號鋼索名稱索力組成強_度系數(shù)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(shù)F為3. 29，S為3. 86 ；F破斷瞬時，S的安全系數(shù)為2. 76 ；F破斷后(拆換前)S的安全系數(shù)為3. 11。②根據(jù)規(guī)范JTGT D65-01-2007的要求，拉索服役エ況的安全系數(shù)不得小于2. 50，臨時受載エ況安全系數(shù)容許值為2. 00。驗算表明，拉索破損安全各エ況，均滿足規(guī)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(gòu)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(shè)計索カ為4840kN，其破損安全拉索的構(gòu)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(shù)取為1.63。根據(jù)上述條件，對拉索的破損安全性，進行驗算考査。驗算結(jié)果匯總?cè)绫?表 2
序斜纟覽j索股j設(shè)i十I截面~I破斷I沖擊I截面I 各エ況安全系數(shù) 號鋼索名稱索力型號強度系數(shù)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(jù)標準JTG/TD65-01-2007，第4· 3· 3條的指示，矮塔斜拉橋的斜纜按預(yù)應(yīng)カ混凝土結(jié)構(gòu)的體外索設(shè)計，相應(yīng)的服役安全系數(shù)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(shù)為I. 68，S的安全系數(shù)為2. 10，均滿足規(guī)范要求。②F破斷瞬吋，S的安全系數(shù)為1.87 ;F破斷后單獨承載時，S的安全系數(shù)為1.78，也滿足規(guī)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(gòu)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(shè)計索カ為1107kN時，其破損安全拉索的構(gòu)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(shù)取為面1.66。根據(jù)上述條件，對拉索的破損安全性進行驗算。驗算結(jié)果匯總?cè)绫?。表權(quán)利要求1.一種基于材料強度差實現(xiàn)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(gòu)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(jù)權(quán)利要求I所述的基于材料強度差實現(xiàn)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(shù)為I. 62 2. 00。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于材料強度差實現(xiàn)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(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于材料強度差實現(xiàn)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(jù)權(quán)利要求3所述的基于材料強度差實現(xiàn)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(xiàn)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(gòu)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(shù)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(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)明者廖光明, 湯國棟, 湯朋 申請人:廖光明, 湯國棟