郭家沱长江大桥索夹设计及受力分析

孙军举，苏剑南，甘 露

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

郭家沱长江大桥索夹设计及受力分析

孙军举，苏剑南，甘 露

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

介绍郭家沱长江大桥索夹的整体设计及减小或消除短吊索2次应力的措施。实体有限元受力分析表明，该桥索夹设计应力水平适当，结构设计合理，可为后续的优化设计提供依据。

悬索桥；公轨两用；索夹；销接式

1 工程概况

重庆郭家沱长江大桥全长1 403.8 m，主桥为单孔悬吊双塔3跨连续钢桁梁公轨两用悬索桥，桥跨布置为75 m+720 m+75 m=870 m。两岸引桥均采用预应力混凝土连续箱梁，北引桥跨径布置为4×43 m，南引桥跨径布置为3×43 m+4×43 m。锚碇采用重力锚。桥型总体布置如图1所示。

2 索夹设计

2.1 索夹类型选择[1-4]

索夹是紧箍主缆索股并连接主缆与吊索的构件。主缆与吊索的连接一般采用具有一定刚性的索夹把主缆箍紧，以使主缆在受力后产生收缩变形时也不会滑动。索夹可分为有吊索索夹和无吊索索夹。无吊索索夹可分为锥形封闭和普通封闭索夹，锥形封闭索夹可适应主缆进入索鞍时的直径变化并把主缆夹紧，也能为进入鞍罩的主缆护套提供支撑位置，将主缆封闭；普通封闭索夹仅仅用于紧箍主缆。有吊索索夹可分为骑跨式和销接式索夹，对应的吊索分别为钢丝绳吊索和平行钢丝吊索2种，两者应用都较为成熟。

图1 桥型总体布置

骑跨式吊索一般采用优质钢芯钢丝绳，其优点是吊索具有较大的柔性，能有效防止加劲梁横向位移导致短吊索端部弯折引起的应力。缺点是钢丝绳跨过主缆会产生弯曲2次应力，对主缆外径有一定要求；钢丝绳弹性模量不稳定，易产生不均匀受力；钢丝绳耐久性较差，后期运营维护费用相对较高。

销接式吊索一般采用预制平行钢丝吊索。平行钢丝吊索在短吊索的锚头处可能存在弯折2次应力，且其弹性模量比较稳定，故设计安全系数取值较钢丝绳低，可以充分发挥材料的强度性能；采用高密度PE护套隔绝外界环境对镀锌钢丝索体的腐蚀，吊索的养护相对简单。

郭家沱长江大桥为大跨公轨两用悬索桥，索间距大，恒载重，相较常规公路悬索桥而言，其吊索索力要大得多。若采用骑跨式索夹，则钢丝绳弯曲2次应力更明显，钢丝绳跨过索夹承索槽时其截面变形大，弹性模量不稳定，易产生不均匀受力，且耐久性较差。因此，推荐郭家沱长江大桥索夹采用销接式索夹。

2.2 索夹设计

索夹采用上下对合的结构形式，上、下两半索夹用螺杆相连并夹紧于主缆上。在索夹对合面上设置轴向定位的嵌合构造，嵌合构造的嵌合量及间隙需满足索夹内主缆设计空隙率在±3%范围内变化的要求。上、下两半索夹外侧嵌填橡胶防水条防水。

索夹内孔直径为759.1 mm。由于主缆倾角不同，故所需夹紧力就不同，索夹长度及螺杆数量也均不相同。为了制造方便，将长度、角度相近的索夹并为一组，同一组索夹耳板销孔位置略有变化，以适应索夹倾角的变化。为使2个销孔保持水平并尽量避免吊索偏心受力，销孔对称于索夹中心的垂直线布置。郭家沱长江大桥索夹共分8种类型，如图2所示。图2中，SJ1～SJ6为有吊索索夹，其为紧固索夹；SJ7～SJ8为无吊索索夹，其为安装缆套的锥形封闭索夹。为满足受力需要，靠近主塔的吊索索夹(SJ1)其设计壁厚为45 mm，其他索夹设计壁厚均为40 mm。各类索夹上均设有安装主缆检修道立柱的相应构造。

图2 索夹布置示意

为了适应主缆和主梁的横向相对位移，在中跨索夹SJ5和SJ6范围内的短吊索锚头处设有适应横向转动的关节轴承[5]，并对SJ5和SJ6的销孔进行了特殊设计。索夹一般构造如图3所示。关节轴承设计倾斜角为7°，最短吊索上下锚头销孔中心距离约为4.9 m，故可适应的主梁与主缆的相对横向变形为4.9×tan(7°)=0.602 m，大于主梁横向最大位移436 mm，吊索在锚头处可自由转动，不存在弯折。故通过设置关节轴承，销接式索夹可较好地适应主梁的横向变形，大幅减小或消除吊索的2次应力。

索夹采用铸钢ZG20Mn铸造，调质处理，材料屈服强度为300 MPa，抗拉强度为500～650 MPa[6]。

3 索夹受力分析

按照文献[1]，索夹材料的平均计算应力如表1所示。

图3 索夹一般构造示意

工况拉杆力/kN螺杆总数索夹壁厚/mm索夹长度/mm计算应力/MPa容许应力/MPa安装工况6802440250081.6100正常使用4802440250057.6100

索夹为受力复杂的构件，为了更好地分析结构受力，采用大型有限元程序建立实体有限元计算模型。索夹采用ZG20Mn铸钢，材料屈服强度为300 MPa，弹性模量为2.06×105MPa，容重为78.5 kN/m3。销子采用40CrNiMoA合金钢，材料屈服强度为835 MPa，弹性模量为2.06×105MPa，容重为78.5 kN/m3。索夹有限元模型如图4所示。图4中，沿主缆中心轴线建立圆柱局部坐标系，索夹内孔径向为X轴，切向为θ轴，主缆中心线方向为Z轴。约束上、下半索夹内壁节点X向、Z向自由度和上、下半索夹内壁中线上节点θ向自由度。销轴与耳板销孔是一种面接触状态，如图5所示。为了准确分析耳板销孔的受力状态，销轴与耳板销孔间定义接触面，并进行静接触分析[7-8]。接触分析采用非线性迭代计算。螺杆力通过螺母垫圈传递到索夹上，分析模型通过在与螺母接触处施加等效面荷载将螺杆力传递到索夹上。

图4 索夹有限元计算模型

图5 销轴与耳板销孔间接触组

3.1 安装工况

安装工况下，索夹主要承受螺杆的作用力，其有限元分析结果如图6所示。

由图6(a)～(c)可以看出，索夹中部典型区段夹壁范围内的等效应力为76～82.5 MPa，应力大小分布比较均匀，与表1的计算数值81.6 MPa相一致；索夹夹壁过渡至螺杆孔的圆弧过渡段应力在91～96 MPa之间，均小于容许应力100 MPa；应力集中发生在螺杆孔孔口处，其最大应力为118.21 MPa，但未超过材料的屈服强度300 MPa。因此，在螺杆拉力最大的安装工况时，索夹应力分布比较均匀，应力水平适当，螺杆孔应力集中处最大应力118.21 MPa，远未超过材料的屈服强度300 MPa。

图6 安装工况下索夹受力分析结果

3.2 正常使用工况

正常使用工况下，索夹主要承受螺杆和吊索的作用力，其有限元分析结果如图7所示。

由图7(a)、(b)可以看出，索夹中部典型区段夹壁范围内的等效应力为54～58 MPa，应力大小分布比较均匀，与表1的计算数值57.6 MPa相一致；索夹夹壁过渡至螺杆孔的圆弧过渡段应力在60～65 MPa之间，均小于容许应力100 MPa；应力集中发生在螺杆孔孔口处，最大应力为79.11 MPa。由图7(c)、(d)可以看出，销轴和销孔为圆柱面接触承压状态，耳板销孔应力较大区域出现在销孔最底部，呈漏斗状分布；且由于销轴自身产生了变形，致使销孔最大应力出现在销孔底部区域的边缘部位，最大应力为262.25 MPa，但未超过材料的屈服强度300 MPa，满足受力和使用要求。

4 结束语

本文对悬索桥索夹类型进行了比较，结合吊索受力、耐久性、经济性考虑，认为郭家沱长江大桥初步设计选用销接式索夹是合适的。采用销接式索夹时，可在短吊索区段销孔处设置关节轴承，其可有效地适应主缆和主梁的横向相对位移，大幅减小或消除短吊索的2次应力。另外，本文还对郭家沱长江大桥设计索夹安装工况和正常使用工况的受力进行了分析，分析结果表明索夹的整体应力水平适当，设计合理，可为项目后续设计优化提供依据。

图7 正常使用工况下索夹受力分析结果

[1]中交公路规划院设计有限公司.公路悬索桥设计规范：JTG/T D65-05—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[2]孟凡超，王仁贵，徐国平.悬索桥[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]武汉船用机械有限责任公司. 悬索桥索鞍索夹：JT/T 903—2014[S].北京：人民交通出版社，2014.

[4]周燕梅，郭锦良.悬索桥索夹的设计及验算[J].北方交通，2012(5)：77-79.

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[8]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

Cable Clamp Design and Stress Analysis of Guojiatuo Yangtze River Bridge

SUN Junju,SU Jian'nan,GAN Lu

This paper introduces the overall design of the cable clamps of Guojiatuo Yangtze River Bridge and the measures to reduce or eliminate the secondary stress of the short suspenders. The stress analysis of the solid finite element shows that the designed stress level of the cable clamp is suitable and the structure design is rational,which provides basis for future optimization design.

suspension bridge; road-track dual-purpose; cable clamp; pin connection type

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.014

交通运输部建设科技项目(2013318282310)

2016-08-25

孙军举(1981-)，男，河北省张家口市人，硕士研究生，工程师。

1009-6477(2016)06-0061-05

U448.25

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