揚州萬福大橋主索鞍設(shè)計

蔚志鵬

主索鞍是懸索橋重要的承重及傳力構(gòu)件，是懸索橋中關(guān)鍵的全壽命構(gòu)件，關(guān)系著懸索橋安全及耐久性。本文以揚州萬福大橋主橋為工程依托，重點對主索鞍的關(guān)鍵部位設(shè)計，計算分析進行介紹；最后，對萬福大橋索鞍的設(shè)計特點進行了總結(jié)，希望對以后類似工程具有一定借鑒作用。

一、工程簡介

揚州萬福大橋為主跨188m的混凝土自錨式懸索橋，大橋結(jié)合了橋梁與建筑景觀，為了實現(xiàn)本橋的效果，主纜矢跨比采用了1/4.1，遠大于常規(guī)的1/6左右，因此主索鞍的設(shè)計不同于常規(guī)自錨式懸索橋，具有一定的特點。

二、萬福大橋主索鞍設(shè)計

受矢跨比影響，本橋邊跨纜力較大，邊跨較中跨增加了兩根索股，見圖1，且兩根索股需錨固在主索鞍上。與常規(guī)的懸索橋不同，本橋在索鞍頂部及底部各設(shè)置了錨固裝置，用于錨固邊跨索股。

圖1 主纜斷面

萬福大橋主索鞍主要包括鞍頭、鞍身、滑動摩擦副。

1.鞍頭部分

根據(jù)萬福大橋主纜線型實際情況，主索鞍高度設(shè)計為3.4m。萬福大橋的主纜直徑最大為442.05mm，根據(jù)《公路懸索橋設(shè)計規(guī)范》的要求，鞍槽底部立面圓弧半徑不小于主纜設(shè)計直徑的8倍。本橋鞍槽底部圓弧半徑設(shè)計為4500mm，滿足規(guī)范要求。承攬槽之間采用5mm隔板將每列索股隔開，其高度與入鞍索股的高度相同，為便于后期安裝，隔板在縱向進行分塊，鞍槽側(cè)壁上方設(shè)置8根M48鋼拉桿，將兩側(cè)壁間索股擠緊。

2.鞍身

鞍身為支撐鞍頭而設(shè)，主要由貫通鞍身的縱肋和橫肋、底板鑄造而成。本橋鞍身設(shè)一道320mm縱肋，橫肋8道，厚度80mm。本橋索鞍的特點就是頂部設(shè)置錨梁錨固邊跨主纜上部一根索股，在索鞍底部縱肋前設(shè)置了耳式錨固裝置，用于錨固底部的一根索股。

本橋由于邊中跨比及主纜失跨比的影響，邊跨傾角大、纜力大，邊跨較中跨主纜多增設(shè)兩根索股，這兩根鋼索需錨固在主索鞍上，受頂部空間及索鞍尺寸的影響，傳統(tǒng)的完全在索鞍頂部錨固的方式不適用于本橋。本橋在鞍頂上設(shè)置一個錨梁錨固其中一根索股，將另一根索股通過插耳式錨具錨固于索鞍鞍體底部。兩股索股組之間的空間互不干涉，充分利用了主纜鋼索的上下空間，并且上下各取一股主纜更利于中跨緊纜，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，是首次在同類型懸賞橋中采用。

圖2 底部錨固裝置構(gòu)造圖

3.滑動摩擦副

滑動摩擦副由上、下承板和安裝板、臨時安裝板組成。上承板用銷釘與鞍體底板相連，上承板厚85mm。在其面上焊有一層不銹鋼板。下承板上安裝有安裝板和臨時安裝板，并用螺釘與下承板固定。安裝板上粘有一層聚四氟乙烯板，與上承板的不銹鋼板構(gòu)成滑動副。具有較好的耐壓性和減摩性。

三、主索鞍的強度計算

主索鞍是全壽命構(gòu)件，使用期間不可更換。因此主索鞍受力大小及分布情況十分重要。設(shè)計中采用結(jié)合規(guī)范的傳統(tǒng)計算方法及空間有限元分析應(yīng)力驗算。

1.規(guī)范計算

結(jié)合《公路懸索橋設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)公式，將索鞍簡化，考慮主纜拉力為空纜，主纜拉力為最大時兩種工況進行分析。

根據(jù)計算，在最不利的工況下，鞍槽應(yīng)力σ=133.44 MPa ＜[σw]，滿足規(guī)范的要求。

2.有限元分析

本文模型全部采用大型通用有限元軟件 Ansys 建立主塔索鞍鞍體以及承纜槽內(nèi)部分主纜的空間有限元模型，主索鞍鞍體的鑄鋼件和加勁鋼板均采用實體單元solid186來模擬。模型總計實體單元約為20萬個，節(jié)點數(shù)總計約為 32萬個，鞍座底板底面固結(jié)。

圖3 鞍座實體模型及分析結(jié)果

在承纜槽中心區(qū)域，應(yīng)力值較小。承纜槽與邊加勁肋相交處存在一定的應(yīng)力集中，這一點在加勁肋應(yīng)力云圖中也有所反應(yīng)。加勁肋位于腹板兩側(cè)，其主要作用是用于加強鞍座的穩(wěn)定性，同時承擔(dān)部分豎向壓力。

由分析得到，鞍槽內(nèi)應(yīng)力水平與手算接近，加勁總體應(yīng)力處于較低水平。應(yīng)力集中位于邊加勁與叉耳連接處，經(jīng)分析索鞍各項應(yīng)力均小于規(guī)范限制，構(gòu)造合理。

四、結(jié)語

本橋主纜矢跨比采用了1/4.1，較常規(guī)自錨式懸索橋大。主索鞍在傳統(tǒng)索鞍的基礎(chǔ)上，錨固于索鞍的索股錨固方式采用了不同的形式，前端設(shè)置的插耳式錨具，鞍頂設(shè)置鋼錨梁股，不同的錨固形式保證了索鞍的受力合理，節(jié)省了錨固空間，方便了后期索鞍的施工。