【中圖分類號(hào)】：U443.38 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2025）03-10-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.03.003

Cable Clamp Design and Stress Analysis of Super-span Suspension Bridge

SHAO Qi

（China Railway Major Bridge Reconnaissanceamp; Design InstituteCo.Ltd.，Wuhan 43Oo50，China 【Abstract】：Inorder to understand the structural stresscharacteristics ofthecable clampofsuper-span bridge，a super span suspension bridge was taken as an example，a certain characteristic cable clamp was selected as the research object，and a spatial finite element model was established.The stress state and stress distribution law of each component of the cable clamp structure were analyzed and studied，and compared with the current suspension bridge standard formula.The results showed that under the action of unfavorable load，the stress of each component of thecable clamp structure of the bridge met the requirements of the specification，and the stress transfer between thecomponents was smooth.The circumferential tensile stressof theleftand right half cable clampsalong the wallthickness was in good agreement with the calculation results of the current suspensionbridge design specification formula.For the left-right type pin-connected cable clamp，thesling force had little efect on the contact pressure between the cable clamp and the main cable，and would not cause a large degree of cable clamp disengagement and screw unloading.

【Key Words】：super-span；suspension bridges；cable clamp；load bearing behavior analysis

大跨度懸索橋加勁梁結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)吊索和索夾傳遞給主纜。索夾的構(gòu)造及其受力特性直接影響全橋安全，是大跨度懸索橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位之一。常用的索夾結(jié)構(gòu)有上下對(duì)合型和左右對(duì)合型，上下對(duì)合型索夾一般適用于銷鉸式吊索，左右對(duì)合型索夾一般適用于騎跨式吊索[＼～3]。目前，索夾的設(shè)計(jì)計(jì)算基本參考現(xiàn)行公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范，采用規(guī)范給定的相關(guān)公式對(duì)索夾進(jìn)行緊固驗(yàn)算和強(qiáng)度驗(yàn)算，計(jì)算相應(yīng)的抗滑系數(shù)和索夾材料應(yīng)力?？缍瘸^(guò) 2000m 的超大跨度懸索橋，規(guī)范給出的相關(guān)計(jì)算公式是否繼續(xù)適用沒(méi)有明確說(shuō)明。為了系統(tǒng)掌握超大跨度懸索橋索夾的結(jié)構(gòu)受力特性，本文依托某超大跨度懸索橋工程初步設(shè)計(jì)，對(duì)索夾結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間有限元分析，研究該橋索夾的結(jié)構(gòu)受力特性。

1工程概況

某超大跨度懸索橋?yàn)閱慰讘业蹼p塔三跨雙層鋼桁梁懸索橋，初步設(shè)計(jì)采用平行雙主纜單跨吊體系，加勁梁采用板桁結(jié)合的雙層鋼桁梁，索塔為H形混凝土橋塔，錨碇為重力錨，橋跨布置為 670m+2180m+ 710m ，中跨矢跨比為1/9。見(jiàn)圖1。

大橋上下游共設(shè)2根高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲預(yù)制平行索股主纜，鋼絲直徑為 5.25mm ，每根主纜由494根通長(zhǎng)索股組成。主纜在架設(shè)時(shí)豎向排列成尖頂?shù)慕普呅危o纜后主纜為圓形。全橋共設(shè)置119對(duì)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)設(shè)4根平行鋼絲吊索，均設(shè)置在中跨。吊索基本間距為 18m ，橋塔側(cè)的吊索距橋塔中心線 28m 。

2索夾構(gòu)造設(shè)計(jì)

本橋?yàn)橹骺缈缍瘸^(guò) 2000m 的超大跨度懸索橋，主纜直徑接近 1.5m ，若采用騎跨式吊索，會(huì)產(chǎn)生一定的彎曲二次應(yīng)力，主纜直徑越大二次應(yīng)力越大，對(duì)吊索結(jié)構(gòu)受力極為不利，故采用銷接式吊索。

銷接式吊索一般情況下采用上下對(duì)合型索夾；但本橋跨度大、荷載重，吊索力比一般懸索橋大得多，為了防止較大的吊索力造成上下對(duì)合型結(jié)構(gòu)索夾脫空等一系列問(wèn)題，故本橋采用左右對(duì)合型索夾結(jié)構(gòu)。

索夾采用 ZG20Mn 鋼鑄造，左右耳板均設(shè)置2個(gè)銷孔連接吊索，索夾外徑 1 552mm 、內(nèi)徑 1 452mm ，索夾體圓弧段壁厚為 50mm ，采用MJ56高強(qiáng)精制螺桿緊固。螺桿采用40CrNiMoA合金鋼。

索夾采用內(nèi)外雙層嵌合構(gòu)造設(shè)計(jì)，內(nèi)層為凸凹止口，外層為直縫，便于橡膠密封條的安裝與保護(hù)。為增加索夾對(duì)主纜的密封效果，索夾端口處采取搭接式環(huán)縫密閉措施處理。

由于主纜不同位置的傾角不同，螺桿所需預(yù)緊力不同，對(duì)應(yīng)的索夾長(zhǎng)度及螺桿數(shù)量也不同。為方便工廠鑄造加工，將索夾長(zhǎng)度和角度相近的歸為一組，同一組索夾耳板銷孔的位置稍有變化，以此來(lái)適應(yīng)索夾傾角的變化。全橋索夾共分為11種類型，其中SJ1＼～SJ9為有吊索索夾，SJ10＼～SJ11為無(wú)吊索索夾。見(jiàn)圖2。

選取SJ1索夾作為結(jié)構(gòu)受力分析研究對(duì)象。索夾長(zhǎng) 2.65m ，與主纜間安裝傾角為 23.64^° ，索夾共由12對(duì)、24根等間距布置的MJ56高強(qiáng)精制螺桿緊固，單根螺桿設(shè)計(jì)預(yù)緊力為 900kN 。見(jiàn)圖3。

3索夾受力分析

3.1有限元模型

采用大型通用有限元軟件ABAQUS建立索夾一主纜局部空間有限元模型，分析索夾受力。索夾和主纜均采用實(shí)體單元，主纜與索夾間采用接觸單元，接觸單元的摩擦系數(shù)取0.15。主纜在架設(shè)時(shí)豎向排列成尖頂?shù)慕普呅?，緊纜后主纜為圓形，空隙率為 18% ，主纜的徑向彈性模量 E_′ 為 2.2×10⁴MPa ，切向彈性模量 E_θ 為 3.6×10⁴MPa ，軸向彈性模量 E_z 為 1.95× 10⁵MPa^[7-10] 。索夾彈性模量 E 為 2.06×10⁵MPa ，密度 ρ 為 7.85×10³kg/m³ ，泊松比 υ 為0.31，材料屈服強(qiáng)度為300MPa ，容許應(yīng)力為 100MPa 。

主纜端部圓截面中心為坐標(biāo)原點(diǎn) ξ_O，X 軸垂直于主纜方向?yàn)檎琘軸向上為正， Z 軸沿主纜方向?yàn)檎?，坐?biāo)定義符合右手螺旋準(zhǔn)則。由于主纜和索夾均為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故只建立一半對(duì)稱模型。見(jiàn)圖4。

索夾螺桿的預(yù)緊力簡(jiǎn)化為采用面荷載通過(guò)螺母墊圈傳遞到索夾上，索夾耳板所受的吊桿拉力簡(jiǎn)化采用面荷載傳遞到索夾耳板孔壁內(nèi)側(cè)。

3.2索夾受力分析

索夾在安裝和運(yùn)營(yíng)階段受力狀態(tài)和大小不同，本文僅討論運(yùn)營(yíng)階段索夾的結(jié)構(gòu)受力特性。運(yùn)營(yíng)階段，索夾結(jié)構(gòu)主要承受螺桿的預(yù)緊力和吊索的拉力。

3.2.1索夾Von Mises應(yīng)力

索夾VonMises應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。

索夾夾體中部大部分區(qū)段范圍內(nèi)的等效應(yīng)力在72.96～93.79MPa ，分布比較均勻，僅在索夾端口局部區(qū)域和索夾下半部分連接耳板區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，但構(gòu)件應(yīng)力均小于容許應(yīng)力，滿足材料強(qiáng)度要求。索夾夾體與螺桿張拉臺(tái)座過(guò)渡區(qū)域局部小范圍內(nèi)最大應(yīng)力為 125.0MPa ，未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，滿足材料強(qiáng)度要求。

索夾上側(cè)螺桿張拉臺(tái)座大部分區(qū)域應(yīng)力均小于容許應(yīng)力，滿足材料強(qiáng)度要求。在索夾夾體至螺桿孔的圓弧過(guò)渡區(qū)域局部小范圍內(nèi)最大應(yīng)力為135.1MPa ，未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，滿足材料強(qiáng)度要求。索夾下側(cè)螺桿張拉臺(tái)座大部分區(qū)域應(yīng)力均小于容許應(yīng)力，滿足受力要求。在索夾夾體至螺桿孔的圓弧過(guò)渡處最大應(yīng)力為 120.6MPa ，未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，滿足材料強(qiáng)度要求要求。

索夾耳板的銷軸和銷孔為圓柱面接觸承壓狀態(tài)，耳板大部分區(qū)域應(yīng)力均小于容許應(yīng)力，滿足材料強(qiáng)度要求。耳板銷孔應(yīng)力較大區(qū)域?yàn)殇N孔最底部，該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力呈漏斗狀分布，最大位置處應(yīng)力為 222.4MPa 未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，滿足材料強(qiáng)度要求。應(yīng)力在耳板及索夾間傳遞較為流暢，未發(fā)現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.2.2主纜徑向應(yīng)力

索夾的螺桿預(yù)緊力可使主纜與索夾的接觸面產(chǎn)生一定摩擦力，防止索夾產(chǎn)生滑移，因而索夾與主纜接觸表面的徑向應(yīng)力分布情況與索夾抗滑移承載力有著密切關(guān)系。在螺桿預(yù)緊力作用下，索夾對(duì)主纜的徑向壓應(yīng)力為[2，11＼～12]

σ=2P/（Ld）=5.63MPa

式中： P 為單根螺桿預(yù)緊力； L 為螺桿間距； d 為主纜直徑。

通過(guò)有限元接觸分析，在螺桿預(yù)緊力和吊索拉力的共同作用下，主纜表面徑向壓力分布見(jiàn)圖6。

在螺桿預(yù)緊力和吊索拉力共同作用下，索夾與主纜接觸外表面范圍內(nèi)徑向受壓，接觸面壓應(yīng)力在5.10～6.12MPa ，均值與式（1）計(jì)算數(shù)值吻合度較好。左右半部索夾上區(qū)域與主纜相結(jié)合處附近出現(xiàn)最大壓應(yīng)力 12.25MPa ，左右半部索夾下區(qū)域圓弧過(guò)渡處附近出現(xiàn)最小壓應(yīng)力 3.05MPa 。

索夾與主纜接觸范圍內(nèi)均為壓應(yīng)力，吊索拉力未造成索夾脫空及螺桿卸載等問(wèn)題，采用左右對(duì)合型索夾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3.2.3索夾環(huán)向應(yīng)力

在螺桿預(yù)緊力和吊索拉力作用下，索夾壁厚環(huán)向應(yīng)力分布見(jiàn)圖7。

索夾夾體區(qū)域受拉，螺桿張拉臺(tái)座部分受壓，左右兩側(cè)耳板大部分區(qū)域受力相對(duì)較小。索夾夾體受拉段中部區(qū)域應(yīng)力大小在 73.68～85.06MPa （不考慮吊索耳板影響區(qū)域），規(guī)范4計(jì)算數(shù)值為 84.38MPa ，均小于容許應(yīng)力，滿足材料強(qiáng)度要求。在索夾與螺桿張拉臺(tái)座圓弧過(guò)渡區(qū)域范圍內(nèi)的最大環(huán)向拉應(yīng)力為130.6MPa ，未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，滿足材料強(qiáng)度要求。

4結(jié)論

該索夾各構(gòu)件VonMises應(yīng)力基本小于結(jié)構(gòu)材料的容許應(yīng)力值，各構(gòu)件間應(yīng)力傳遞擴(kuò)散較為均勻流暢；吊索拉力通過(guò)耳板傳遞給索夾，耳板銷軸圓孔最底部區(qū)域范圍內(nèi)應(yīng)力最大，但均滿足材料強(qiáng)度要求。采用現(xiàn)行懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范公式計(jì)算索夾強(qiáng)度基本可行，對(duì)于左右對(duì)合型索夾結(jié)構(gòu)，吊索拉力對(duì)索夾與主纜間的接觸壓應(yīng)力影響較小，不會(huì)出現(xiàn)索夾大面積脫空和螺桿卸載等問(wèn)題。

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