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平行钢绞线和平行钢丝斜拉索对比分析
杨吉新，喻桥，石旷，鲁晓威
(武汉理工大学，湖北武汉430063)
摘要：斜拉索种类的选择是斜拉桥设计时必须要考虑的重要因素，目前斜拉桥使用的斜拉索主要是平行钢丝斜拉索和平行钢绞线斜拉索，而这两种斜拉索又各有特点，在很多方面还是存在较大的差别。为此，本文通过从拉索材料、制造工艺、张拉方法、张拉力的确定、力学性能、索力测量控制等方面对比分析两种拉索的优缺点，并结合桥梁设计理论分析两种拉索的适用性，为斜拉桥设计时斜拉索种类的选择提供一定的理论参考。 关键词：斜拉桥；斜拉索；张拉力；力学性能；索力测量
中图分类号:U44&27文献标识码：A文章编号：1673-5781(2019)01-0038-03
0引言
斜拉索作为斜拉桥的重要组成部分，其制造工艺、使用材料、结构形式随着斜拉桥形式和跨径的发展而不断变化，但是总的来说主要有两大类型，分别是钢丝斜拉索和钢绞线斜拉索。在20世纪50年代到80年代，高强度的钢丝是大跨度斜拉桥斜拉索的主要选择，为了减小成索直径，一般将钢丝紧密平行排列，所以称之为平行钢丝斜拉索。而从20世纪80年代开始，大跨度斜拉桥开始采用钢绞线斜拉索。最初的钢绞线斜拉索孔隙率较大。直到20世纪90年代，为了降低钢绞线的孔隙率，紧密型钢绞线斜拉索被提出，并在法国诺曼底大桥中成功应用⑴，从此钢绞线斜拉索开始不断发展。作为目前斜拉桥主要采用的拉索类型，两者各有优缺点，为 T更好地选择拉索类型，需要全面对比分析两者的区别。
1基本概况对比
1.1使用材料
平行钢丝拉索直接由镀锌高强钢丝制成；同样平行钢绞线拉索所用的材料也是高强钢丝，不同的是它是先由多根高强钢丝(一般为5根或者7根)拧成一股成为钢绞线，再由钢绞线制成斜拉索，使用的钢绞线可以是光面钢绞线、镀锌钢绞线、环氧涂层钢绞线和超耐久性钢绞线。
从使用材料来看，两者并无本质区别，只是钢绞线通过对高强钢丝进行了预处理，而这一处理会使得钢绞线的弹性模量略低于单根高强钢丝，同时涂层和绞拧处理会使得拉索结构应力松弛损失相对增大⑵。对于斜拉索这种高拉应力的结构，应力松弛问题是在结构设计和施工时不得不考虑的问题，所以 独立空间采用钢绞线拉索时应特别注意锚固及张拉端夹具和锚头的尺寸、构造和强度。1.2结构特点和制造工艺
1.2.1平行钢丝拉索
原代细胞转染
平行钢丝拉索是将若干根高强钢丝按标准形式平行并拢排列，然后向同一个方向做轻度扭绞，扭转角度一般控制在2。〜4。，再缠绕一层纤维带或钢带扎紧，最外层用挤塑机热挤聚乙烯(PE)护套作防护，最后根据设计长度精确下料，并在两端灌注锚具、经超张拉检验后制成成品拉索。平行钢丝拉索所有制造过程全部在工厂进行，制成成品索后运输到现场安装张拉，其截面示意图如图1所示。
《全民健身条例》1—外层护套;2—内层护套；3—高强聚酯纤维带；4—高强镀锌钢丝
图1平行钢丝拉索截面示意图
1.2.2平行钢绞线拉索
钢绞线拉索主要由若干钢绞线和双层同步挤压成型的高密度聚乙烯(HDPE)防护套管组成，两端配有单根夹片式张拉端锚具和锚固端锚具。此拉索为半成品，需要运输到施工现场逐根穿索并进行张拉，其截面示意图如图2所示。
索体构造
图2平行钢绞线拉索截面示意图
收稿日期：2018-12-14；修改日期：2019-01-04
作者简介：喻桥(1993-)，男，湖北十堰人，武汉理工大学硕士研究生. 38《工程与建设》2019年第33卷第1
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I工程计杨吉新，等：平行钢绞线和平行钢丝斜拉索对比分析
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2两种拉索的优缺点
虽然两者拉索在使用材料及结构形式上差异不大，但是两者在各方面的表现还是有较大的差别的，也是各有优缺点，下面就是两种拉索各自的优势和劣势对比分析。
2.1平行钢丝拉索
2.1.1平行钢丝拉索的优点
(1)首先从制造工艺上来说，这种拉索全部在工厂标准化制造，能够按照相关技术标准严格控制成品拉索的质量。这不仅对斜拉索自身受力十分重要，也关乎全桥的受力安全。
(2)成品钢丝拉索采用的是整体张拉方法，安装张拉工序简单易控制，能够很好地保证每一根钢丝受力的均匀性，同时有利于施工过程中测量控制索力大小。在斜拉桥施工过程中，整个结构对索力是很敏感的，需要精准控制实际施工过程中张拉索力和设计值的误差。
(3)易于测量索力值，对于液压千斤顶法、压力传感器法、磁通量法、频率法匕―刃等多种常见的索力测试方法均适用。可根据实际情况选择测量方法，且测量误差较小，特别是对于目前普遍采用的频率法特别适用。该拉索无论在施工期间还是使用维护期间都能准确测量监控索力值。
(4)成品索直径相对钢绞线拉索较小。由《公路桥梁抗风设计指南》⑹相关计算公式可知，由斜拉索引起的横桥向风荷载是和拉索直径呈正相关的，所以钢丝拉索相对钢绞线拉索引起的横桥向风荷载较小。
当风荷载在结构受力分析中所占比例较高时，这方面的优势就更加明显。
2.1.2平行钢丝拉索的缺点
(1)高强钢丝与PE护套热熔黏结，钢丝受力时可传递给PE护套，护套在受力状态下易开裂；镀锌层易在运输及制索时损坏，镀锌层受损时，极易发生电极反应，加速镀锌层的腐蚀。
(2)整根索的重量较重，且采用整体张拉的方式，所以对运输、吊装和张拉设备要求较高，而且随着索长的增加，这方面的成本也会随之增加。
(3)因为是整体安装的方式，所以一旦某一根钢丝出现问题，只能更换整根索，这样就会增加后期运营维护的成本。中脑边缘系统
(4)由于没有像钢绞线拉索那样的PE护套，钢丝拉索的耐腐蚀性稍差，对于斜拉索这种受很大拉应力的结构来说，耐久性是很重要的性能，所以钢丝拉索在这方面远不如钢绞线拉索，这也使得它的长期承载能力会有所下降。
(5)相关研究⑺表明：考虑风、雨引起拉索振动时，在风、雨荷载条件一定的情况下，拉索的振幅是随着结构的频率的增加而衰减的侗样随着阻尼比的增大，振幅也是呈减小趋势，甚至振动现象消失，这说明固有频率和阻尼比大的索结构在抗风雨激振方面有较好的性能。但是钢丝拉索的固有频率和阻尼
比都比钢绞线拉索小E ，所以它在抗风雨激振方面的性能不如钢绞线拉索。2.2平行钢绞线拉索
2.2.1平行钢绞线拉索的优点
(1)平行钢绞线拉索采用的是现场逐根穿索张拉，这就大大降低了对运输、吊装和张拉设备的要求，一般采用小型卷扬机和千斤顶即可进行安装张拉，这是钢绞线拉索一大优势。
(2)与平行钢丝拉索相比，钢绞线拉索由于独特的制造施工工艺使得它不仅可以单根张拉，也可以单根换索，这就大大降低了后期维护保养的费用，而且更换单根钢绞线一般情况下都不用中断交通，这一点具有很大的社会效益和经济效益。
(3)钢绞线拉索由于内外层都有护套，这将大大增加它的耐腐蚀性和使用寿命，这是它逐渐被众多斜拉桥采用的原因之-O
(4)钢绞线拉索不仅可以像钢丝拉索那样一次张拉，还可以多次等值张拉和多次等力张拉R，这就能很好的地根据实际施工情况调整张拉方案，合理控制施工过程中结构的受力，保证施工安全。
(5)正如前面提到的，它在抗风雨激振方面的性能比钢丝拉索好，虽然早期的钢绞线拉索的直径比钢丝拉索大，但是随着紧密型钢绞线拉索的出现，这方面的劣势也不再明显，反倒是钢绞线动力响应方面的优势更加突出。
2.2.2平行钢绞线拉索的缺点
(1)现场逐根穿索张拉必定会增加施工难度和施工周期，也会干扰其他工序的施工，这就需要现场组织协调好施工顺序。
(2)钢绞线拉索的涂层和绞拧处理会使得拉索结构应力松弛损失相对增大⑵，对于斜拉索这种高拉应力的结构，应力松弛问题是在结构设计和施工时不得不考虑的问题，所以采用钢绞线拉索时应特别注意锚固及张拉端夹具和锚头的尺寸、构造和强度。
(3)由于钢绞线拉索各钢绞线之间会相互影响，在张拉后面的钢绞线时，前面已经张拉完成的钢绞线的拉力会发生变化，所以需要在张拉前准确计算每一根钢绞线的张拉力，以此保证各钢绞线拉力的均匀性和总索力的准确性，虽然目前已有多种计算方法，如等值张拉法才诃(正装分析法)、逆推法竝、数值计算法［切等，这些计算方法也都能较准确地计算出各钢绞线的拉力，但是张拉力还会受到其他因素的影响，比如索的垂度影响、HDPE套管的影响，而且套管安装时间的不同，产生的影响也不同，另外施工过程中难免会有误差，所以需要对现有计算方法进行修正改善，同时在施工过程需要特别注意控制索力大小，保证各钢绞线拉力的均匀性。
(4)钢绞线拉索最大的问题就是它的索力测量问题，虽然在施工过程中可用液压千斤顶、磁通量法和压力传感器等方法来测量索力，但是这些方法都依赖于预埋传感器元件，不利于施工监控；另外后期运
营期间也需要定期对索力进行测量监控，而此时常用的频率法却不能准确地测量索力，尽管有研究
《工程与建设》2019年第33卷第1期39
sdtv亜杨吉机等：平行钢绞线和平行钢丝斜拉索对比分析设
分析工]认为只要通过修正护套自重对拉索线密度的影响，频率法可以较准确地测量钢绞线拉索的索力，但是实际的钢绞线拉索和HDPE护套之间并没有过多的接触，且拉索垂度也会有影响，所以此方法的适用性还有待研究。
3适用性
在斜拉桥设计时，要综合考虑各方面的因素来决定桥梁各构件的选择，目前桥设计采用的是全寿命周期设计理论[⑶，该理论主要包含以下几个方面。
(1)桥梁整体结构和可更换构件的寿命设定。
(2)桥梁整体结构的性能设计和构件的功能设计及构件刚度、强度和稳定性的设计，桥梁的耐久性设计，整体风险分析和应对策略的设计。
(3)桥梁的美观视觉设计包括造型与附属景观的设计。
(4)环境设计包括材料的环保、回收及再利用的设计。
(5)在施工过程需严格控制设计，保障施工质量可以完美的反应设计效果。
(6)桥梁后期的管理与养护设计。
(7)桥梁全寿命周期成本、预算和远景效益分析。
结合该设计理论和两种拉索各方面的特点[⑷，可以简要分析得出它们各自适合的斜拉桥的特点以及其他相关因素应满足的条件，具体如下。
3.1平行钢丝拉索
变电站模型(1)中小型斜拉桥，索长较短，自重较轻，对吊装、张拉设备要求低。
(2)桥梁周围临时施工场地宽阔，方便存放成品斜拉索。
(3)桥梁周围环境变化、温度变化、气候变化不是十分剧烈的地方，因为这样可以减缓拉索的腐蚀速率，提高拉索的使用寿命。
(4)桥梁所处位置常年平均风速较小，且为地震低发地区。
(5)预期交通增长量不大的道路，方便后期维护组织交通。
3.2平行钢丝拉索
(1)中大型斜拉桥，索长相对较长、自重较重，拉索数量多。
(2)沿海、大江大河、山谷等气候条件变化剧烈以及地震高发的地区。
(3)重大交通的控制性桥梁，对桥梁的使用年限要求较高。
(4)交通流量大，且后期运行期间交通量增速较快。
4结论
通过从以上几方面对比分析平行钢绞线拉索和平行钢丝拉索，可以得出以下结论：
(1)从使用材料、制造工艺、施工张拉过程来看，平行钢绞线拉索在多方面的性能都和平行钢丝拉索相差无几，甚至在耐久性、造价、后期维护方面都要优于钢丝拉索。
(2)平行钢绞线拉索需要相关计算和控制方法来保证各钢绞线索力的均匀性，所以需要不断对现有计算、控制方法进行改善，以此保证索力的均匀性，而平行钢丝拉索则不需要。
(3)在承载能力、风载性能、抗风雨激振性能等方面，综合分析可知平行钢绞线拉索还是要优于平行钢丝拉索，所以未来斜拉索的发展趋势必然是直径更小、阻尼比更大的紧密型钢绞线斜拉索。
(4)就索力测量控制来说，平行钢丝拉索具有一定的优势，而针对钢绞线拉索的索力测试方法还有待进一步研究改善。
(5)综合两种拉索的适用性可以看出，钢绞线拉索的适用性更强，所以未来更加优质、耐久、性能优越的钢绞线拉索将会是斜拉桥的首选。
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