基于材料强度差实现寿命差的破损安全拉索
技术领域t
本实用新型属于桥梁、建筑结构、长输电线、海洋工程等索结构技术领域。具体涉及一种基于材料强度差实现寿命差的破损安全拉索。
背景技术t
由钢丝或钢绞线所构成的拉索，早已广泛地应用在桥梁、建筑、矿山工程、海洋工程、长输电线等领域，然而，拉索骤断结构毁损的重大事故，却一直没有杜绝。
以桥梁拉索为例，迄今的破断统计寿命为3～16年，很少超过20年。近年虽有改进，尚不能指望其与结构的服役寿命相同，此其一；其次，由于其载荷与环境作用的随机性，桥梁拉索的破断寿命为非确定性的，何时破断并不知道。因而，在桥梁的全寿命期内，拉索将多次破断或拆换[唐寰澄：桥梁拉索隐患剖析，《桥梁》，2005/5期]。
目前，虽然对拉索普遍采用了以寿命预测为核心的健康检测与诊断技术，以及“三年一检测，十年一拆换”的保障措施，但由于载荷作用的随机性和检测的局限性，从本质上讲，这样的检测和拆换措施，是不能排除拉索骤断的危险。因为一，拉索的拆换时间，是根据剩余寿命预测(或评估)确定的，而随机问题的寿命预测，为非确定性的‘统计量’[周传月等：MSC.Fatigue疲劳分析应用与实例.之pp.49]。拉索究竟会何时破断，是无法准确确定的。其二，对于桥梁钢索，一般多采取‘疑断就换’，一换就成批地换，甚至全桥拆换。即拆换的时间与拆换对象的决策，没有定量准则或判据，因此带有主观性随意性。既存在误拆的浪费，也存在该拆而未拆的危险。其三，这样一换就成批或全桥拆换的作法，在桥梁的全寿命期内，其服役成本可与全桥建造的总造价相比，令人吃惊。如德国汉堡Kohlbrand Estuary桥拉索拆换一次的费用为原造价的4倍[王文涛.斜拉桥换索工程.前言]；
至于拉索骤断损毁桥的修复费用，统计表明，将是全桥当年总造价的1倍以上；全桥拉索拆换一次的费用，与桥梁建造当年的总造价相当，为建桥当年拉索造价的6～10倍。譬如中国四川成渝公路内江新龙坳桥换索费用为全桥当年总造价的1.2倍；四川宜宾小南门桥，因钢索骤断、桥梁损毁的修复及拉索拆换的费用，为全桥新建当年总造价的1.5倍以上。
“三年一检测，十年一拆换”的保障技术措施，从分析上讲，只解决了当前的断索危机，但并未排除桥梁拉索骤断的凤险。因为在拆换周期、乃至检测周期内，因拉索骤然破断带来的垮桥风险不能排除，如美国明尼阿波利斯市密西西比河大桥，经明尼苏达大学土木工程系等进行健康监测和检测，不只一次地评估预测得出结论：近期不必因疲劳问题而提前对大桥拉索进行更换。于是，更换工程被安排到了2020年。然而，大桥却提前于2007年8月1日，且在只有半幅通车的情况下，骤然垮塌了[张启伟.‘屡检屡过’的大桥坍塌背后.科学时报.2007.8.24]。这无疑对桥梁拉索健康监测和诊断技术的可靠性，提出了尖锐质疑。
为了解决拉索骤断毁桥问题，ZL200520034394.9公开了一种‘用于桥梁吊杆和拉索的破断预警及在线拆换装置’。该装置的技术特征是：拉索由两根成品拉索组成，其中一根为承载索，另一根为安全索；承载索受力时，安全索不承载受力；承载索破断后，安全索即承载受力。该装置虽这一方面可避免承载索破断后桥梁受损或垮塌，另一方面可保证实现在线更换承载索，但只适用于通常的多路传力(如双吊杆)系统，而对于大量(90％以上)存在的单路传力拉索是不适用的，且如果是平行双索还需张拉工艺才能实现，施工成本较高。
继后，ZL200720081631.6又公开了一种破损安全拉索，简称FSC。该拉索是基于钢丝或钢绞线的‘应力差实现寿命差’的准则，通过超张拉工艺，将组成拉索的钢丝(或钢绞线)分为外层的应力水平较高的部份和中心应力水平较低的部份。应力水平较高的外层钢丝(或钢绞线)将先行破断，即发出警示。中心部分钢丝(或钢绞线)则能继续承载，保证钢索整体不断的情况下(此即谓断丝不断索)，立即拆换，且‘损一换一’，既避免了桥梁受损或垮塌，又勿需‘疑断就换’，换则全桥或成批拆换。但该拉索需要通过安装施工时的超张拉工艺来实现应力差，既增加工艺环节和超张控制的难度，又增加施工成本。
发明内容t
本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于材料强度差实现寿命差的破损安全拉索。
本实用新型提供的基于材料强度差实现寿命差的破损安全拉索，该拉索由防护套和包覆其中的平行钢丝或钢绞线构成，其特征在于包覆其中的钢丝或钢绞线由破断强度低的钢丝或钢绞线与破断强度高的钢丝或钢绞线组成，且二者的钢材破断强度比为0.68～0.86，优选0.75～0.85。
由于破断强度低的钢丝或钢绞线骤然破断时，其所承受的载荷将转移至破断强度高的钢丝或钢绞线上。这一突加的载荷转移，会对破断强度高的钢丝或钢绞线产生冲击作用。为了保证破断强度高的钢丝或钢绞线不致破断，本实用新型取定破断强度低的钢丝或钢绞线破断时的冲击系数为1.62～2.00，优选1.63～1.66。基于破断强度低的钢丝或钢绞线的破断冲击系数的取定，结合现行设计规范的要求，即可确定构成破断强度低的钢丝或钢绞线与破断强度高的钢丝或钢绞线的截面面积。
考虑到本实用新型提供的拉索中破断强度低的钢丝或钢绞线先行断裂后，拆换需要一定时间，为了保证在此拉索拆换期间破断强度高的钢丝或钢绞线不致骤断，以便安全拆换，对此本实用新型将其取定为：在破断强度低的钢丝或钢绞线破断后，破断强度高的钢丝或钢绞线的平均剩余寿命≥6个月。
本发明人在考查钢索破断实例还发现，在拉索服役过程中，由于外部环境及载荷的作用，位于防护套内的钢丝或钢绞线多从外圈开始破断，因此，为了使该拉索的破断预警作用更强，本实用新型将破断强度低的钢丝或钢绞线均匀分布于破断强度高的钢丝或钢绞线的外圈。
本实用新型提供的拉索可应用于所有的索结构工程，包括桥梁、建筑结构、矿山工程、长输电线、海洋工程等。
本实用新型具有以下优点：
1、由于本实用新型提供的拉索是由破断强度不同的钢丝或钢绞线组成，因而不需要如现有专利技术ZL200720081631.6那样，在安装施工时需通过超张拉工艺产生应力差，进而实现寿命差。
2、本实用新型提供的拉索在服役期间，破断强度低的钢丝或钢绞线与破断强度高的钢丝或钢绞线虽与通常拉索一样，全截面均匀受力，但由于二者存在破断强度差，和设定的破断冲击以及破断寿命差等条件，因而破断强度低的钢丝或钢绞线将一定较破断强度高的钢丝或钢绞线先行破断发出警示，进而可立即拆换该拉索，‘随断随换’，‘损一换一’，避免了目前的‘非确定性的’寿命预测，疑断就换，一换则成批(或全桥)地换的弊病，另一方面，在破断强度低的钢丝或钢绞线破断退出工作后，破断强度高的钢丝或钢绞线能够继续承载，既可在拆换该拉索期间不致断索毁桥，又可为拆换该拉索提供安全作业的时间。
3、由于本实用新型提供的拉索除了组成拉索材质不同外，其它有关构造、防护、锚固、加工、安装、调索等均与通常拉索完全相同，因而既适用现行桥梁规范，又制造容易。
4、本实用新型提供的拉索设计巧妙，结构简单，易于推广应用。
附图说明t
图1为本实用新型提供的拉索的结构示意图；
图2为本实用新型由钢丝构成的拉索横截面的结构示意图；
图3为本实用新型由钢绞线构成的拉索横截面的结构示意图。
具体实施方式t
下面结合附图给出实施例以对本实用新型作出进一步说明，但所给出的实施例不能理解为对本实用新型保护范围的限制，因而本领域的技术人员根据上述本实用新型的内容和设计思想所作出的非本质的改进和调整也应属于本实用新型的保护范围。
实施例1
如图1、2所示，本实施例给出的拉索是由防护套P和包覆其中的平行钢丝构成，平行钢丝又是由破断强度低的钢丝F与破断强度高的钢丝S组成，且破断强度低的钢丝F均匀分布于破断强度高的钢丝S的外圈。本实施例在设计索力为3658KN下，其破损安全拉索的构成为：F由破断强度为1670Mpa的PES37Φ7钢丝组成；37Φ7 PES高强钢丝，其破断强度为1670Mpa；F与S钢丝的破断强度比取0.85；当S的破断强度取1960Mpa时，得到S的截面为PES151Φ7；又F破断时其冲击系数取为1.63。F与S的钢丝的强度比取为0.85，则S也为PES高强钢丝，其破断强度为1960Mpa，初拟的S截面为151Φ7；又F破断时，对S的冲击系数取为1.63。
根据上述条件，对拉索的破损安全性进行验算。结果汇总见表1。
表1
由表1可知：
①拉索的服役安全系数：F为3.29，S为3.86；F破断瞬时，S的安全系数为2.76；F破断后(拆换前)S的安全系数为3.11。
②根据规范JTGT D65-01-2007的要求，拉索服役工况的安全系数不得小于2.50，临时受载工况安全系数容许值为2.00。
验算表明，拉索破损安全各工况，均滿足规范要求。
实施例2
如图1、3所示，本实施例给出的拉索是由防护套P和包覆其中的钢绞线构成，钢绞线是由破断强度低的钢绞线F与破断强度高的钢绞线S组成，且破断强度低的钢绞线F均匀分布于破断强度高的钢绞线S的外圈，而每股钢绞线又是由7Φ5钢丝绞合而成。本实施例在设计索力为4840kN，其破损安全拉索的构成为：F束由破断强度为1570Mpa的6Φ15.2 PES钢绞线组成；F与S钢绞线材料的破断强度比取为0.80，因S也为PES钢绞线，当其破断强度为1960Mpa，初拟的S截面为31-Φ15.2；F破断时，对S的冲击系数取为1.63。
根据上述条件，对拉索的破损安全性，进行验算考查。验算结果汇总如表2
表2
根据标准JTG/TD65-01-2007，第4.3.3条的指示，矮塔斜拉桥的斜缆按预应力混凝土结构的体外索设计，相应的服役安全系数不得小于1.67。
由表1可知：
①破损安全斜缆，在服役中F束的安全系数为1.68，S的安全系数为2.10，均滿足规范要求。
②F破断瞬时，S的安全系数为1.87；F破断后单独承载时，S的安全系数为1.78，也满足规范要求。
以上验算表明：本实施例破损安全斜缆，各工况均是安全的。
实施例3
如图1和图3所示，本实施例给出的拉索是由防护套P和包覆其中的钢绞线构成，其中又分为破断强度低的钢绞线F与破断强度高的钢绞线S，且破断强度低的钢绞线F均匀分布于破断强度高的钢绞线S的外圈。本实施例在设计索力为1107kN时，其破损安全拉索的构成为：F由破断强度为1470Mpa的4Φj15钢绞线组成；F与S的钢绞线的强度比取为0.75；当S的破断强度取1960Mpa时，得到S截面为15Φj15；又F破断时，对S的冲击系数取为面1.66。
根据上述条件，对拉索的破损安全性进行验算。验算结果汇总如表3。
表3
由表3可知：
①拉索的服役安全系数：F为3.53，S为4.71；F破断瞬时，S的安全系数为3.27；F破断后(拆换前)S的安全系数为3.71。
②根据规范JTG/T D65-01-2007的要求，拉索服役工况的安全系数不得小于2.50，临时受载工况安全系数容许值为2.00。
验算表明，拉索破损安全各工况，均滿足规范要求。
