威海双岛湾科技城一号桥主索鞍设计

黄振兴

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 概 述

威海双岛湾科技城一号桥位于双岛湾西岸环湾路上，智慧岛东南侧，河道规划宽度为270 m，桥长 280 m，宽30 m，桥梁采用跨径布置为（31.5+38.5+158+38.5+31.5）m=298 m的双索面自锚式悬索桥，半漂浮体系。加劲梁主跨为双边箱钢混组合梁，边跨为双边箱预应力混凝土梁；桥宽31 m，中心梁高2.5 m；主塔为混凝土结构；基础采用钻孔灌注桩（见图1）。

2 主索鞍的结构形式

2.1 按传力方式分类

按主索鞍的传力途径可分为两类：外壳直接传力式和肋板间接传力式。外壳直接传力式主索鞍主要适用于柔性塔，如钢塔。钢塔一般由箱形薄壁钢构件组合而成，主索鞍的纵肋板与底板倾斜布置，主缆的压力通过鞍头、斜纵肋直接传递到钢塔的塔壁上（见图2）。日本修建的大部分悬索桥都采用钢索塔，因此所采用的主索鞍基本上是外壳直接传力式。

图2 外壳直接传力式主索鞍

肋板间接传力式主索鞍更适合于刚性索塔，如混凝土索塔。鞍头下的纵横肋与底板垂直（或稍有倾斜）布置，主缆的压力通过纵横肋、底板传递到塔顶上（见图3）。我国目前已建成的悬索桥均采用混凝土索塔，因此主索鞍的结构形式都采用纵横肋间接传力式。

图3 肋板间接传力式主索鞍

2.2 按制作方式分类

按主鞍座的制作方式可分为四类：全铸式、全焊式、铸焊式、组合式。

全铸式主索鞍是将鞍头、鞍体及底板作为一整体铸造出来的铸件,经过热处理、机械加工制作完成。全铸式主索鞍工艺比较单一,制造周期也相对较短。但由于铸造工艺的要求,当鞍座的尺寸、重量较大时，会给后序的机械加工造成困难。厦门海沧大桥、西陵长江大桥都是采用全铸式主索鞍。

全焊式主索鞍的制作材料均为厚钢板，无论是鞍头、鞍身和底板，均由厚钢板焊接而成。鞍座的重量相对较小，用钢量小。但鞍槽部分的结构大多为半径很大的阶梯圆弧，各部分所需厚度相差较大，焊接工艺复杂,只有少数桥梁采用了这种制作方式，如土耳其的博斯布鲁斯桥、英国的塞文桥等。在使用中，塞文桥又由于主索鞍刚度不足，进行过加固处理。

铸焊式主索鞍吸取了全铸式和全焊式这两种制作方式的优点：鞍头部分形状复杂,采用铸钢铸造成型；鞍体、底板等结构比较简单的构造采用钢板焊接成型；较好地利用了两种制造方法的优势，解决了简化制造工艺与材料合理利用之间的矛盾。主索鞍鞍头一般采用ZG275-485H焊接铸钢铸造成型，鞍体、底板一般为厚钢板焊接而成。国内及日本大型悬索桥均采用这种构造形式。

组合式是近年来出现的一种主索鞍结构形式，主索鞍由多组厚钢板通过高强拉杆连接而成。钢板厚度与索股宽度相等,隔板位于两厚钢板之间,横肋与底板及鞍槽壁相焊接,组合后加工槽道。这种形式结构简单、制造方便,避免了周期较长的铸造工序，减少了焊接施工。组合式主索鞍目前只应用于一些小跨径的桥梁。澜沧江桥采用的就是这种结构形式。

2.3 按组成方式分类

按照鞍体的结构组成方式可以分为两种：整体式和分体式。

由于主索鞍需安装在塔顶,鞍体的整体重量受到了吊装能力的限制,单件重量50 t以下的鞍座可以做成一体,为整体式。单件重量50 t以上的鞍座可以沿纵向分为2～3块,块与块之间用高强螺栓连接。鞍槽和底板的加工需拼装成一个整体,以保证鞍槽线形平顺。安装时分块吊到塔顶，再拼装成一体。

3 主索鞍的结构设计

悬索桥索鞍和主缆施工过程包含以下过程：主塔施工完成后，吊装主索鞍到主塔顶面以及在锚锭处安装散索鞍，然后用AS法或PWS法架设主缆，此时主缆以空缆缆力作用在索鞍上；安装并张拉锚固索鞍鞍槽上方的拉杆，以抵消主缆挤压壁槽产生的部分侧向力；继续架设主梁直至竣工运营，此时主缆缆力变为成桥运营阶段的缆力。

索鞍存在两个最不利的受力状态，即拉杆未安装时的空缆缆力状态和运营阶段的最大缆力状态（以下简称为空缆状态和成桥状态）。

3.1 鞍头

鞍头部分的主要构造是放置主缆索股的承缆槽，承缆槽是开口槽，槽底部是与所放置的索股形状相适应的纵向弧形槽路，槽路的横断面根据索股的排列多呈方形台阶状槽，台阶槽之间设置隔板将每列索股隔开（见图4）。

图4 主索鞍的鞍头断面（单位：mm）

3.2 鞍身

鞍身为支撑鞍头的骨架，主要由纵、横肋和底板组成，并与鞍头上的纵、横肋相适应。鞍座纵肋贯通鞍体整个纵向，纵肋可以是一条或两条。横肋的设置可以是竖向的，也可以是向心的。底板是整个鞍体的支撑，它与纵、横肋相连，使底板各部形成三边支撑的矩形板式结构来传递所承受的力。

主索鞍长3 454 mm，宽1 600 mm，高1 865 mm，曲面的竖向圆弧半径为2 500 mm，总重约17.7 t，加劲肋板厚60 mm，平面径向布置，纵向共布置9道。承缆槽侧壁厚130～156 mm，7根预紧拉杆。具体尺寸如图5所示。

图5 主索鞍总体布置图（单位：mm）

3.3 上、下承板

上、下承板是鞍体与索鞍底座格栅之间的传力结构，上、下承板之间设顶推滑动摩擦副，因此也是主索鞍结构中的重要构造。下承板是上承板的对偶构件，也是双面精加工的整块厚钢板。在下承板顶滑移面两外侧，设有滑移导向构造，以确保顶推施工的顺利实施。

3.4 底座格栅

为使混凝土结构的索塔塔顶能为主索鞍提供一个较高精度的安装平面，并保证桥梁在施工期间塔顶具有较高的抗剪能力，在运营期间具有足够的抗压强度，混凝土结构的索塔塔顶应预埋一个钢制的底座格栅，并将其与索塔中的结构钢筋相连，浇筑混凝土使其与塔冠成为一体，有效地将主缆压在主索鞍上的巨大竖向力均匀、可靠地传递到索塔中。

底座格栅通常为一个大型钢结构件，可为焊接结构件，也可为铸钢件。底座格栅的顶面即是下承板的安装平面，应进行全平面的机械加工，以达到满足定位、传力要求的相应精度。

4 主索鞍的强度计算

计算结果给出鞍座的应力云图和各部分应力最值数据。由于索鞍由铸钢材料制作，且处于复合压应力作用环境下，因此取Von-Mises应力进行分析。

4.1 空缆状态

空缆状态主索鞍结构应力云图如图6～图8所示。

4.2 成桥状态

成桥状态主索鞍结构应力云图如图9～图11所示。

图6 空缆状态鞍座主体部分应力云图（单位：MPa）

图7 空缆状态鞍座横肋板应力云图（单位：MPa）

图8 空缆状态鞍座底板应力云图（单位：MPa）

图9成桥状态鞍座主体部分应力云图（单位：MPa）

图10 成桥状态鞍座横肋板应力云图（单位：MPa）

图11 成桥状态鞍座底板应力云图（单位：MPa）

5 结 语

从应力云图上看，高应力区主要出现在鞍槽底部与索股的接触面、加劲肋与鞍体的连接部位、纵横向加劲肋之间的连接部位，以及索鞍的底座部分、拉杆拉紧的接触面上。

表1 索鞍Von-Mises应力最值表

从表1中数据可以看出，该桥主索鞍各部分的应力结果较为均匀。成桥状态鞍槽主体应力最大值为125 MPa，横肋应力最大值为131 MPa，这个结果是因为出现局部应力集中现象，可适当通过圆角处理的方式解决这个问题。

经过对计算结果的分析和比较发现，高应力区都集中在连接部位和接触部位，随着远离接触点，应力迅速下降，这是符合圣维南原理的。Von-Mises应力作为Von-Mises屈服准则的一部分，能够很好地反映索鞍结构的受力状态。

对结构如此复杂的索鞍进行实体有限元分析能够直观地反映出其应力状况。该次计算索鞍鞍槽和纵横向加劲肋尺寸设计都较合理，因此应力结果较为均匀，基本满足规范要求。