悬索桥索夹设计方法探究

黄 佳

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

·桥梁·隧道·

悬索桥索夹设计方法探究

黄 佳

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

介绍了悬索桥索夹的构造类型，对索夹材料的选择进行了研究，并对索夹的内径、长度、强度等设计方法和步骤作了计算分析，总结了索夹的安装及防护措施，以确保索夹结构的可靠性，从而保证悬索桥全桥的安全性。

悬索桥，索夹，设计，安装

悬索桥因其独具受力明确、跨越能力强且造型美观、气势宏伟等优点于一身，故在大跨度桥梁及城市景观桥梁领域得到广泛推崇。

悬索桥的结构自重和车辆荷载都通过吊索传递到主缆上，而其传递的有效性都通过合理地设置索夹来实现，故索夹结构的可靠性直接影响着悬索桥全桥的安全性。为了保证索夹性能，在设计过程中需从索夹构造类型、材料选择、受力验算及后期安装维护等方面进行全面考虑，本文着重对此进行阐述。

1 构造类型

悬索桥索夹根据其使用功能，一般可分为三大类，分别为：1)连接主缆与吊索的吊索索夹；2)用于主缆定型的紧箍索夹；3)主索鞍及出口处防护密封的封闭索夹，其中，吊索索夹为直接参与悬索桥传力的构件，作用关键，一旦失效会引起全桥结构破坏，使用数量也远多于其他两类索夹，是进行索夹设计时的关键和重点，后文均针对此类索夹进行论述。

根据吊索在索夹上的连接方式不同，索夹可分为骑跨式和销铰式两种，见图1。骑跨式在索夹顶部开槽，吊索卡于槽内跨过索夹，吊索的两头均在梁部进行锚固，此类索夹夹身构造较简单，但当吊索受各类误差影响而不能保证竖直时，吊索在卡槽端部会产生一定的弯曲应力。同时，当桥梁跨度不大，主缆缆径较小时，吊索跨过索夹时弯曲半径较小，则吊索会在弯曲竖平面内产生较大弯曲应力，对吊索长期受力不利。销铰式索夹则在圆形夹身下部设计有耳板，耳板上开孔供栓杆穿过从而与吊索相连，吊索另一头锚固于梁上，此类型索夹上吊索无弯曲应力，但在进行索夹受力验算时，需增加耳板及栓杆的相关验算。索夹夹身多采用两个铸钢半圆构件，安装时用高强螺栓对接，对接方式一般分为上下对接和左右对接两种。对于销铰式索夹，上下对接设计时，夹紧用高强螺栓除应按抗滑验算需要进行设计外，还应考虑一定的富余量，用于抵抗吊索拉力引起的螺栓轴向力，但上下对合式索夹在下夹身下只设一个耳板，安装吊索时比较方便；左右对合式索夹设计时，高强螺栓只需按索夹抗滑需要设计即可，螺栓使用较经济，但由于下端有两块耳板，在现场施工时，会存在耳板不能完全对齐现象，导致施工吊索时栓杆入孔困难，常需强行矫正，从而使索夹夹身及高强螺栓存在次应力，影响构件使用寿命。设计允许时，索夹可采用一般的六角形高强螺栓，当连接件太厚不宜使用时，则可采用等长双头螺栓。

2 材料选择

考虑索夹需承受活载，故材料选择时除应满足强度要求外，还应适当兼顾材料的抗疲劳性能和冲击韧性。

索夹夹身常采用铸钢构件，ZG270-500为一般工程用铸造碳钢的一种，有较高强度和较好塑性，铸造性能和焊接性能良好，有一定可切削性，是索夹设计中较合适的选择。ZG30SiMn为低合金碳钢铸件，其强度、塑性和韧性均略高于ZG270-500，当活载产生应力幅较大，且施工条件较差、环境要求较高时，则可优先考虑。

高强螺栓常采用市场产品，根据受力需要配置螺栓型号及个数。

销铰式索夹的销轴为轴类零件，除强度和韧性要求外，还得考虑材料耐磨性。45钢是轴类零件的常用材料，其价格便宜，经过调质(或正火)后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45HRC～52HRC。40Cr为合金结构钢，其适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，综合机械性能较优。该两类钢材用作销轴材料均合适。

3 设计要素及结构验算

3.1 索夹内径设计

索夹与主缆的有效连接是通过夹紧的索夹与主缆间的摩擦力克服索夹的下滑力来实现的，要得到可靠的压紧力，除高强螺栓的设计需满足要求外，索夹内径需小于正常主缆的直径也是必要条件，以克服索夹螺栓本身的失效松弛、主缆受力后的变形、索夹自身变形和主缆内钢丝排列因受力产生变化等客观因素引起的压紧力损失。

索夹内径设计值为：

其中，dc为索夹内径，mm；dw为主缆的钢丝直径；ntot为单根主缆中的钢丝总数；Vc为大缆空隙率，索夹处大缆空隙率取16%～18%，索夹外取18%～20%。

3.2 索夹长度设计

索夹长度主要受对接锚固用的高强螺栓个数影响，故索夹长度设计前，先应根据索夹抗滑验算需要，设计高强螺栓个数。

索夹对大缆的抗滑安全系数Kfc。

Kfc=Ffc/Nc≥3。

根据以上公式可得到确定的螺栓个数，设计施工时，考虑便捷性和工作效率，常把受力较相近的索夹设计为同样的螺栓个数。

高强螺栓最小间距按不小于3倍螺栓直径设计，即可得到索夹最小长度，设计中将长度相同的索夹称为同一类索夹，但应注意到每个索夹在主缆上的夹角均不相同，故虽是同一类索夹，但制造和安装时却仍应按角度不同而逐个进行。

3.3 索夹强度验算

索夹设计过程中，除螺栓应力取2倍安全系数外，还应考虑索夹夹身的应力。

索夹内应力主要为索夹环向应力σ1，其值为：σ1=Ptot/(2·L·tc)，L为索夹长度；tc为索夹壁厚。

从理论角度分析，索夹内径与主缆在索夹处的实际外径不一致，也会导致夹紧后产生圆周向弯曲应力，主缆对索夹内孔表面也有平均压应力等一些应力存在，但实际情况中，考虑到索夹的铸钢材料有很好的延伸性(一般为25%左右)，使索夹产生足够的变形以调整应力分布，故在索夹验算时，忽略了一些不稳定、难以模拟且数值较小的应力，而以全截面主要拉应力σ1取材料屈服强度的3倍安全系数验算薄壁应力，以全截面应力σ1加上局部弯曲应力σ2取材料屈服强度的2倍安全系数验算局部应力。

对于销铰式索夹，还应对索夹耳板进行应力验算，见图3，验算内容包括耳板开孔处Ⅰ—Ⅰ截面拉应力、开孔处Ⅱ—Ⅱ截面剪应力以及耳板开孔内壁与栓杆接触面的局部承压应力验算。

当需要研究索夹整体应力分布时，可建立三维有限元实体模型进行相应分析。

当采用新型构造或新型材料的索夹时，索夹的抗滑性能宜通过索夹抗滑试验确定。

4 安装及防护

索夹安装需注重两个焦点，即索夹安装定位和螺栓多次紧固。

索夹安装定位在主缆空缆状态下进行，在确定了实际空缆线形的条件下，根据吊索间距和主索鞍后续顶推距离，换算出各吊索竖直高度处索夹在空缆线形上的坐标值，通过精确放样，确定索夹在主缆上的位置，再进行索夹安装。

主缆是柔而松的索体，刚性索夹与主缆连接属于不稳定连接，或者说是需经过多次紧固后才能趋于稳定的连接，特别在主缆受力后，由于泊松效应，主缆的直径会缩小，导致高强螺栓压力损失明显。索夹螺杆预拉力损失率C通常可表示为：C=Δd·E/(σ0·lk)，其中，Δd为主缆直径变化量；σ0为预紧时索夹螺杆应力；E为材料弹性模量；lk为索夹螺杆握距。为了弥补螺栓压力损失，消除索夹安全隐患，必须分时段多次对索夹进行夹紧，目前悬索桥根据常规施工工序较多采用四次紧固方案，分别为：

1)索夹安装时的第一次紧固；2)加劲梁吊装完成后进行二次紧固；3)主缆缠丝防护前进行第三次紧固；4)全桥恒载加载完成后进行第四次紧固。

索夹的涂装分为两部分：1)索夹内部涂装，在索夹安装前完成，常为底层喷砂表面处理后电弧喷锌，加外层环氧封闭漆2道。2)索夹的外部涂装在整个悬索桥缆索系统施工完成后进行，常为4道防护，从底至外分别为：喷砂表面处理后电弧喷铝、环氧封闭漆2道、环氧云铁中间漆1道、丙烯酸聚氨酯面漆2道。

索夹的涂装可根据实际情况进行调整，如采用防腐性能更好的涂料、美观效果更佳的面漆等，且为延长使用寿命，提高长期的安全性及经济性，宜定期对涂装进行维护及修补。

5 结语

本文对悬索桥索夹的设计思路进行了整理，给出了索夹设计的方法和步骤，并且在索夹构造及材料等方面做了较为详尽的对比及论述。本文所述的方法已在实际工程项目中加以运用，并供今后相关设计工作参考借鉴。

[1] 胡建华.现代自锚式悬索桥理论与应用[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2] 张 哲，李晓莉.吉林兰旗松花江大桥主缆、索夹、吊索的设计[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

黄 佳(1983- )，男，工程师

U448.25

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