分析大橋主索鞍座設(shè)計(jì)

肖 鵬，陳潮雨

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，貴州 貴陽 550000)

主索鞍是在懸索橋中對主纜進(jìn)行支撐的重要結(jié)構(gòu)件，一般安裝在索塔的頂部，可承受主纜施加的沿豎向分布的壓力，同時(shí)均勻的傳遞至索塔，確保主纜在塔頂?shù)牟课坏靡云骄忂^渡，避免主纜產(chǎn)生太大的彎折應(yīng)力，并且能十分有效的解決預(yù)偏等問題。要想使主索鞍發(fā)揮出應(yīng)有的作用效果，通常要以做好主索鞍座的設(shè)計(jì)為前提，這就對相關(guān)設(shè)計(jì)人員提出了很高的要求，需要在明確結(jié)構(gòu)組成與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，制定合理可行的結(jié)構(gòu)方案。

1 工程概況

某橋梁是一座主跨長度為1 650 m的連續(xù)鋼箱梁橋，主索鞍沿橋梁走向的長8 m，半鞍體總重在60 t以上，肋板的厚度不超過120 mm，主索鞍有很大承載力?，F(xiàn)圍繞該工程實(shí)際情況，對其主索鞍座設(shè)計(jì)做如下深入分析。

2 主索鞍座設(shè)計(jì)

2.1 鞍頭設(shè)計(jì)

鞍頭構(gòu)造為承攬槽，是典型的開口槽，底部為能適應(yīng)索股形狀的槽路，其橫斷面以索股排列形式為依據(jù)呈臺階形狀。為了使主纜和鞍槽之間有足夠摩阻力，同時(shí)便于索股的定位，需在鞍槽中布置豎向隔板，待索股就位且調(diào)整好以后，用鋅塊將頂部填平，最后使用拉桿把鞍槽的側(cè)壁完全夾緊。

在鞍槽的外部，有負(fù)責(zé)支撐與加勁的橫縱肋，同時(shí)側(cè)壁的上方還有若干拉桿，把側(cè)壁之間的索股完全擠緊，保證鋼絲間、鋼絲和隔板及側(cè)壁間有足夠摩擦力，并減小側(cè)壁上產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。

主纜索股從主索鞍中通過時(shí)，鞍座底部半徑對主纜彎曲應(yīng)力和鞍座接觸應(yīng)力都有很大影響，應(yīng)力和半徑之間為正比關(guān)系。如果半徑較大，則主纜能平順的從索鞍上通過，不會產(chǎn)生太大次應(yīng)力，但這樣會使主索鞍的尺寸和重量加大。半徑會受到塔頂實(shí)際尺寸與主索鞍重量等因素的影響。在確定了鞍槽立面半徑以后，需要以主纜的纜力為依據(jù)對鞍槽受力進(jìn)行驗(yàn)算，以此作為半徑校核依據(jù)。該橋梁沿走向的索塔設(shè)計(jì)尺寸為8 500 mm，主纜設(shè)計(jì)半徑為8 200 mm。

因主纜施工與成橋兩個狀態(tài)時(shí)的主索鞍切線角有所不同，所以為防止主纜鋼絲與主索鞍的邊緣直接碰撞，恒載與空載情況下的主纜切線角度差不能超過引出段長度和主纜圓弧半徑之比。另外，因施工圖設(shè)計(jì)過程中線形主要是以構(gòu)件理論重量為依據(jù)通過計(jì)算確定的，而實(shí)際制作時(shí)，索夾、主纜和鋼箱梁自身重量與理論值之間會有一定出入，所以引出段的長度應(yīng)進(jìn)行放大，但要考慮塔頂尺寸大小。該橋梁在設(shè)計(jì)工作中將引出段長度確定為520 mm。

2.2 鞍身設(shè)計(jì)

鞍身時(shí)鞍頭主要支撐部分，由橫縱肋與底板通過焊接形成。對于鞍身橫縱肋，需要和鞍頭橫縱肋良好適應(yīng)，橫縱肋的厚度分別為100 mm和120 mm，而底板的厚度為80 mm。在兩個縱肋之間應(yīng)適當(dāng)增加距離，以便于焊接，但這樣會使截面應(yīng)力增大；而如果減小兩個縱肋之間的距離，雖然有利于鞍槽實(shí)際受力，但會因?yàn)椴僮骺臻g很小，而增大施工難度。該橋梁在設(shè)計(jì)過程中將縱肋之間的距離確定為560 mm。

2.3 滑動摩擦副設(shè)計(jì)

滑動摩擦副主要由三部分組成，分別為承板、安裝板與臨時(shí)安裝板。其中，承板分上下兩部分，上承板使用銷釘和底板連接，其表面還設(shè)有不銹鋼板，而下承板上設(shè)有安裝與臨時(shí)安裝板，用螺釘和上承板連接與固定。在安裝板的表面，粘結(jié)了聚四氟乙烯板，和上承板所設(shè)不銹鋼板形成一個滑動副，表現(xiàn)出良好減摩性與耐壓性。

成橋狀態(tài)下，主索鞍和橋塔的中心完全重合。在施工中，若主纜與主索鞍都有一個相同的不脫離點(diǎn)，也就是主纜在所有狀態(tài)下不同跨的無應(yīng)力狀態(tài)長度都保持不變，并為了減小不平衡力，確保索塔受攬力作用后能夠保持平衡，需要向邊跨的方向?qū)χ魉靼斑M(jìn)行預(yù)偏，這一預(yù)偏量可伴隨恒載不斷增加而消除。

不銹鋼板和聚四氟乙烯板之間的干摩擦系數(shù)等于0.10，由于施工中使用了硅脂進(jìn)行潤滑，所以實(shí)際的摩擦系數(shù)等于0.05。

2.4 導(dǎo)向限位裝置設(shè)計(jì)

當(dāng)主索鞍處于空攬狀態(tài)中時(shí)，需要向邊跨的方向預(yù)偏一定的距離，其目的為保證兩側(cè)索股有相同的水平力，伴隨鋼箱梁不斷吊裝，分成多個階段對主索鞍進(jìn)行頂推，確保兩側(cè)索股實(shí)際水平力大致相同。頂推時(shí)，為了使鞍體能夠沿著預(yù)先確定的軌跡移動，需要在上承板的表面安裝導(dǎo)向板。為了使分階段頂推時(shí)主索鞍鞍體具體位置準(zhǔn)確無誤，還要在下承板與鞍體間安裝限位螺桿。將主索鞍頂推好以后，需在主索鞍的兩端設(shè)置擋塊，并利用高強(qiáng)螺栓和下承板相固定，以此在摩擦力失效時(shí)對主索鞍的移動進(jìn)行限制。

3 結(jié)果比較

對有限元分析結(jié)果與采用常規(guī)公式進(jìn)行計(jì)算后得出的結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)有限元結(jié)果比計(jì)算結(jié)果小，其原因?yàn)樵谟邢拊治鲞^程中考慮了橫肋具有的加勁作用，但采用常規(guī)公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)沒有考慮縱肋之間所設(shè)加強(qiáng)肋板具有的支撐作用，使中間的鞍槽應(yīng)力值比相應(yīng)的有限元結(jié)果略大。

在鞍槽壁上進(jìn)行拉桿的安裝，能十分有效的減小鞍槽根部應(yīng)力，效果十分明顯。在有限元分析過程中，應(yīng)力最大處的位置是邊跨端部橫肋和底板之間的交接部位。導(dǎo)致此處產(chǎn)生最大應(yīng)力的主要原因?yàn)閼?yīng)力集中，次要原因?yàn)榻＿^程中的約束。在恒載的狀態(tài)下，主纜于主索鞍的邊跨和中跨有相同的水平方向纜力，而在最不利荷載條件下，這一水平方向的纜力存在差別，進(jìn)而在鞍體的其中一側(cè)和底板之間的交接部位產(chǎn)生彎矩，最終產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。施工中，鞍體在承板與格柵的作用下能使所受應(yīng)力傳遞至索塔，在這種情況下，即便有限元分析過程中局部應(yīng)力很大，但實(shí)際工況要比分析結(jié)果小很多。

在我國，鋼板厚度較大，這會給包含焊接、運(yùn)輸與吊裝等在內(nèi)的各項(xiàng)作業(yè)都帶來很大不便。而組合形式的主索鞍目前只在跨徑相對較小的懸索橋中使用，還沒有在跨徑相對較大的懸索橋中嘗試過。然而，如果可以在跨徑相對較大的懸索橋上使用主索鞍，則能發(fā)揮出以下優(yōu)勢特點(diǎn)。

(1)采用鋼板進(jìn)行組裝，無需配備鑄鋼件，能充分發(fā)揮材料的性能，但需要根據(jù)要求增加一定數(shù)量的拉桿。

(2)無需鑄造，能減少焊接和相應(yīng)的無損探傷，并且對加工機(jī)床提出的要求也很低。

(3)因采用分片制造和運(yùn)輸?shù)姆椒ǎ诘跹b至塔頂處以后實(shí)施組裝，不同部分之間利用定位銷進(jìn)行定位以后使用拉桿進(jìn)行連接，能有效保證連接和組裝的精準(zhǔn)度。

(4)受力縱向上無需分塊，對主索鞍實(shí)際受力有利。

由于組合形式的主索鞍具有以上優(yōu)勢特點(diǎn)，所以在今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中可進(jìn)行適當(dāng)?shù)膰L試，以解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的問題和不足。

4 結(jié)束語

綜上所述，主索鞍座設(shè)計(jì)對橋梁設(shè)計(jì)與施工有重要意義，目前該橋梁工程的主索鞍座設(shè)計(jì)與施工都已經(jīng)順利完成，施工質(zhì)量合格，各項(xiàng)指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求，說明以上對主索鞍座的設(shè)計(jì)合理可行，值得類似工程參考借鑒。