鋼纜與鋼索之介紹

陳純森  技師

前言

大跨距之橋梁工程興建常常需借重鋼索之功用，如照片1~照片3之拱橋、吊橋與斜張橋等。近期南方澳大橋之斷裂崩塌與重新興建，引起了各界極度關切與熱烈討論，特別是鋼索之設計施工與維護保養。本文僅對工程上常見之鋼纜與鋼索材料作一簡單介紹分享。

照片1 拱橋		照片2 吊橋		照片3 斜張橋

鋼纜

鋼纜為鋼索之主體材料，參考表1，其製程為：鋼線材→鋼線→鋼絞線→鋼纜。與鋼纜相關之各種斷面材料分述如下：

表1 鋼股與鋼纜之相關斷面

一、鋼線材

鋼線材( steel wire rod)俗稱鋼棒，為鋼纜最基本之材料，其材質可參考CNS 3696或ASTM A510。依照CNS 3696-2019鋼線材之規定，鋼線材得以製造高碳之鋼線、預力混凝土用之鋼線、鍍鋅鋼絞線與鋼纜等。鋼線材之種類包括SWRH27~SWRH82B等共21種，其鋼液分析值之含碳量分別介於0.24%~0.86%，屬於高碳鋼。鋼線材之線徑自5.5mm~19mm不等，其抗拉強度由客戶端指定。

二、鋼線

將前述之鋼線材經熱處理後，冷抽為細小之鋼線(steel wire)，提升了鋼線之材料強度，可高達1,600MPa以上，約為一般結構鋼料(SM400)強度之四倍，如表2。有關鋼線之材質標準可參考CNS 3332或ASTM A421。一般預力混凝土所用之鋼線直徑為3~9mm，吊橋主索之鋼線直徑為5~5.5mm，而斜張橋之鋼線直徑則約為7mm。

   表2  一般鋼線與結構鋼料之性質比較

三、鋼絞線

鋼絞線（steel strand）係由鋼線絞撚而成。鋼絞線亦稱鋼股線，或簡稱鋼股、股線。用於預力混凝土之鋼絞線，CNS 3332規定有四種組成，包括由2條、3條、7條與19條鋼線絞撚而成。其中7線光面鋼絞線之用途最普遍，中心之鋼線為直線，周圍之6條鋼線則絞撚為螺線。

四、鋼纜

鋼纜（steel wire rope），常以6股鋼絞線（steel strand）組成。吊車或電梯等柔性鋼纜之中心，常以「纖維繩」（fiber core）填塞，纖維繩為合成纖維或天然纖維，纖維繩必須儲有足夠之油脂潤滑劑，且潤滑劑不得含有傷害之酸性或鹼性物質。橋梁結構之鋼纜，常於鋼纜中心填設鋼股或小鋼纜作為纜芯，成為7股鋼纜。

五、螺旋鋼股

部分橋梁工程採用螺旋鋼股(helical bridge strands或spiral strands)，為一種交叉撚貼工法。大型之螺旋鋼股有時稱為螺旋鋼纜。螺旋鋼股係以鋼絞線為中心，外圍逐層以反向螺旋絞撚為鋼股。由於螺旋鋼股之各層鋼線都是反向絞撚，於鋼股受力後之伸長無法回復原來之長度，容易造成非彈性之應變。螺旋鋼股之優點在於各層鋼線之反向絞撚，除了頭尾之外，整條鋼纜不需採用鋼帶(steel band)捆紮。

六、平行線鋼股

由於絞線鋼纜的強度與勁度略為降低，促成了平行線鋼股(parallel wire strand，PWS)的使用。PWS之每支鋼線從頭至尾均為平行排列，並無絞纏，缺點為彎曲部位之鋼線強度內外有別，彎折處之外側鋼線承受拉伸，而內側鋼線則承受壓縮，特別是鋼纜於運輸時必須以盤捲包裝，曲率甚大，其內、外側鋼線之應力差異更大，用於吊橋主索時必須檢討應力不均之影響，若用於吊橋之垂吊索或斜張橋之拉索則影響較小。一般吊橋之平行線鋼股採用5~5.5mm之鋼線組成。

鋼索

鋼線與鋼絞線或鋼纜，很容易銹蝕，常用熱浸鍍鋅處理。為了延長其使用年限，橋梁工程之鋼纜都在鋼線之間填灌潤滑劑，外圍並採用化學防銹材包覆，如高密度聚乙烯(High Density Polyethylene ，HDPE)等，成為鋼索(steel cable)，如表3，包括多股鋼索(multi strand cable)、鋼棒拉索(bar stay cable)、平行線鋼索(parallel wire cabble)與平行股鋼索(parallel strand cable)等。

表3 橋梁鋼索斷面

端錨固定

鋼索之端部構造，包括錨定段之錨定板(bearing plate)、螺帽(nut)、錨座(anchor head)、灌漿孔(grout hole)與防護蓋(cap)。緩衝段包括套管(socket)、連接管(connection pipe)與人造橡膠減振器(neoprene damper)。自由段則包括保護套管(stay tube)與鋼索內部之鋼腱(tendon)，詳如圖1所示。部分的預力端錨為避免承壓混凝土過度受壓，在緩衝段設有補強之環狀螺旋箍筋。

於斜張橋之工地預組裝鋼索系統(At-site Prefabricated cable System-APS)之端錨，為加強鋼絞線之錨定，亦有採用楔塊夾片(wedges)之工法，楔塊夾片必須預防滲水所造成之腐蝕。APS錨定時在環墊外側以螺環(ring nut)調整固定。

圖1  鋼索之端錨固定方式

結語

由於鋼橋屬於動態之結構，其屬性與一般靜態之建築結構完全不同。除了鋼材容易疲勞破壞外，鋼纜與鋼索之銹蝕與疲勞預防亦為重點，使用期間必須定期確實檢查與保養維護，才能確保使用之安全。

 參考文獻

1.陳純森(2020年5月)。橋梁鋼結構標準圖，台南市結構技師公會。

2.陳純森(2019年3月)。鋼結構工程實務(第五版)，科技圖書公司。