扬州万福大桥主索鞍设计

蔚志鹏

主索鞍是悬索桥重要的承重及传力构件，是悬索桥中关键的全寿命构件，关系着悬索桥安全及耐久性。本文以扬州万福大桥主桥为工程依托，重点对主索鞍的关键部位设计，计算分析进行介绍；最后，对万福大桥索鞍的设计特点进行了总结，希望对以后类似工程具有一定借鉴作用。

一、工程简介

扬州万福大桥为主跨188m的混凝土自锚式悬索桥，大桥结合了桥梁与建筑景观，为了实现本桥的效果，主缆矢跨比采用了1/4.1，远大于常规的1/6左右，因此主索鞍的设计不同于常规自锚式悬索桥，具有一定的特点。

二、万福大桥主索鞍设计

受矢跨比影响，本桥边跨缆力较大，边跨较中跨增加了两根索股，见图1，且两根索股需锚固在主索鞍上。与常规的悬索桥不同，本桥在索鞍顶部及底部各设置了锚固装置，用于锚固边跨索股。

图1 主缆断面

万福大桥主索鞍主要包括鞍头、鞍身、滑动摩擦副。

1.鞍头部分

根据万福大桥主缆线型实际情况，主索鞍高度设计为3.4m。万福大桥的主缆直径最大为442.05mm，根据《公路悬索桥设计规范》的要求，鞍槽底部立面圆弧半径不小于主缆设计直径的8倍。本桥鞍槽底部圆弧半径设计为4500mm，满足规范要求。承揽槽之间采用5mm隔板将每列索股隔开，其高度与入鞍索股的高度相同，为便于后期安装，隔板在纵向进行分块，鞍槽侧壁上方设置8根M48钢拉杆，将两侧壁间索股挤紧。

2.鞍身

鞍身为支撑鞍头而设，主要由贯通鞍身的纵肋和横肋、底板铸造而成。本桥鞍身设一道320mm纵肋，横肋8道，厚度80mm。本桥索鞍的特点就是顶部设置锚梁锚固边跨主缆上部一根索股，在索鞍底部纵肋前设置了耳式锚固装置，用于锚固底部的一根索股。

本桥由于边中跨比及主缆失跨比的影响，边跨倾角大、缆力大，边跨较中跨主缆多增设两根索股，这两根钢索需锚固在主索鞍上，受顶部空间及索鞍尺寸的影响，传统的完全在索鞍顶部锚固的方式不适用于本桥。本桥在鞍顶上设置一个锚梁锚固其中一根索股，将另一根索股通过插耳式锚具锚固于索鞍鞍体底部。两股索股组之间的空间互不干涉，充分利用了主缆钢索的上下空间，并且上下各取一股主缆更利于中跨紧缆，结构简单，成本低，是首次在同类型悬赏桥中采用。

图2 底部锚固装置构造图

3.滑动摩擦副

滑动摩擦副由上、下承板和安装板、临时安装板组成。上承板用销钉与鞍体底板相连，上承板厚85mm。在其面上焊有一层不锈钢板。下承板上安装有安装板和临时安装板，并用螺钉与下承板固定。安装板上粘有一层聚四氟乙烯板，与上承板的不锈钢板构成滑动副。具有较好的耐压性和减摩性。

三、主索鞍的强度计算

主索鞍是全寿命构件，使用期间不可更换。因此主索鞍受力大小及分布情况十分重要。设计中采用结合规范的传统计算方法及空间有限元分析应力验算。

1.规范计算

结合《公路悬索桥设计规范》的相关公式，将索鞍简化，考虑主缆拉力为空缆，主缆拉力为最大时两种工况进行分析。

根据计算，在最不利的工况下，鞍槽应力σ=133.44 MPa ＜[σw]，满足规范的要求。

2.有限元分析

本文模型全部采用大型通用有限元软件 Ansys 建立主塔索鞍鞍体以及承缆槽内部分主缆的空间有限元模型，主索鞍鞍体的铸钢件和加劲钢板均采用实体单元solid186来模拟。模型总计实体单元约为20万个，节点数总计约为 32万个，鞍座底板底面固结。

图3 鞍座实体模型及分析结果

在承缆槽中心区域，应力值较小。承缆槽与边加劲肋相交处存在一定的应力集中，这一点在加劲肋应力云图中也有所反应。加劲肋位于腹板两侧，其主要作用是用于加强鞍座的稳定性，同时承担部分竖向压力。

由分析得到，鞍槽内应力水平与手算接近，加劲总体应力处于较低水平。应力集中位于边加劲与叉耳连接处，经分析索鞍各项应力均小于规范限制，构造合理。

四、结语

本桥主缆矢跨比采用了1/4.1，较常规自锚式悬索桥大。主索鞍在传统索鞍的基础上，锚固于索鞍的索股锚固方式采用了不同的形式，前端设置的插耳式锚具，鞍顶设置钢锚梁股，不同的锚固形式保证了索鞍的受力合理，节省了锚固空间，方便了后期索鞍的施工。