黃 佳

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

·橋梁·隧道·

懸索橋索夾設(shè)計(jì)方法探究

黃 佳

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

介紹了懸索橋索夾的構(gòu)造類(lèi)型，對(duì)索夾材料的選擇進(jìn)行了研究，并對(duì)索夾的內(nèi)徑、長(zhǎng)度、強(qiáng)度等設(shè)計(jì)方法和步驟作了計(jì)算分析，總結(jié)了索夾的安裝及防護(hù)措施，以確保索夾結(jié)構(gòu)的可靠性，從而保證懸索橋全橋的安全性。

懸索橋，索夾，設(shè)計(jì)，安裝

懸索橋因其獨(dú)具受力明確、跨越能力強(qiáng)且造型美觀(guān)、氣勢(shì)宏偉等優(yōu)點(diǎn)于一身，故在大跨度橋梁及城市景觀(guān)橋梁領(lǐng)域得到廣泛推崇。

懸索橋的結(jié)構(gòu)自重和車(chē)輛荷載都通過(guò)吊索傳遞到主纜上，而其傳遞的有效性都通過(guò)合理地設(shè)置索夾來(lái)實(shí)現(xiàn)，故索夾結(jié)構(gòu)的可靠性直接影響著懸索橋全橋的安全性。為了保證索夾性能，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需從索夾構(gòu)造類(lèi)型、材料選擇、受力驗(yàn)算及后期安裝維護(hù)等方面進(jìn)行全面考慮，本文著重對(duì)此進(jìn)行闡述。

1 構(gòu)造類(lèi)型

懸索橋索夾根據(jù)其使用功能，一般可分為三大類(lèi)，分別為：1)連接主纜與吊索的吊索索夾；2)用于主纜定型的緊箍索夾；3)主索鞍及出口處防護(hù)密封的封閉索夾，其中，吊索索夾為直接參與懸索橋傳力的構(gòu)件，作用關(guān)鍵，一旦失效會(huì)引起全橋結(jié)構(gòu)破壞，使用數(shù)量也遠(yuǎn)多于其他兩類(lèi)索夾，是進(jìn)行索夾設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵和重點(diǎn)，后文均針對(duì)此類(lèi)索夾進(jìn)行論述。

根據(jù)吊索在索夾上的連接方式不同，索夾可分為騎跨式和銷(xiāo)鉸式兩種，見(jiàn)圖1。騎跨式在索夾頂部開(kāi)槽，吊索卡于槽內(nèi)跨過(guò)索夾，吊索的兩頭均在梁部進(jìn)行錨固，此類(lèi)索夾夾身構(gòu)造較簡(jiǎn)單，但當(dāng)?shù)跛魇芨黝?lèi)誤差影響而不能保證豎直時(shí)，吊索在卡槽端部會(huì)產(chǎn)生一定的彎曲應(yīng)力。同時(shí)，當(dāng)橋梁跨度不大，主纜纜徑較小時(shí)，吊索跨過(guò)索夾時(shí)彎曲半徑較小，則吊索會(huì)在彎曲豎平面內(nèi)產(chǎn)生較大彎曲應(yīng)力，對(duì)吊索長(zhǎng)期受力不利。銷(xiāo)鉸式索夾則在圓形夾身下部設(shè)計(jì)有耳板，耳板上開(kāi)孔供栓桿穿過(guò)從而與吊索相連，吊索另一頭錨固于梁上，此類(lèi)型索夾上吊索無(wú)彎曲應(yīng)力，但在進(jìn)行索夾受力驗(yàn)算時(shí)，需增加耳板及栓桿的相關(guān)驗(yàn)算。索夾夾身多采用兩個(gè)鑄鋼半圓構(gòu)件，安裝時(shí)用高強(qiáng)螺栓對(duì)接，對(duì)接方式一般分為上下對(duì)接和左右對(duì)接兩種。對(duì)于銷(xiāo)鉸式索夾，上下對(duì)接設(shè)計(jì)時(shí)，夾緊用高強(qiáng)螺栓除應(yīng)按抗滑驗(yàn)算需要進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還應(yīng)考慮一定的富余量，用于抵抗吊索拉力引起的螺栓軸向力，但上下對(duì)合式索夾在下夾身下只設(shè)一個(gè)耳板，安裝吊索時(shí)比較方便；左右對(duì)合式索夾設(shè)計(jì)時(shí)，高強(qiáng)螺栓只需按索夾抗滑需要設(shè)計(jì)即可，螺栓使用較經(jīng)濟(jì)，但由于下端有兩塊耳板，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，會(huì)存在耳板不能完全對(duì)齊現(xiàn)象，導(dǎo)致施工吊索時(shí)栓桿入孔困難，常需強(qiáng)行矯正，從而使索夾夾身及高強(qiáng)螺栓存在次應(yīng)力，影響構(gòu)件使用壽命。設(shè)計(jì)允許時(shí)，索夾可采用一般的六角形高強(qiáng)螺栓，當(dāng)連接件太厚不宜使用時(shí)，則可采用等長(zhǎng)雙頭螺栓。

2 材料選擇

考慮索夾需承受活載，故材料選擇時(shí)除應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)適當(dāng)兼顧材料的抗疲勞性能和沖擊韌性。

索夾夾身常采用鑄鋼構(gòu)件，ZG270-500為一般工程用鑄造碳鋼的一種，有較高強(qiáng)度和較好塑性，鑄造性能和焊接性能良好，有一定可切削性，是索夾設(shè)計(jì)中較合適的選擇。ZG30SiMn為低合金碳鋼鑄件，其強(qiáng)度、塑性和韌性均略高于ZG270-500，當(dāng)活載產(chǎn)生應(yīng)力幅較大，且施工條件較差、環(huán)境要求較高時(shí)，則可優(yōu)先考慮。

高強(qiáng)螺栓常采用市場(chǎng)產(chǎn)品，根據(jù)受力需要配置螺栓型號(hào)及個(gè)數(shù)。

銷(xiāo)鉸式索夾的銷(xiāo)軸為軸類(lèi)零件，除強(qiáng)度和韌性要求外，還得考慮材料耐磨性。45鋼是軸類(lèi)零件的常用材料，其價(jià)格便宜，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)(或正火)后，可得到較好的切削性能，而且能獲得較高的強(qiáng)度和韌性等綜合機(jī)械性能，淬火后表面硬度可達(dá)45HRC～52HRC。40Cr為合金結(jié)構(gòu)鋼，其適用于中等精度而轉(zhuǎn)速較高的軸類(lèi)零件，這類(lèi)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)和淬火后，綜合機(jī)械性能較優(yōu)。該兩類(lèi)鋼材用作銷(xiāo)軸材料均合適。

3 設(shè)計(jì)要素及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3.1 索夾內(nèi)徑設(shè)計(jì)

索夾與主纜的有效連接是通過(guò)夾緊的索夾與主纜間的摩擦力克服索夾的下滑力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，要得到可靠的壓緊力，除高強(qiáng)螺栓的設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足要求外，索夾內(nèi)徑需小于正常主纜的直徑也是必要條件，以克服索夾螺栓本身的失效松弛、主纜受力后的變形、索夾自身變形和主纜內(nèi)鋼絲排列因受力產(chǎn)生變化等客觀(guān)因素引起的壓緊力損失。

索夾內(nèi)徑設(shè)計(jì)值為：

其中，dc為索夾內(nèi)徑，mm；dw為主纜的鋼絲直徑；ntot為單根主纜中的鋼絲總數(shù)；Vc為大纜空隙率，索夾處大纜空隙率取16%～18%，索夾外取18%～20%。

3.2 索夾長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

索夾長(zhǎng)度主要受對(duì)接錨固用的高強(qiáng)螺栓個(gè)數(shù)影響，故索夾長(zhǎng)度設(shè)計(jì)前，先應(yīng)根據(jù)索夾抗滑驗(yàn)算需要，設(shè)計(jì)高強(qiáng)螺栓個(gè)數(shù)。

索夾對(duì)大纜的抗滑安全系數(shù)Kfc。

Kfc=Ffc/Nc≥3。

根據(jù)以上公式可得到確定的螺栓個(gè)數(shù)，設(shè)計(jì)施工時(shí)，考慮便捷性和工作效率，常把受力較相近的索夾設(shè)計(jì)為同樣的螺栓個(gè)數(shù)。

高強(qiáng)螺栓最小間距按不小于3倍螺栓直徑設(shè)計(jì)，即可得到索夾最小長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)中將長(zhǎng)度相同的索夾稱(chēng)為同一類(lèi)索夾，但應(yīng)注意到每個(gè)索夾在主纜上的夾角均不相同，故雖是同一類(lèi)索夾，但制造和安裝時(shí)卻仍應(yīng)按角度不同而逐個(gè)進(jìn)行。

3.3 索夾強(qiáng)度驗(yàn)算

索夾設(shè)計(jì)過(guò)程中，除螺栓應(yīng)力取2倍安全系數(shù)外，還應(yīng)考慮索夾夾身的應(yīng)力。

索夾內(nèi)應(yīng)力主要為索夾環(huán)向應(yīng)力σ1，其值為：σ1=Ptot/(2·L·tc)，L為索夾長(zhǎng)度；tc為索夾壁厚。

從理論角度分析，索夾內(nèi)徑與主纜在索夾處的實(shí)際外徑不一致，也會(huì)導(dǎo)致夾緊后產(chǎn)生圓周向彎曲應(yīng)力，主纜對(duì)索夾內(nèi)孔表面也有平均壓應(yīng)力等一些應(yīng)力存在，但實(shí)際情況中，考慮到索夾的鑄鋼材料有很好的延伸性(一般為25%左右)，使索夾產(chǎn)生足夠的變形以調(diào)整應(yīng)力分布，故在索夾驗(yàn)算時(shí)，忽略了一些不穩(wěn)定、難以模擬且數(shù)值較小的應(yīng)力，而以全截面主要拉應(yīng)力σ1取材料屈服強(qiáng)度的3倍安全系數(shù)驗(yàn)算薄壁應(yīng)力，以全截面應(yīng)力σ1加上局部彎曲應(yīng)力σ2取材料屈服強(qiáng)度的2倍安全系數(shù)驗(yàn)算局部應(yīng)力。

對(duì)于銷(xiāo)鉸式索夾，還應(yīng)對(duì)索夾耳板進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算，見(jiàn)圖3，驗(yàn)算內(nèi)容包括耳板開(kāi)孔處Ⅰ—Ⅰ截面拉應(yīng)力、開(kāi)孔處Ⅱ—Ⅱ截面剪應(yīng)力以及耳板開(kāi)孔內(nèi)壁與栓桿接觸面的局部承壓應(yīng)力驗(yàn)算。

當(dāng)需要研究索夾整體應(yīng)力分布時(shí)，可建立三維有限元實(shí)體模型進(jìn)行相應(yīng)分析。

當(dāng)采用新型構(gòu)造或新型材料的索夾時(shí)，索夾的抗滑性能宜通過(guò)索夾抗滑試驗(yàn)確定。

4 安裝及防護(hù)

索夾安裝需注重兩個(gè)焦點(diǎn)，即索夾安裝定位和螺栓多次緊固。

索夾安裝定位在主纜空纜狀態(tài)下進(jìn)行，在確定了實(shí)際空纜線(xiàn)形的條件下，根據(jù)吊索間距和主索鞍后續(xù)頂推距離，換算出各吊索豎直高度處索夾在空纜線(xiàn)形上的坐標(biāo)值，通過(guò)精確放樣，確定索夾在主纜上的位置，再進(jìn)行索夾安裝。

主纜是柔而松的索體，剛性索夾與主纜連接屬于不穩(wěn)定連接，或者說(shuō)是需經(jīng)過(guò)多次緊固后才能趨于穩(wěn)定的連接，特別在主纜受力后，由于泊松效應(yīng)，主纜的直徑會(huì)縮小，導(dǎo)致高強(qiáng)螺栓壓力損失明顯。索夾螺桿預(yù)拉力損失率C通?？杀硎緸椋篊=Δd·E/(σ0·lk)，其中，Δd為主纜直徑變化量；σ0為預(yù)緊時(shí)索夾螺桿應(yīng)力；E為材料彈性模量；lk為索夾螺桿握距。為了彌補(bǔ)螺栓壓力損失，消除索夾安全隱患，必須分時(shí)段多次對(duì)索夾進(jìn)行夾緊，目前懸索橋根據(jù)常規(guī)施工工序較多采用四次緊固方案，分別為：

1)索夾安裝時(shí)的第一次緊固；2)加勁梁吊裝完成后進(jìn)行二次緊固；3)主纜纏絲防護(hù)前進(jìn)行第三次緊固；4)全橋恒載加載完成后進(jìn)行第四次緊固。

索夾的涂裝分為兩部分：1)索夾內(nèi)部涂裝，在索夾安裝前完成，常為底層噴砂表面處理后電弧噴鋅，加外層環(huán)氧封閉漆2道。2)索夾的外部涂裝在整個(gè)懸索橋纜索系統(tǒng)施工完成后進(jìn)行，常為4道防護(hù)，從底至外分別為：噴砂表面處理后電弧噴鋁、環(huán)氧封閉漆2道、環(huán)氧云鐵中間漆1道、丙烯酸聚氨酯面漆2道。

索夾的涂裝可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，如采用防腐性能更好的涂料、美觀(guān)效果更佳的面漆等，且為延長(zhǎng)使用壽命，提高長(zhǎng)期的安全性及經(jīng)濟(jì)性，宜定期對(duì)涂裝進(jìn)行維護(hù)及修補(bǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)懸索橋索夾的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了整理，給出了索夾設(shè)計(jì)的方法和步驟，并且在索夾構(gòu)造及材料等方面做了較為詳盡的對(duì)比及論述。本文所述的方法已在實(shí)際工程項(xiàng)目中加以運(yùn)用，并供今后相關(guān)設(shè)計(jì)工作參考借鑒。

[1] 胡建華.現(xiàn)代自錨式懸索橋理論與應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 張 哲，李曉莉.吉林蘭旗松花江大橋主纜、索夾、吊索的設(shè)計(jì)[J].中南公路工程，2004(8):29-34.

Study of design method for the clamp of suspension bridge

HUANG Jia

(China Railway Shanghai Design Institute Group Limited Company, Shanghai 200070, China)

This paper introduced the structure types of suspension bridge cable clamp, researched the location of cable clamp materials, and made calculation and analysis on diameter, length, strength and other design method and steps of cable clamp, summarized the installation and protection measures of cable clamp, so as to ensure the reliability of cable clamp structure, ensured the safety of suspension bridge.

suspension bridge, cable clamp, design, installation

1009-6825(2014)36-0151-03

2014-10-15

黃 佳(1983- )，男，工程師

U448.25

A