賈光河

(邢臺(tái)道橋建設(shè)工程有限公司，河北 邢臺(tái)　054001)

?

懸索橋上下對(duì)合銷(xiāo)接式索夾受力研究

賈光河

(邢臺(tái)道橋建設(shè)工程有限公司，河北 邢臺(tái)054001)

為探明懸索橋索夾的空間受力特征，針對(duì)某橋典型上下對(duì)合的銷(xiāo)接式索夾，建立索夾空間受力仿真分析模型，研究索夾各組成構(gòu)件的受力及應(yīng)力分布規(guī)律，并與理論計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：各類(lèi)荷載組合下索夾受力均滿(mǎn)足相關(guān)要求，無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象；索夾上部的環(huán)向拉應(yīng)力與理論公式一致，接觸壓應(yīng)力約為0.85倍理論值；索夾下部接觸壓應(yīng)力沿縱向分布呈不均勻分布，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意。

；懸索橋；索夾；受力分析；徑向應(yīng)力；環(huán)向拉應(yīng)力

0　引言

懸索橋作為大跨度橋梁的重要結(jié)構(gòu)型式，其主要受力結(jié)構(gòu)為主纜，通過(guò)索夾和吊桿以承受橋面荷載，作為重要的受力構(gòu)件，索夾的傳力是否合理將決定橋梁的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。懸索橋的索夾主要可分為上下對(duì)合及水平對(duì)合型兩種形式，其中銷(xiāo)接式吊索常采用上下對(duì)合索夾，而騎跨式吊索常采用水平對(duì)合索夾。在索夾的計(jì)算理論方面，索夾的應(yīng)力及抗滑常采用國(guó)外的相關(guān)簡(jiǎn)化計(jì)算公式，由于計(jì)算理論與實(shí)際受力相差較大，常需采用較大的安全系數(shù)以確保結(jié)構(gòu)的可靠。為探明索夾各構(gòu)件的受力規(guī)律，以某大跨度懸索橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立該橋索夾的空間受力仿真模型，研究索夾的傳力規(guī)律及受力特點(diǎn)。

1　工程背景

某高速公路大跨度自錨式懸索橋，其跨徑布置為(160+406+160)m，作為大橋的主要承力構(gòu)件，主纜由37根91絲的高強(qiáng)平行鋼絲組成，索夾內(nèi)主纜直徑為403 mm，跨中與塔頂?shù)闹骼|高差70 m，矢跨比為1/5.8。大橋的吊索除主塔附近間距為14.0 m外，其余間距均為13.5 m，即主跨共29對(duì)吊點(diǎn)，兩邊跨分別10對(duì)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)均含2根平行鋼絲吊索。本橋的索夾為上下對(duì)合銷(xiāo)接式，其構(gòu)造如圖1所示，主要組成部件可分為上半索夾、下半索夾、耳板、螺桿及配套螺母等。索夾采用ZG20Mn低合金鑄鋼，上下半索夾間采用橡膠防水條，通過(guò)螺桿施加預(yù)加力將上下半索夾緊固于主纜上。

圖1　索夾一般構(gòu)造圖(單位；mm)

2　仿真模型的建立

以本文背景工程中的典型索夾為例，其長(zhǎng)度為1 250 mm，索夾上左右對(duì)稱(chēng)布置6對(duì)M39螺桿，順橋向間距為210 mm，索夾所在位置的水平傾角為24.416°?；诖笮屯ㄓ糜邢拊浖嗀NSYS平臺(tái)，建立索夾受力分析仿真模型，其中上下索夾、耳板及主纜均為20節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元，而在邊界約束方面則采用接觸連接主纜和索夾，接觸面的摩擦系數(shù)參照經(jīng)驗(yàn)取為0.15。大橋主纜為平行鋼絲斷面，在索夾內(nèi)外均呈圓形截面，本橋主纜在內(nèi)的空隙率為18%(索夾內(nèi))和20%(索夾外)?，F(xiàn)有研究表明，主纜的徑向受力可取1/10鋼材彈模，模型中其余材料參數(shù)均與實(shí)際一致。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，螺桿的張拉預(yù)加力在長(zhǎng)期狀態(tài)下可取550 kN，按實(shí)際加載位置對(duì)索夾進(jìn)行加載，而最大吊索軸力為2 275 kN，將該荷載施加于下半索夾的耳板銷(xiāo)孔內(nèi)壁，方向與重力方向保持一致。

由于成橋狀態(tài)下，主纜的位置相對(duì)穩(wěn)定在平衡位置處，且索夾外的主纜變形對(duì)索夾不會(huì)產(chǎn)生影響，在索夾局部模型中，僅建立索夾內(nèi)及兩側(cè)各0.5 m長(zhǎng)的主纜，并近似將吊索索力、螺桿內(nèi)力及其作用下的主纜截面均為定值，不隨時(shí)間變化。為統(tǒng)一文中表示方法，對(duì)模型的坐標(biāo)體系進(jìn)行規(guī)定，坐標(biāo)原點(diǎn)為索夾上的中心標(biāo)記點(diǎn)，以主纜軸向?yàn)閆軸，橫向?yàn)閄軸，豎向?yàn)閅軸，即上半索夾的Y坐標(biāo)為正。

3　索夾受力仿真結(jié)果

3.1Mises等效應(yīng)力分布

懸索橋典型索夾在吊索力及螺桿預(yù)加力作用下，其Mises等效應(yīng)力結(jié)果如圖2所示。

圖2　索夾Mises等效應(yīng)力分布(單位；Pa)

圖2中索夾的Mises等效應(yīng)力云圖顯示，索夾各個(gè)部件的等效應(yīng)力均在150 MPa以?xún)?nèi)，均小于材料的應(yīng)力限值；由傳力路徑可知，下部的吊索力作用于耳板將荷載傳至下半索夾，在耳板處的孔壁應(yīng)力較大，且在孔洞兩側(cè)的應(yīng)力較大，孔洞間的應(yīng)力較小，僅為10 MPa；在上下半索夾的圓弧過(guò)渡段應(yīng)力水平較高，Mises等效應(yīng)力可達(dá)120 MPa，而在索夾的圓弧段應(yīng)力水平降低至70 MPa，由索夾的整體等效應(yīng)力分布可知耳板與索夾的應(yīng)力傳遞順暢，無(wú)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.2索夾環(huán)向拉應(yīng)力分布

索夾在螺桿預(yù)緊力作用下，將產(chǎn)生沿環(huán)向的拉應(yīng)力，由相關(guān)文獻(xiàn)可知該應(yīng)力值為σ1=P/(Lt)，其中P為一根螺桿預(yù)緊力值550 kN；L為螺桿間距210 mm；t為壁厚40 mm。故計(jì)算后σ1=65.3 MPa。

只考慮螺桿力的作用時(shí)，考察索夾中心點(diǎn)外的環(huán)向應(yīng)力分布，Z=0.625 m處的環(huán)向應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3　預(yù)緊力單獨(dú)作用工況索夾環(huán)向應(yīng)力分布(單位；Pa)

由圖3中索夾環(huán)向應(yīng)力云圖所示，索夾在螺桿作用范圍受壓，而在圓弧段范圍受拉，而耳板范圍的應(yīng)力水平很低。上半索夾圓弧段頂部附近均受拉，而在過(guò)渡區(qū)域則受拉彎，其外表面應(yīng)力水平明顯高于內(nèi)表面應(yīng)力水平；下半索夾底端附近區(qū)域受拉，而在過(guò)渡區(qū)附近受拉彎，與上半索夾類(lèi)似，其外表面應(yīng)力水平高于內(nèi)表面，對(duì)比上、下半索夾，下半索夾的彎曲效應(yīng)更為明顯。

圖3所示的E～H點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力沿Z軸方向變化規(guī)律見(jiàn)圖4。

圖4　預(yù)緊力單獨(dú)作用工況索夾環(huán)向應(yīng)力分布

由上圖可見(jiàn)，E、F位置處的環(huán)向應(yīng)力水平均較為平穩(wěn)，其中E處環(huán)向應(yīng)力在65 MPa附近變化，與理論計(jì)算值65.3 MPa相近，而F處的應(yīng)力水平在44 MPa左右。對(duì)于G及H處的應(yīng)力分布，二者在索夾中部區(qū)域均勻分布，而在兩端的應(yīng)力水平明顯減小，其應(yīng)力水平分別在104 MPa和121 MPa附近變化。

索夾在考慮預(yù)緊力及吊索力工況下，其中部斷面處的環(huán)向應(yīng)力云圖如圖5所示。索夾在兩側(cè)螺桿作用區(qū)域受壓，而在圓弧段受拉，其中上半索夾各點(diǎn)內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力水平均高于外側(cè)，下半索夾在圓弧段區(qū)域受拉，而在圓弧過(guò)渡段受拉彎。

E～H點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力分布隨縱向位置變化如圖6所示。圖中曲線(xiàn)顯示，索夾圓弧段應(yīng)力水平較平穩(wěn)，其中E處應(yīng)力在60 MPa附近變化，與理論計(jì)算值相近，F(xiàn)處應(yīng)力在25 MPa附近；而G、H處的應(yīng)力沿縱向呈倒“U”型，在兩側(cè)應(yīng)力較小，中間應(yīng)力較大。

圖5　預(yù)緊力與吊索力工況下索夾環(huán)向應(yīng)力分布(單位；Pa)

圖6　預(yù)緊力與吊索力工況下E～H點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力縱向分布

由圖5圖6綜合分析可知，索夾的靠近螺桿區(qū)域在吊索力作用下，其環(huán)向應(yīng)力在縱向呈倒“U”型分布，而在圓弧段區(qū)域的應(yīng)力則在縱向分布較平穩(wěn)，上半部索夾的應(yīng)力有限元結(jié)果為理論計(jì)算值的90%左右，而下半部索夾應(yīng)力則僅為理論值的45%左右。

3.3索夾與主纜接觸面應(yīng)力分布

為避免索夾在主纜上產(chǎn)生相對(duì)滑移，通過(guò)對(duì)索夾上的螺桿施加預(yù)緊力，在索夾與主纜的接觸面保證一定的摩阻力，故索夾與主纜接觸面的應(yīng)力分布將直接影響索夾的抗滑能力。相關(guān)文獻(xiàn)可知，在預(yù)緊力作用下拉觸面的應(yīng)力可由式σ=2P/(Ld)計(jì)算為-12.99 MPa，其中d為主纜直徑。

預(yù)緊力與吊索力工況下，索夾Z=0.94 m處索夾與主纜接觸面的徑向應(yīng)力分布見(jiàn)圖7。

圖7　預(yù)緊力與吊索力工況下索夾Z=0.94 m處接觸面　徑向應(yīng)力分布(單位；Pa)

圖中數(shù)據(jù)顯示，在預(yù)緊力與吊索力作用工況下，接觸面的徑向應(yīng)力較不均勻，且在索夾下半部分尤為明顯。

圖7中所示A～D處接觸面的應(yīng)力沿縱向變化如圖8所示。

圖8　預(yù)緊力與吊索力工況下A～D接觸面應(yīng)力縱向變化

圖中數(shù)據(jù)顯示，索夾上半部對(duì)應(yīng)的A、B點(diǎn)處的應(yīng)力水平較為平穩(wěn)，其中斷面頂A點(diǎn)的壓應(yīng)力在11 MPa左右，而側(cè)面C點(diǎn)處的應(yīng)力則可達(dá)18.5 MPa；索夾下半部區(qū)域內(nèi)的接觸應(yīng)力沿縱向呈“V”型變化，且越接近下底部該規(guī)律越明顯，其中，在索夾縱向中部區(qū)域B點(diǎn)接觸應(yīng)力約14 MPa，而D點(diǎn)則僅為5.5 MPa，且在索夾兩端應(yīng)力均約為0。

為探明索夾上、下半部位置的接觸面應(yīng)力分布特點(diǎn)，分別將索夾上部及下部的平均接觸應(yīng)力沿縱向的變化繪于圖9。

圖9　預(yù)緊力與吊索力作用工況上、下半部索夾平均接觸　應(yīng)力沿縱向的變化

圖中數(shù)據(jù)顯示，上半部索夾對(duì)應(yīng)的接觸面應(yīng)力較為平均，且均值在11 MPa左右，該值約為理論計(jì)算值的86%；而下半部索夾對(duì)應(yīng)的接觸面應(yīng)力縱向呈“V”型變化，且應(yīng)力水平低于上半部索夾區(qū)域。沿縱向?qū)ο掳氩拷佑|面應(yīng)力進(jìn)行積分可得其總徑向力約為6 900 kN，對(duì)于摩擦系數(shù)取0.15工況下，其摩阻力約為1 035 kN，較吊索分力大，可避免產(chǎn)生脫空現(xiàn)象。綜上，可基于簡(jiǎn)化的理論公式進(jìn)行索夾抗滑承載力計(jì)算，但對(duì)于上下對(duì)合銷(xiāo)接式索夾仍應(yīng)對(duì)下半部索夾的脫空進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)算。

4　結(jié)論

針對(duì)某橋典型上下對(duì)合的銷(xiāo)接式索夾，建立索夾空間受力仿真分析模型，研究索夾各組成構(gòu)件的受力及應(yīng)力分布規(guī)律，并與理論計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比分析，主要結(jié)論如下：

1) 索夾空間有限元分析結(jié)果表明，其Mises等效應(yīng)力均在150 MPa以?xún)?nèi)，索夾各部位的應(yīng)力傳遞順暢，吊索力作用于耳板后傳遞至索夾下半部，其中耳板圓孔下緣應(yīng)力較大且兩側(cè)應(yīng)力高于中間應(yīng)力，而對(duì)于索夾，其圓弧區(qū)域應(yīng)力低于圓弧過(guò)渡區(qū)域的應(yīng)力。

2) 索夾的圓弧區(qū)域可近似為軸向應(yīng)力狀態(tài)，而圓弧過(guò)渡區(qū)域則為彎拉狀態(tài)，故而可采用理論公式計(jì)算上半索夾圓弧區(qū)域的應(yīng)力，而圓弧過(guò)渡區(qū)域由于預(yù)緊力的偏心附加矩的影響，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)增大安全系數(shù)以確保足夠的安全儲(chǔ)備。

3) 索夾與主纜的接觸面應(yīng)力在上半部分區(qū)域可采用理論公式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，并取0.85倍系數(shù)進(jìn)行抗滑承載能力驗(yàn)算，而下半部分區(qū)域理論計(jì)算值受吊索力作用的影響誤差較大，建議工程設(shè)計(jì)中下半部索夾抗滑系數(shù)大于1.0以防止索夾脫空影響主纜及索夾的耐久性能。

[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]吳勝東.潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋建設(shè)(第3冊(cè))：懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]孟凡超，土仁貴，徐國(guó)平，等.懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2011.

[4]趙承新，嚴(yán)敏蘭，張安戶(hù)，等.洪都大橋索夾抗滑試驗(yàn)研究[J].世界橋梁，2013，41(1)：64-68.

[5]舒思利，土忠彬.三塔懸索橋適應(yīng)性及主纜抗滑移技術(shù)探討[J].橋梁建設(shè)，2010(5)：43-46.

[6]周燕梅，郭錦良.懸索橋索夾的設(shè)計(jì)及驗(yàn)算[J].北方交通，2012(5)：77-79.

[7]阮坤，陳作銀，陳冠樺.基于懸索橋修正成橋線(xiàn)形的索夾彎曲應(yīng)力分析[J].世界橋梁，2011(6)：46-49.

[8]任洪田，趙立析，白福軍.懸索橋主纜索夾抗滑試驗(yàn)及應(yīng)力測(cè)試分析[J].北方交通，2009(3)：74-76.

2016-05-17

賈光河(1979-)，男，工程師，主要從事公路工程施工及管理工作。

；1008-844X(2016)03-0164-04

；U 448.25

；A