懸索管道橋雙主纜式索夾抗滑移性能研究

陳曉暉 張弢甲

1中國(guó)石油管道局工程有限公司設(shè)計(jì)分公司

2中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道分公司

在長(zhǎng)輸油氣管道懸索跨越形式中，橋面結(jié)構(gòu)、管道以及輸送介質(zhì)等荷載均通過(guò)吊索傳遞到主纜上，而吊索與主纜通過(guò)索夾進(jìn)行連接，主纜與索夾之間的抗滑摩阻力能夠保證上述荷載傳遞的有效性。如果索夾抗滑摩阻力[1]不能滿(mǎn)足工程要求，將會(huì)導(dǎo)致索夾產(chǎn)生滑移，從而影響全橋結(jié)構(gòu)安全。

對(duì)于大跨徑、大管徑、多管道懸索橋，由于承受載荷較大，主纜直徑也相對(duì)較大，通常此類(lèi)大直徑主纜優(yōu)先采用PPWS[2]工藝進(jìn)行架設(shè)，但綜合考慮施工工期、場(chǎng)地以及輔助措施等影響因素，將大直徑主纜拆分為雙主纜，采用成品索直接安裝的方式無(wú)疑更具有優(yōu)勢(shì)。雙纜體系[3]依靠主纜與吊索的彈性伸縮完成主纜間的荷載轉(zhuǎn)移，但由于受不可避免的安裝誤差影響，雙纜體系往往承受不均衡荷載，這也進(jìn)一步導(dǎo)致雙纜索夾的抗滑移性能研究更具特殊性和針對(duì)性。

本文以實(shí)際工程為背景，根據(jù)主纜架設(shè)方式，將索夾設(shè)計(jì)為上下對(duì)合[4]、左右對(duì)稱(chēng)式，以拉力試驗(yàn)機(jī)為主要模擬設(shè)備，在主纜上安裝千滑力傳感器，然后將主纜夾緊成型，通過(guò)分析索夾負(fù)荷-位移曲線(xiàn)以及計(jì)算索夾摩阻因數(shù)相互驗(yàn)證索夾抗滑移性能是否滿(mǎn)足要求。

1 雙主纜式索夾的設(shè)計(jì)

（1）根據(jù)主纜布置形式，索夾采用左右對(duì)稱(chēng)式，索夾剖面圖如圖1所示，主纜錨固孔中心間距為550 mm。

圖1 雙纜索夾剖面圖Fig.1 Profile of double-cable clamp

（2）索夾采用上、下對(duì)合形式，其立面圖如圖2 所示，上下半索夾結(jié)合面配備4 根290 mm×45 mm×10 mm橡膠密封墊。

圖2 雙纜索夾立面圖Fig.2 Vertical view of double-cable clamp

（3）索夾兩側(cè)各采用6個(gè)10.9級(jí)M20承壓型高強(qiáng)螺栓進(jìn)行錨固，每個(gè)索夾共設(shè)置12個(gè)高強(qiáng)螺栓。

（4）待剝離掉主纜PE 層后，進(jìn)行索夾安裝，安裝完成后對(duì)索夾部位主纜進(jìn)行密封、防腐處理[5]。

（5）索夾材質(zhì)采用ZG20Mn。

（6）自主塔位置起，每5 m 處安裝一個(gè)索夾，抗滑移試驗(yàn)選取全部索夾類(lèi)型中安裝傾角最大的索夾。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的確定

根據(jù)SY/T 7345—2016《油氣輸送管道懸索跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，索夾抗滑移安全因數(shù)≥3。

根據(jù)主纜曲線(xiàn)方程y=（其中l(wèi)為主跨長(zhǎng)度，f為主纜矢高，x為自主塔起索夾安裝的橫向距離）可知，索夾安裝位置夾角的正切值tanφ=y'=，因此x=5 m 時(shí)，索夾安裝傾角[6]最大，tanφ=0.388 7，所以索夾最大安裝傾角為arctan（0.388 7）=21.24°。

索夾承受的下滑力如圖3所示。根據(jù)工程實(shí)際情況，吊索索力為95 kN，由吊索拉力產(chǎn)生的索夾在主纜上的最大滑移力為95 kN×sin 21.24=34.42 kN，取安全因數(shù)為3，則索夾抗滑移力為3×34.42 kN=103.26 kN。因此，確定索夾滑移力為105 kN，即試驗(yàn)最大負(fù)荷為105 kN。

圖3 索夾下滑力示意圖Fig.3 Schematic diagram of sliding force of cable clamp

3 試驗(yàn)試件及裝置

（1）與主纜同型號(hào)的一次性索股2段，長(zhǎng)度約1 m。主纜配套索索夾1 套，每套索夾包含M20-10.9 級(jí)螺栓副12套。

（2）試驗(yàn)拉力機(jī)及配套鋼管套2套。

索夾在試驗(yàn)機(jī)安裝示意圖如圖4所示，現(xiàn)場(chǎng)完成后效果如圖5所示。

圖4 索夾試驗(yàn)安裝示意圖Fig.4 Schematic diagram of cable clamp test installation

圖5 雙纜索夾在試驗(yàn)機(jī)上安裝完成效果圖Fig.4 Effect drawing of the installation of double-cable clamp on test machine

4 試驗(yàn)步驟

（1）制作與主纜同型號(hào)試驗(yàn)段索體2 段，每段長(zhǎng)約1 m，保證端面平整，捆扎結(jié)實(shí)。

（2）在索段上裝卡索夾及鋼管套（安裝位置需要?jiǎng)兂齈E層），用扭矩扳手按照先中間后兩邊的順序逐個(gè)對(duì)索夾螺栓分三次施加預(yù)緊力，索夾上螺栓編號(hào)如圖6所示。螺栓預(yù)緊力第一次以50%設(shè)計(jì)預(yù)緊力為準(zhǔn)，對(duì)稱(chēng)擰緊；第二次以80%預(yù)應(yīng)力為準(zhǔn)，反序?qū)ΨQ(chēng)擰緊；第三次以100%預(yù)緊力（首次安裝預(yù)緊力為設(shè)計(jì)預(yù)緊力/0.7=150/0.7=215 kN）再次依序擰緊。螺栓擰緊完成后在索體上標(biāo)記兩索夾的位置。

（3）在索夾的錨固螺栓上安裝應(yīng)變片，監(jiān)測(cè)高強(qiáng)螺栓軸力。

（4）啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼管套施加拉力，施加荷載為3～5 kN/s，用來(lái)模擬吊索在主纜方向上的下滑力[7]，達(dá)到試驗(yàn)荷載后保持約120 min，并在索體上標(biāo)記兩索夾的位置。

（5）繼續(xù)加載試驗(yàn)機(jī)拉力，直至主纜索夾發(fā)生滑移，記錄此時(shí)試驗(yàn)機(jī)拉力數(shù)據(jù)。

圖6 高強(qiáng)螺栓編號(hào)Fig.6 Number of high strength bolt

5 結(jié)果及分析

（1）索夾負(fù)荷及位移。加載荷至試驗(yàn)拉力，并保持120 min 后，觀察索夾是否產(chǎn)生滑移，以此判定在試驗(yàn)荷載和設(shè)定安全因數(shù)情況下，索夾抗滑移情況能否滿(mǎn)足工程實(shí)際需要。主纜索夾負(fù)荷-位移曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 索夾負(fù)荷-位移曲線(xiàn)Fig.7 Load-displacement curve of cable clamp

根據(jù)負(fù)荷-位移曲線(xiàn)圖，索夾的位移隨加載負(fù)荷的增大而逐漸增大，當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)負(fù)荷后，索夾位移也達(dá)到最大。本次試驗(yàn)，達(dá)到試驗(yàn)負(fù)荷并保持120 min后，索夾最大位移約為0.12 mm，考慮試驗(yàn)誤差的影響，認(rèn)為索夾未產(chǎn)生滑移，滿(mǎn)足使用要求。

（2）索夾摩阻因數(shù)。試驗(yàn)機(jī)荷載增大至試驗(yàn)荷載并保持120 min 后，繼續(xù)增加負(fù)荷，直至索夾產(chǎn)生滑移，記錄此時(shí)荷載數(shù)據(jù)。此時(shí)，根據(jù)設(shè)置在螺栓上的應(yīng)變片，測(cè)定各螺栓的軸力[8]，如表1所示。

采用式（1）計(jì)算索夾的抗滑移摩阻因數(shù)。式中：μ為摩阻因數(shù)，取0.15；Ffc為索夾抗滑摩阻力，N；k為緊固壓力分布不均勻因數(shù)，取2.8；P′tot為主纜索夾上螺栓的實(shí)際夾緊力，N。

當(dāng)試驗(yàn)機(jī)荷載增大至165.7 kN時(shí)，主纜索夾發(fā)生滑移。索夾發(fā)生滑移時(shí)，12 根螺栓軸力合計(jì)為216.7 kN。經(jīng)計(jì)算，索夾抗滑移摩阻因數(shù)為0.27，大于規(guī)范0.15的建議取值要求，說(shuō)明索夾抗滑移儲(chǔ)備充足。

表1 高強(qiáng)螺栓軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Axial force monitoring data of high strength bolt

6 結(jié)論及建議

（1）采用左右對(duì)稱(chēng)式、上下對(duì)合式索夾能夠解決雙主纜式懸索橋吊索與主纜的錨固問(wèn)題。

（2）通過(guò)分析負(fù)荷-位移曲線(xiàn)，根據(jù)索夾的位移情況可初步判定索夾是否產(chǎn)生滑移，但仍需通過(guò)分析錨固螺栓軸力來(lái)計(jì)算索夾摩阻因數(shù)，進(jìn)一步將數(shù)據(jù)結(jié)果與規(guī)范要求進(jìn)行對(duì)比，才能得出設(shè)計(jì)索夾抗滑移效果是否滿(mǎn)足實(shí)際需要。

（3）通過(guò)螺栓軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，最大軸力（22.6 kN）約為最小軸力（14.3 kN）的1.58倍，與單主纜索夾錨固螺栓相比，相差幅度較大。其主要原因在于雙纜索夾體積較大，螺栓分布范圍較大，螺栓緊固力的均勻性相對(duì)較弱，而索夾內(nèi)摩阻力主要受螺栓緊固力的影響，因此對(duì)于雙纜索夾的設(shè)計(jì)，其螺栓選型和布置應(yīng)作為重點(diǎn)。

（5）因管道安裝完成、管道試壓等工況對(duì)主纜影響較大[9]，建議雙主纜式索夾在安裝完畢后，對(duì)索夾錨固螺栓進(jìn)行復(fù)擰，以進(jìn)一步確保索夾內(nèi)應(yīng)力的均勻性，提高索夾的抗滑移能力。