威海雙島灣科技城一號橋主索鞍設(shè)計

黃振興

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 概 述

威海雙島灣科技城一號橋位于雙島灣西岸環(huán)灣路上，智慧島東南側(cè)，河道規(guī)劃寬度為270 m，橋長 280 m，寬30 m，橋梁采用跨徑布置為（31.5+38.5+158+38.5+31.5）m=298 m的雙索面自錨式懸索橋，半漂浮體系。加勁梁主跨為雙邊箱鋼混組合梁，邊跨為雙邊箱預應力混凝土梁；橋?qū)?1 m，中心梁高2.5 m；主塔為混凝土結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁（見圖1）。

2 主索鞍的結(jié)構(gòu)形式

2.1 按傳力方式分類

按主索鞍的傳力途徑可分為兩類：外殼直接傳力式和肋板間接傳力式。外殼直接傳力式主索鞍主要適用于柔性塔，如鋼塔。鋼塔一般由箱形薄壁鋼構(gòu)件組合而成，主索鞍的縱肋板與底板傾斜布置，主纜的壓力通過鞍頭、斜縱肋直接傳遞到鋼塔的塔壁上（見圖2）。日本修建的大部分懸索橋都采用鋼索塔，因此所采用的主索鞍基本上是外殼直接傳力式。

圖2 外殼直接傳力式主索鞍

肋板間接傳力式主索鞍更適合于剛性索塔，如混凝土索塔。鞍頭下的縱橫肋與底板垂直（或稍有傾斜）布置，主纜的壓力通過縱橫肋、底板傳遞到塔頂上（見圖3）。我國目前已建成的懸索橋均采用混凝土索塔，因此主索鞍的結(jié)構(gòu)形式都采用縱橫肋間接傳力式。

圖3 肋板間接傳力式主索鞍

2.2 按制作方式分類

按主鞍座的制作方式可分為四類：全鑄式、全焊式、鑄焊式、組合式。

全鑄式主索鞍是將鞍頭、鞍體及底板作為一整體鑄造出來的鑄件,經(jīng)過熱處理、機械加工制作完成。全鑄式主索鞍工藝比較單一,制造周期也相對較短。但由于鑄造工藝的要求,當鞍座的尺寸、重量較大時，會給后序的機械加工造成困難。廈門海滄大橋、西陵長江大橋都是采用全鑄式主索鞍。

全焊式主索鞍的制作材料均為厚鋼板，無論是鞍頭、鞍身和底板，均由厚鋼板焊接而成。鞍座的重量相對較小，用鋼量小。但鞍槽部分的結(jié)構(gòu)大多為半徑很大的階梯圓弧，各部分所需厚度相差較大，焊接工藝復雜,只有少數(shù)橋梁采用了這種制作方式，如土耳其的博斯布魯斯橋、英國的塞文橋等。在使用中，塞文橋又由于主索鞍剛度不足，進行過加固處理。

鑄焊式主索鞍吸取了全鑄式和全焊式這兩種制作方式的優(yōu)點：鞍頭部分形狀復雜,采用鑄鋼鑄造成型；鞍體、底板等結(jié)構(gòu)比較簡單的構(gòu)造采用鋼板焊接成型；較好地利用了兩種制造方法的優(yōu)勢，解決了簡化制造工藝與材料合理利用之間的矛盾。主索鞍鞍頭一般采用ZG275-485H焊接鑄鋼鑄造成型，鞍體、底板一般為厚鋼板焊接而成。國內(nèi)及日本大型懸索橋均采用這種構(gòu)造形式。

組合式是近年來出現(xiàn)的一種主索鞍結(jié)構(gòu)形式，主索鞍由多組厚鋼板通過高強拉桿連接而成。鋼板厚度與索股寬度相等,隔板位于兩厚鋼板之間,橫肋與底板及鞍槽壁相焊接,組合后加工槽道。這種形式結(jié)構(gòu)簡單、制造方便,避免了周期較長的鑄造工序，減少了焊接施工。組合式主索鞍目前只應用于一些小跨徑的橋梁。瀾滄江橋采用的就是這種結(jié)構(gòu)形式。

2.3 按組成方式分類

按照鞍體的結(jié)構(gòu)組成方式可以分為兩種：整體式和分體式。

由于主索鞍需安裝在塔頂,鞍體的整體重量受到了吊裝能力的限制,單件重量50 t以下的鞍座可以做成一體,為整體式。單件重量50 t以上的鞍座可以沿縱向分為2～3塊,塊與塊之間用高強螺栓連接。鞍槽和底板的加工需拼裝成一個整體,以保證鞍槽線形平順。安裝時分塊吊到塔頂，再拼裝成一體。

3 主索鞍的結(jié)構(gòu)設(shè)計

懸索橋索鞍和主纜施工過程包含以下過程：主塔施工完成后，吊裝主索鞍到主塔頂面以及在錨錠處安裝散索鞍，然后用AS法或PWS法架設(shè)主纜，此時主纜以空纜纜力作用在索鞍上；安裝并張拉錨固索鞍鞍槽上方的拉桿，以抵消主纜擠壓壁槽產(chǎn)生的部分側(cè)向力；繼續(xù)架設(shè)主梁直至竣工運營，此時主纜纜力變?yōu)槌蓸蜻\營階段的纜力。

索鞍存在兩個最不利的受力狀態(tài)，即拉桿未安裝時的空纜纜力狀態(tài)和運營階段的最大纜力狀態(tài)（以下簡稱為空纜狀態(tài)和成橋狀態(tài)）。

3.1 鞍頭

鞍頭部分的主要構(gòu)造是放置主纜索股的承纜槽，承纜槽是開口槽，槽底部是與所放置的索股形狀相適應的縱向弧形槽路，槽路的橫斷面根據(jù)索股的排列多呈方形臺階狀槽，臺階槽之間設(shè)置隔板將每列索股隔開（見圖4）。

圖4 主索鞍的鞍頭斷面（單位：mm）

3.2 鞍身

鞍身為支撐鞍頭的骨架，主要由縱、橫肋和底板組成，并與鞍頭上的縱、橫肋相適應。鞍座縱肋貫通鞍體整個縱向，縱肋可以是一條或兩條。橫肋的設(shè)置可以是豎向的，也可以是向心的。底板是整個鞍體的支撐，它與縱、橫肋相連，使底板各部形成三邊支撐的矩形板式結(jié)構(gòu)來傳遞所承受的力。

主索鞍長3 454 mm，寬1 600 mm，高1 865 mm，曲面的豎向圓弧半徑為2 500 mm，總重約17.7 t，加勁肋板厚60 mm，平面徑向布置，縱向共布置9道。承纜槽側(cè)壁厚130～156 mm，7根預緊拉桿。具體尺寸如圖5所示。

圖5 主索鞍總體布置圖（單位：mm）

3.3 上、下承板

上、下承板是鞍體與索鞍底座格柵之間的傳力結(jié)構(gòu)，上、下承板之間設(shè)頂推滑動摩擦副，因此也是主索鞍結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)造。下承板是上承板的對偶構(gòu)件，也是雙面精加工的整塊厚鋼板。在下承板頂滑移面兩外側(cè)，設(shè)有滑移導向構(gòu)造，以確保頂推施工的順利實施。

3.4 底座格柵

為使混凝土結(jié)構(gòu)的索塔塔頂能為主索鞍提供一個較高精度的安裝平面，并保證橋梁在施工期間塔頂具有較高的抗剪能力，在運營期間具有足夠的抗壓強度，混凝土結(jié)構(gòu)的索塔塔頂應預埋一個鋼制的底座格柵，并將其與索塔中的結(jié)構(gòu)鋼筋相連，澆筑混凝土使其與塔冠成為一體，有效地將主纜壓在主索鞍上的巨大豎向力均勻、可靠地傳遞到索塔中。

底座格柵通常為一個大型鋼結(jié)構(gòu)件，可為焊接結(jié)構(gòu)件，也可為鑄鋼件。底座格柵的頂面即是下承板的安裝平面，應進行全平面的機械加工，以達到滿足定位、傳力要求的相應精度。

4 主索鞍的強度計算

計算結(jié)果給出鞍座的應力云圖和各部分應力最值數(shù)據(jù)。由于索鞍由鑄鋼材料制作，且處于復合壓應力作用環(huán)境下，因此取Von-Mises應力進行分析。

4.1 空纜狀態(tài)

空纜狀態(tài)主索鞍結(jié)構(gòu)應力云圖如圖6～圖8所示。

4.2 成橋狀態(tài)

成橋狀態(tài)主索鞍結(jié)構(gòu)應力云圖如圖9～圖11所示。

圖6 空纜狀態(tài)鞍座主體部分應力云圖（單位：MPa）

圖7 空纜狀態(tài)鞍座橫肋板應力云圖（單位：MPa）

圖8 空纜狀態(tài)鞍座底板應力云圖（單位：MPa）

圖9成橋狀態(tài)鞍座主體部分應力云圖（單位：MPa）

圖10 成橋狀態(tài)鞍座橫肋板應力云圖（單位：MPa）

圖11 成橋狀態(tài)鞍座底板應力云圖（單位：MPa）

5 結(jié) 語

從應力云圖上看，高應力區(qū)主要出現(xiàn)在鞍槽底部與索股的接觸面、加勁肋與鞍體的連接部位、縱橫向加勁肋之間的連接部位，以及索鞍的底座部分、拉桿拉緊的接觸面上。

表1 索鞍Von-Mises應力最值表

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，該橋主索鞍各部分的應力結(jié)果較為均勻。成橋狀態(tài)鞍槽主體應力最大值為125 MPa，橫肋應力最大值為131 MPa，這個結(jié)果是因為出現(xiàn)局部應力集中現(xiàn)象，可適當通過圓角處理的方式解決這個問題。

經(jīng)過對計算結(jié)果的分析和比較發(fā)現(xiàn)，高應力區(qū)都集中在連接部位和接觸部位，隨著遠離接觸點，應力迅速下降，這是符合圣維南原理的。Von-Mises應力作為Von-Mises屈服準則的一部分，能夠很好地反映索鞍結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

對結(jié)構(gòu)如此復雜的索鞍進行實體有限元分析能夠直觀地反映出其應力狀況。該次計算索鞍鞍槽和縱橫向加勁肋尺寸設(shè)計都較合理，因此應力結(jié)果較為均勻，基本滿足規(guī)范要求。