马鞍山长江公路大桥缠丝力计算

姚　琨，徐开磊

(中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065)



马鞍山长江公路大桥缠丝力计算

姚琨，徐开磊

(中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065)

悬索桥的主缆是悬索桥的主要受力构件，在该类桥梁使用期限内，修复工程相当困难，更不允许更新拆换。因此，预先采取物理防护措施，在大桥主缆表面进行现场缠丝防护作业，以一定的张力使镀锌软钢丝牢固密匝地缠绕在主缆上，用以保护主缆钢丝免受大气、雨水侵蚀及防止意外碰撞，保证涂装防护效果，延长大桥使用寿命，已成为保障悬索式大桥安全使用寿命的重要措施。文中以马鞍山长江公路大桥工程为背景，考虑缠丝工况、主缆拉力增量等因素，对缠丝导入力的计算方法进行完善，并根据现有材料技术，制定该桥的缠丝施工工艺，保证该桥顺利施工。

悬索桥；主缆；缠丝；导入力

悬索桥常用主缆防护方法如图1所示。目前，缠丝力设计计算的参考文献不多，日本在这方面有较深入的研究，如白鸟大桥、平户大桥等都做过缠丝导入力的研究[1]。我国从厦门海沧大桥起做过类似研究[2-3]，如潘世建、唐茂林等[4-10]。本文在这些文献基础上，分析计算马鞍山长江公路大桥主缆的缠丝导入力。

1　 主缆缠丝导入力计算

1.1主缆拉力Tc与缠丝拉力Tr的本构模型

主缆缠丝后，由于活载、温度等的变化，主缆直径会随之而变。主缆缠丝必须适应这种变化，即在最不利荷载作用下，缠绕钢丝的拉力不能为0，所以设计要求导入较大的缠丝拉力，以保证在任何情况下缠丝圈对主缆表面的压力不为0。主缆缠丝力学模型如图2所示。由此建立关系式

(1)

其增量表达式为

(2)

式中：σr0为计入安全系数后的施工导入的缠丝压力；Δσr0为施工导入缠丝圈压力增量；Δσr为缠丝圈对主缆的压力增量；Δσc为主缆对缠丝圈的反作用压力增量。

图1　悬索桥主缆防护体系示意图

图2　主缆缠丝力学模型

缠丝圈与主缆表面的变形协调条件则为

(3)

式中：ΔDr为缠丝圈直径增量；ΔDc为缠丝后的主缆直径增量。

1.2缠丝拉力计算公式

根据主缆拉力Tc与缠丝拉力Tr的本构关系可得， 主缆钢丝的泊松效应引起的缠丝拉力增量ΔTr为

(4)

式中：ΔTc为主缆拉力增量；ΔTr为相应的缠绕钢丝拉力增量；Ec为主缆的弹性模量；Ac为主缆截面面积；Dc为主缆钢丝有效面积；μ为主缆钢丝泊松比；Er为缠绕钢丝弹性模量；Ar为缠丝截面面积；Dr为缠丝圈直径；n为缠丝施工后，缠丝拉力损失后计入的安全系数，取2.5～3.0。

2　系统温差对缠丝拉力的影响

系统温差指缠丝圈与主缆表面之间的温度差。造成系统温差的原因是热传导之后效应。当环境突然降温时，缠丝圈温度降低了，但主缆因热传导滞后影响尚未降温，造成的界面温差称为负温差。发生负温差时，主缆直径不变，但缠丝圈直径收缩变小，故可能使已经导入较大拉力的缠绕钢丝拉力增大，而被主缆“胀断”。反之，当环境突然升温时，缠丝圈温度升高，但主缆因热传导滞后而尚未升温，所造成的界面温差称为正温差。发生正温差时主缆直径不变，缠丝圈直径加大，如果导入缠丝拉力较小，就可能使缠丝圈“松弛”失效。

由式(1)可得缠丝圈与主缆界面上的压应力为

(5)

式中：Δdr为缠绕钢丝间隙，取Δdr=0.05 cm。

当发生负温差，缠丝圈降温tr时，缠丝圈应力增大，缠绕钢丝出现最大拉应力σmr，且有

(6)

由此可得,缠绕钢丝强度验算公式

(7)

式中：[σmr]为缠绕钢丝屈服强度，ΔTr0为导入缠丝拉力。考虑安全储备系数后的施工导入缠丝拉力，按式(4)计算。

当发生正温差，缠丝圈升温tr时，缠丝圈应力减小，缠绕钢丝出现最小拉应力σpr。

(8)

由此可得检验缠丝圈是否“松弛”失效的判断公式为

(9)

式中，ΔTr为理论缠丝拉力，由于ΔTr已偏安全的考虑了较正温差tr大的主缆降温30℃，所以公式必然成立。也就是说只要施工保证了理论导入缠丝拉力值，就不会发生缠丝圈“松弛”失效等不良效果。

3　缠丝导入力设计荷载

缠丝导入力的设计荷载与桥梁其他构件设计一样，包括恒载、汽车活载、温度变化、风荷载等。在国外，主缆一般在桥面铺装完成或者完成大部分后进行缠丝，因而二期恒载的影响可以忽略不计；在国内，自海沧大桥以后， 部分悬索桥建设采用先缠丝后铺装，这就需要考虑二期恒载的影响。二期恒载使主缆张力增大，在“泊桑效应”作用下缆径发生横向收缩，因此，采用先缠丝后铺装时，往往要加大缠丝导入力。汽车活载、风荷载对缠丝力的影响也是通过主缆纵向张力变化的泊桑效应而产生；温度变化使主缆张力产生变化，同时主缆断面内、外温差导致缠丝长度变化和缆径变化不一致，缠丝完成后，在日光作用下缠丝的温度会比主缆内部平均温度高很多，所以缠丝力会很快减小。经分析，马鞍山长江公路大桥左汊主桥缠丝力设计荷载如下：

1)二期恒载4.523 5×104N/m。

2)缠丝过程的主缆断面温差作用。

3)运营阶段的汽车荷载，设计荷载为公路 Ⅰ 级荷载。

4)运营阶段风荷载，对主缆张力的影响一般较小，可忽略不计。

5)运营阶段体系温差，根据设计图纸，体系最大降温为35 ℃。

6)运营阶段主缆断面温差作用。

4　计算结果及影响参数分析

马鞍山长江公路大桥左汊主桥为三塔两跨悬索桥，两主跨主缆跨度均为1 080 m，矢跨比1/9，背缆跨度均为360 m，两根主缆横桥向的中心间距为35 m。主缆采用预制平行钢丝索股，每股由91根直径为5.2 mm镀锌高强钢丝组成。主缆直径(索夹外)为688 mm，空隙率分别为索夹内18%，索夹外20%。桥面铺装引起的缆力增量为38 675.74 kN，活载引起的缆力增量为26 694 kN，体系温度变化引起的缆力增量为7 139 kN，缠丝弹性模量1.45×105MPa。当分别采用高度为3 mm不同弹性模量的软质钢丝进行缠丝时，所需的缠丝导入力计算结果如表1所示。

缠绕钢丝截面最大拉应力为σmr=264 MPa<[σm]=540 MPa。

表1　各工况下缠丝导入力计算结果

注：T1为缆力变化引起的缠丝导入力；T2为温差引起的缠丝导入力。

由以上计算结果可知，温差对缠丝导入力的影响很大，随着缠丝弹性模量的增加，缠丝导入力增加。如果采用先铺装后缠丝，缠丝导入力均小于2 000 N；如果采用先缠丝后铺装，缠丝导入力将大大增加，缠丝导入力均在2 000 N以上，由铺装引起的缠丝力增量约为700 N。最终马鞍山公路大桥的悬索桥缠丝导入力设计荷载控制在2.3～2.5 kN，钢丝抗拉强度满足要求，缠丝施工需检测S型钢丝的弹性模量。

5　结　论

1)温度对悬索桥主缆缠丝导入力影响很大，主缆缠丝施工尽量避免主缆断面温差过大的时候施工。

2)马鞍山长江公路大桥采用先缠丝后铺装工序，缠丝导入力设计荷载控制在2.3～2.5 kN，虽大大增加缠丝导入力，但缠丝张力取值范围合理(主缆荷载增加后钢丝无松弛现象)，完全达到了设计要求。

本文体系温差按照图纸中设计荷载选取，安全系数按经验取值，所得的导入力有些保守。

[1] 万国朝.白鸟大桥主缆防护工程[J].国外公路，1999，19(4)：14-19.

[2]潘世建，杨盛福.厦门海沧大桥建设丛书(第二册：科研试验专用技术标准)[M].北京：人民交通出版社，2012.

[3]方明山.厦门海沧大桥悬索桥主缆缠丝拉力计算[J].华东公路，1999(4)：8-10.

[4]唐茂林，宋晖,卢伟,等.西堠门大桥主缆缠丝导入力计算[J].桥梁建设，2009(5)：44-48.

[5]周汉国，陶路,漆亮.坝陵河大桥主缆缠丝导入力计算[J].公路交通技术，2010(2)：60-64.

[6]马文田，石国彬,韩大建.悬索桥主缆缠绕钢丝的设计[J].华南理工大学学报(自然科学版)，1999，27(11)：88-91.

[7]卢伟，马青云,李润哲,等.西堠门大桥主缆缠丝技术[J].桥梁建设，2010(1)：55-58.

[8]张波，张由,黄夏雨.青草背长江大桥主缆缠丝初拉力的修正分析[J].西部交通科技，2013(4)：40-42.

[9]田越.大跨度悬索桥主缆缠丝拉力损失的试验研究[J].铁道建筑，2009(6)：12-14.

[10] 陈凯，江夏.泰州长江公路大桥主缆缠丝施工技术[J].交通科技，2013(1)：30-32.

[责任编辑：刘文霞]

Calculation for lead-in force of main cable wrapping in Maanshan Yangtze River Highway Bridge

YAO Kun,XU Kailei

(CCCC Second Highway Engineering Co.，Ltd.，Xi’an 710065，China)

Main cable is one of the most important structure of suspension bridge. During the term of use, it is very difficult to maintenance and update the suspension bridges. The main cable wrapping in suspension bridge focuses on leading in the wrapping steel wire loops with big tensile force to form a hoop with enough pressure on the surface of main cable so as to guarantee the painting protection effect and prevent main cable from corrosion by atmosphere. Based on Maanshan Yangtze River Highway Bridge, this paper perfects the calculation methods for lead-in force of wrapping, and determines the wrapping construction technology. According to existing material techniques, it makes the wrapped construction technology, and ensures the smooth implementation of this bridge.

suspension bridge; main cable; wrapping; lead-in force

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.04.005

2016-01-19

姚琨(1983-),男，工程师，硕士，研究方向：大跨度桥梁施工技术及监控.

U443.38

A

1671-4679(2016)04-0025-03