自錨式懸索橋主索鞍座構造設計及計算分析

盧元剛

(1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

1 工程概況

本文依托阜陽潁柳路泉河大橋,項目位于阜陽祥源.潁淮生態(tài)文化旅游區(qū)內,跨泉河水系景觀帶。

潁柳路泉河大橋,橋梁全長755 m,其中主橋為22(錨固跨)+82+115+22 (錨固跨)m,獨塔不等跨自錨式懸索橋,為我省第一座該結構體系橋梁。主橋全寬43.5 m,橋梁荷載等級為城-A級。項目2015年12月完成設計,2017年獲安徽省土木建筑創(chuàng)新獎二等獎,2019年5月交工通車。

橋梁總體設計考慮現(xiàn)場河道不對稱地形條件,采用115 m主跨跨越通航孔,82 m邊跨跨左岸大堤,獨塔不等跨布置,減小大跨度主橋規(guī)模[1]。同時考慮主塔兩側不等跨特點,控制橋塔兩側主纜矢跨比(其中主跨矢跨比1/12.5,邊跨1/17.31),實現(xiàn)塔頂主纜水平分力相同,保證主塔恒載下左右側受力平衡[2]。

圖1 潁柳路泉河大橋實景圖

本文結合泉河大橋實際工程設計,介紹自錨式懸索橋主纜鞍座構造創(chuàng)新設計及鞍座錨固抗滑、強度計算,為類似城市懸索橋設計提供參考。

2 鑄焊結合主纜鞍座創(chuàng)新設計

2.1 鞍座鑄造構件設計

主索鞍總成由異性支撐結構+豎向、橫向支撐加勁板+底板及錨固構件組成。

施工階段鞍座吊裝安裝,為減少塔頂?shù)跹b及定位難度,主索鞍鞍座采用碳素鋼鑄造件和普通Q345板材拼裝組合的鑄焊結合結構,其中鞍體主體異性支撐結構采用ZG270-480H碳素鋼鑄件(如圖5中陰影部分),其他支撐肋板、底座、隔板等采用Q345B鋼板(圖2-3中非陰影部分)焊接于鑄造件上。

鋼格柵安裝到位后進行精確測量,主索鞍的定位誤差由上承板調整,主索鞍吊裝到位后,通過定位銷與底板板鎖定[3]。

圖2 主橋總體布置圖

圖3 主塔頂鞍座總體布置

圖4 鞍座總體結構圖

圖中:1為異性支撐結構;2為橫向支撐加勁板;3為豎向支撐加勁板;4為底板及與橋塔的錨固構件;5為施工鞍座位置預偏移調整的頂推自平衡反力架

圖5 鞍座鑄造體構造(圖中陰影部分)

圖6 鞍座現(xiàn)場實景圖(鞍罩未安裝)

2.2 鞍座底座及自頂推平移構造創(chuàng)新設計

考慮空纜階段和成橋階段,主纜線型不同,為實現(xiàn)橋塔兩側主纜水平分力各階段均能平衡,空纜階段主索鞍設置順橋向位置預偏,施工過程中隨吊桿安裝,需對鞍座水平位置進行局部調整,頂推至成橋鞍座位置[4-5]?？绽|及成橋時鞍座位置如圖7。

為實現(xiàn)施工過程中鞍座位置調整,本項目鞍座底板結合橋塔既有構造空間,設置鞍座自頂推構造實現(xiàn)鞍座位置平移,不需在橋塔上另設反力架,簡化施工措施構造,實現(xiàn)創(chuàng)新型自頂推主塔鞍座設計[6]。

圖中位置A為空纜時設計預偏的鞍座位置;B為成橋時鞍座位置

圖8 鞍座焊接底座及自頂推平移反力構造

3 主鞍座座體結構分析驗算

主纜通過主索鞍跨越橋塔,主索鞍作為懸索橋關鍵構件,承受主纜豎向分力,鞍座承受豎向力及側面剪力設計階段需對索鞍強度進行驗算。同時在正常使用階段,在各類活荷載作用下主纜兩側存在不平衡力,鞍槽提供抗滑力,防止主纜在鞍槽內移動,需對鞍座抗滑移能力進行驗算[7]。本文結合規(guī)范及整體計算,對上述鞍座強度及抗滑移能力進行驗算。

3.1 設計計算條件

(1)主纜鋼絲[8]

鋼絲直徑d=5.0 mm,σb=1670 MPa

主纜孔隙率(一般位置):20%

主纜孔隙率(索夾處):18%

主纜構成5.00×90×37纜徑D=324.0mm

(2)主索鞍角度和纜力:

中跨切線角:33.58°

邊跨切線角:36.93°

“恒載+活載+溫度+風”工況下:

邊跨最大纜力:Fct=38 860 kN

中跨最大纜力:Fcl=37 619 kN

3.2 鞍槽中主纜抗滑驗算

(1)

Fct:緊邊拉力Fcl:松邊拉力αs:圓弧包角;μ:主纜與槽底或隔板間的摩擦系數(shù),μ=0.15。

根據(jù)歐拉公式:Fct=Fcl×eμ×αs

此時為臨界狀,若想使主纜在鞍槽中沒有任何滑動,則應該使。

本項目將橋梁總體結構計算中相關荷載帶人上述公式,計算結果如下:主索鞍抗滑安全系數(shù):K=5.6>2,主纜抗滑移滿足規(guī)范要求。

3.3 鞍座鞍體強度計算

按照《公路懸索橋設計規(guī)范》,主纜對主索鞍的作用力如下所述。

圖9 主纜對鞍座作用示意圖

(1)各列索股的向心壓力:

(2)

(2)最高索股頂至計算高度h處的側向壓力:

(3)

式中:Fc-單根主纜的拉力,取邊中跨較大值來進行計算;n-該列索股根數(shù);ns-單根主纜中索股總股數(shù);rv-該列索槽半徑;μ-摩擦系數(shù),μ=0.15;fv-中央列索股單位體積豎向力;

五是輪養(yǎng)。該魚養(yǎng)殖具有廣泛的適應性，不論是單一養(yǎng)殖或者多品種立體混養(yǎng)，都可以采用輪捕輪放，分批上市，捕大留小，提高養(yǎng)殖效益。

(4)

nsc-中央列索股股數(shù);H-中央列索股總高度。

由側壓力fH或fHs產生的總彎矩MfH可按如下式計算:

(5)

(6)

表1 鞍座強度主要計算結果

鞍槽側壁根部組合應力為77.9 MPa小于鋼材設計容許應力0.9*270/1.7=143 MPa,滿足規(guī)范要求[9]。

鞍座肋板承受的總豎向力最大值計算如下:Fv=38 860*sin(37.63)+37 619*sin(33.58)=44 156 kN

鞍座縱橫肋板截面積計算如下:A=1800*60*6+2500*120=948 000 mm2;

鞍座縱橫肋壓應力σ為44156000/948000=46.6 MPa鋼材設計容許應力143 MPa鞍座縱橫肋的強度滿足規(guī)范要求。

4 結 論

主纜、鞍座、索夾等懸索橋特有關鍵構件對整體橋梁安全至關重要。本橋鞍座采用鑄、焊結合設計,其中鞍座骨架為鑄造件,相關穩(wěn)定件為普通鋼焊接件,是融合橋梁設計和鋼結構鑄造、焊接施工技術一項創(chuàng)新成果;鞍座底座板實現(xiàn)創(chuàng)新型自頂推設計,不需要橋塔上設置反力架,相關構造設計關鍵技術及創(chuàng)新成果可為類似城市100～200 m跨徑懸索橋設計提供參考。

同時本文結合規(guī)范給出主纜在鞍槽內抗滑移系數(shù)計算、鞍座鞍體鞍槽側壁根部組合應力、鞍座縱橫肋的壓應力計算算例及計算結果,為類似項目結構計算提供示例。