懸索橋索夾設計方法探究

黃 佳

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

·橋梁·隧道·

懸索橋索夾設計方法探究

黃 佳

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

介紹了懸索橋索夾的構造類型，對索夾材料的選擇進行了研究，并對索夾的內徑、長度、強度等設計方法和步驟作了計算分析，總結了索夾的安裝及防護措施，以確保索夾結構的可靠性，從而保證懸索橋全橋的安全性。

懸索橋，索夾，設計，安裝

懸索橋因其獨具受力明確、跨越能力強且造型美觀、氣勢宏偉等優點于一身，故在大跨度橋梁及城市景觀橋梁領域得到廣泛推崇。

懸索橋的結構自重和車輛荷載都通過吊索傳遞到主纜上，而其傳遞的有效性都通過合理地設置索夾來實現，故索夾結構的可靠性直接影響著懸索橋全橋的安全性。為了保證索夾性能，在設計過程中需從索夾構造類型、材料選擇、受力驗算及后期安裝維護等方面進行全面考慮，本文著重對此進行闡述。

1 構造類型

懸索橋索夾根據其使用功能，一般可分為三大類，分別為：1)連接主纜與吊索的吊索索夾；2)用于主纜定型的緊箍索夾；3)主索鞍及出口處防護密封的封閉索夾，其中，吊索索夾為直接參與懸索橋傳力的構件，作用關鍵，一旦失效會引起全橋結構破壞，使用數量也遠多于其他兩類索夾，是進行索夾設計時的關鍵和重點，后文均針對此類索夾進行論述。

根據吊索在索夾上的連接方式不同，索夾可分為騎跨式和銷鉸式兩種，見圖1。騎跨式在索夾頂部開槽，吊索卡于槽內跨過索夾，吊索的兩頭均在梁部進行錨固，此類索夾夾身構造較簡單，但當吊索受各類誤差影響而不能保證豎直時，吊索在卡槽端部會產生一定的彎曲應力。同時，當橋梁跨度不大，主纜纜徑較小時，吊索跨過索夾時彎曲半徑較小，則吊索會在彎曲豎平面內產生較大彎曲應力，對吊索長期受力不利。銷鉸式索夾則在圓形夾身下部設計有耳板，耳板上開孔供栓桿穿過從而與吊索相連，吊索另一頭錨固于梁上，此類型索夾上吊索無彎曲應力，但在進行索夾受力驗算時，需增加耳板及栓桿的相關驗算。索夾夾身多采用兩個鑄鋼半圓構件，安裝時用高強螺栓對接，對接方式一般分為上下對接和左右對接兩種。對于銷鉸式索夾，上下對接設計時，夾緊用高強螺栓除應按抗滑驗算需要進行設計外，還應考慮一定的富余量，用于抵抗吊索拉力引起的螺栓軸向力，但上下對合式索夾在下夾身下只設一個耳板，安裝吊索時比較方便；左右對合式索夾設計時，高強螺栓只需按索夾抗滑需要設計即可，螺栓使用較經濟，但由于下端有兩塊耳板，在現場施工時，會存在耳板不能完全對齊現象，導致施工吊索時栓桿入孔困難，常需強行矯正，從而使索夾夾身及高強螺栓存在次應力，影響構件使用壽命。設計允許時，索夾可采用一般的六角形高強螺栓，當連接件太厚不宜使用時，則可采用等長雙頭螺栓。

2 材料選擇

考慮索夾需承受活載，故材料選擇時除應滿足強度要求外，還應適當兼顧材料的抗疲勞性能和沖擊韌性。

索夾夾身常采用鑄鋼構件，ZG270-500為一般工程用鑄造碳鋼的一種，有較高強度和較好塑性，鑄造性能和焊接性能良好，有一定可切削性，是索夾設計中較合適的選擇。ZG30SiMn為低合金碳鋼鑄件，其強度、塑性和韌性均略高于ZG270-500，當活載產生應力幅較大，且施工條件較差、環境要求較高時，則可優先考慮。

高強螺栓常采用市場產品，根據受力需要配置螺栓型號及個數。

銷鉸式索夾的銷軸為軸類零件，除強度和韌性要求外，還得考慮材料耐磨性。45鋼是軸類零件的常用材料，其價格便宜，經過調質(或正火)后，可得到較好的切削性能，而且能獲得較高的強度和韌性等綜合機械性能，淬火后表面硬度可達45HRC～52HRC。40Cr為合金結構鋼，其適用于中等精度而轉速較高的軸類零件，這類鋼經調質和淬火后，綜合機械性能較優。該兩類鋼材用作銷軸材料均合適。

3 設計要素及結構驗算

3.1 索夾內徑設計

索夾與主纜的有效連接是通過夾緊的索夾與主纜間的摩擦力克服索夾的下滑力來實現的，要得到可靠的壓緊力，除高強螺栓的設計需滿足要求外，索夾內徑需小于正常主纜的直徑也是必要條件，以克服索夾螺栓本身的失效松弛、主纜受力后的變形、索夾自身變形和主纜內鋼絲排列因受力產生變化等客觀因素引起的壓緊力損失。

索夾內徑設計值為：

其中，dc為索夾內徑，mm；dw為主纜的鋼絲直徑；ntot為單根主纜中的鋼絲總數；Vc為大纜空隙率，索夾處大纜空隙率取16%～18%，索夾外取18%～20%。

3.2 索夾長度設計

索夾長度主要受對接錨固用的高強螺栓個數影響，故索夾長度設計前，先應根據索夾抗滑驗算需要，設計高強螺栓個數。

索夾對大纜的抗滑安全系數Kfc。

Kfc=Ffc/Nc≥3。

根據以上公式可得到確定的螺栓個數，設計施工時，考慮便捷性和工作效率，常把受力較相近的索夾設計為同樣的螺栓個數。

高強螺栓最小間距按不小于3倍螺栓直徑設計，即可得到索夾最小長度，設計中將長度相同的索夾稱為同一類索夾，但應注意到每個索夾在主纜上的夾角均不相同，故雖是同一類索夾，但制造和安裝時卻仍應按角度不同而逐個進行。

3.3 索夾強度驗算

索夾設計過程中，除螺栓應力取2倍安全系數外，還應考慮索夾夾身的應力。

索夾內應力主要為索夾環向應力σ1，其值為：σ1=Ptot/(2·L·tc)，L為索夾長度；tc為索夾壁厚。

從理論角度分析，索夾內徑與主纜在索夾處的實際外徑不一致，也會導致夾緊后產生圓周向彎曲應力，主纜對索夾內孔表面也有平均壓應力等一些應力存在，但實際情況中，考慮到索夾的鑄鋼材料有很好的延伸性(一般為25%左右)，使索夾產生足夠的變形以調整應力分布，故在索夾驗算時，忽略了一些不穩定、難以模擬且數值較小的應力，而以全截面主要拉應力σ1取材料屈服強度的3倍安全系數驗算薄壁應力，以全截面應力σ1加上局部彎曲應力σ2取材料屈服強度的2倍安全系數驗算局部應力。

對于銷鉸式索夾，還應對索夾耳板進行應力驗算，見圖3，驗算內容包括耳板開孔處Ⅰ—Ⅰ截面拉應力、開孔處Ⅱ—Ⅱ截面剪應力以及耳板開孔內壁與栓桿接觸面的局部承壓應力驗算。

當需要研究索夾整體應力分布時，可建立三維有限元實體模型進行相應分析。

當采用新型構造或新型材料的索夾時，索夾的抗滑性能宜通過索夾抗滑試驗確定。

4 安裝及防護

索夾安裝需注重兩個焦點，即索夾安裝定位和螺栓多次緊固。

索夾安裝定位在主纜空纜狀態下進行，在確定了實際空纜線形的條件下，根據吊索間距和主索鞍后續頂推距離，換算出各吊索豎直高度處索夾在空纜線形上的坐標值，通過精確放樣，確定索夾在主纜上的位置，再進行索夾安裝。

主纜是柔而松的索體，剛性索夾與主纜連接屬于不穩定連接，或者說是需經過多次緊固后才能趨于穩定的連接，特別在主纜受力后，由于泊松效應，主纜的直徑會縮小，導致高強螺栓壓力損失明顯。索夾螺桿預拉力損失率C通常可表示為：C=Δd·E/(σ0·lk)，其中，Δd為主纜直徑變化量；σ0為預緊時索夾螺桿應力；E為材料彈性模量；lk為索夾螺桿握距。為了彌補螺栓壓力損失，消除索夾安全隱患，必須分時段多次對索夾進行夾緊，目前懸索橋根據常規施工工序較多采用四次緊固方案，分別為：

1)索夾安裝時的第一次緊固；2)加勁梁吊裝完成后進行二次緊固；3)主纜纏絲防護前進行第三次緊固；4)全橋恒載加載完成后進行第四次緊固。

索夾的涂裝分為兩部分：1)索夾內部涂裝，在索夾安裝前完成，常為底層噴砂表面處理后電弧噴鋅，加外層環氧封閉漆2道。2)索夾的外部涂裝在整個懸索橋纜索系統施工完成后進行，常為4道防護，從底至外分別為：噴砂表面處理后電弧噴鋁、環氧封閉漆2道、環氧云鐵中間漆1道、丙烯酸聚氨酯面漆2道。

索夾的涂裝可根據實際情況進行調整，如采用防腐性能更好的涂料、美觀效果更佳的面漆等，且為延長使用壽命，提高長期的安全性及經濟性，宜定期對涂裝進行維護及修補。

5 結語

本文對懸索橋索夾的設計思路進行了整理，給出了索夾設計的方法和步驟，并且在索夾構造及材料等方面做了較為詳盡的對比及論述。本文所述的方法已在實際工程項目中加以運用，并供今后相關設計工作參考借鑒。

[1] 胡建華.現代自錨式懸索橋理論與應用[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 張 哲，李曉莉.吉林蘭旗松花江大橋主纜、索夾、吊索的設計[J].中南公路工程，2004(8):29-34.

Study of design method for the clamp of suspension bridge

HUANG Jia

(China Railway Shanghai Design Institute Group Limited Company, Shanghai 200070, China)

This paper introduced the structure types of suspension bridge cable clamp, researched the location of cable clamp materials, and made calculation and analysis on diameter, length, strength and other design method and steps of cable clamp, summarized the installation and protection measures of cable clamp, so as to ensure the reliability of cable clamp structure, ensured the safety of suspension bridge.

suspension bridge, cable clamp, design, installation

1009-6825(2014)36-0151-03

2014-10-15

黃 佳(1983- )，男，工程師

U448.25

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