分析大桥主索鞍座设计

肖 鹏，陈潮雨

(贵州省交通规划勘察设计研究总院股份有限公司，贵州 贵阳 550000)

主索鞍是在悬索桥中对主缆进行支撑的重要结构件，一般安装在索塔的顶部，可承受主缆施加的沿竖向分布的压力，同时均匀的传递至索塔，确保主缆在塔顶的部位得以平缓过渡，避免主缆产生太大的弯折应力，并且能十分有效的解决预偏等问题。要想使主索鞍发挥出应有的作用效果，通常要以做好主索鞍座的设计为前提，这就对相关设计人员提出了很高的要求，需要在明确结构组成与特点的基础上，制定合理可行的结构方案。

1 工程概况

某桥梁是一座主跨长度为1 650 m的连续钢箱梁桥，主索鞍沿桥梁走向的长8 m，半鞍体总重在60 t以上，肋板的厚度不超过120 mm，主索鞍有很大承载力。现围绕该工程实际情况，对其主索鞍座设计做如下深入分析。

2 主索鞍座设计

2.1 鞍头设计

鞍头构造为承揽槽，是典型的开口槽，底部为能适应索股形状的槽路，其横断面以索股排列形式为依据呈台阶形状。为了使主缆和鞍槽之间有足够摩阻力，同时便于索股的定位，需在鞍槽中布置竖向隔板，待索股就位且调整好以后，用锌块将顶部填平，最后使用拉杆把鞍槽的侧壁完全夹紧。

在鞍槽的外部，有负责支撑与加劲的横纵肋，同时侧壁的上方还有若干拉杆，把侧壁之间的索股完全挤紧，保证钢丝间、钢丝和隔板及侧壁间有足够摩擦力，并减小侧壁上产生的弯曲应力。

主缆索股从主索鞍中通过时，鞍座底部半径对主缆弯曲应力和鞍座接触应力都有很大影响，应力和半径之间为正比关系。如果半径较大，则主缆能平顺的从索鞍上通过，不会产生太大次应力，但这样会使主索鞍的尺寸和重量加大。半径会受到塔顶实际尺寸与主索鞍重量等因素的影响。在确定了鞍槽立面半径以后，需要以主缆的缆力为依据对鞍槽受力进行验算，以此作为半径校核依据。该桥梁沿走向的索塔设计尺寸为8 500 mm，主缆设计半径为8 200 mm。

因主缆施工与成桥两个状态时的主索鞍切线角有所不同，所以为防止主缆钢丝与主索鞍的边缘直接碰撞，恒载与空载情况下的主缆切线角度差不能超过引出段长度和主缆圆弧半径之比。另外，因施工图设计过程中线形主要是以构件理论重量为依据通过计算确定的，而实际制作时，索夹、主缆和钢箱梁自身重量与理论值之间会有一定出入，所以引出段的长度应进行放大，但要考虑塔顶尺寸大小。该桥梁在设计工作中将引出段长度确定为520 mm。

2.2 鞍身设计

鞍身时鞍头主要支撑部分，由横纵肋与底板通过焊接形成。对于鞍身横纵肋，需要和鞍头横纵肋良好适应，横纵肋的厚度分别为100 mm和120 mm，而底板的厚度为80 mm。在两个纵肋之间应适当增加距离，以便于焊接，但这样会使截面应力增大；而如果减小两个纵肋之间的距离，虽然有利于鞍槽实际受力，但会因为操作空间很小，而增大施工难度。该桥梁在设计过程中将纵肋之间的距离确定为560 mm。

2.3 滑动摩擦副设计

滑动摩擦副主要由三部分组成，分别为承板、安装板与临时安装板。其中，承板分上下两部分，上承板使用销钉和底板连接，其表面还设有不锈钢板，而下承板上设有安装与临时安装板，用螺钉和上承板连接与固定。在安装板的表面，粘结了聚四氟乙烯板，和上承板所设不锈钢板形成一个滑动副，表现出良好减摩性与耐压性。

成桥状态下，主索鞍和桥塔的中心完全重合。在施工中，若主缆与主索鞍都有一个相同的不脱离点，也就是主缆在所有状态下不同跨的无应力状态长度都保持不变，并为了减小不平衡力，确保索塔受揽力作用后能够保持平衡，需要向边跨的方向对主索鞍进行预偏，这一预偏量可伴随恒载不断增加而消除。

不锈钢板和聚四氟乙烯板之间的干摩擦系数等于0.10，由于施工中使用了硅脂进行润滑，所以实际的摩擦系数等于0.05。

2.4 导向限位装置设计

当主索鞍处于空揽状态中时，需要向边跨的方向预偏一定的距离，其目的为保证两侧索股有相同的水平力，伴随钢箱梁不断吊装，分成多个阶段对主索鞍进行顶推，确保两侧索股实际水平力大致相同。顶推时，为了使鞍体能够沿着预先确定的轨迹移动，需要在上承板的表面安装导向板。为了使分阶段顶推时主索鞍鞍体具体位置准确无误，还要在下承板与鞍体间安装限位螺杆。将主索鞍顶推好以后，需在主索鞍的两端设置挡块，并利用高强螺栓和下承板相固定，以此在摩擦力失效时对主索鞍的移动进行限制。

3 结果比较

对有限元分析结果与采用常规公式进行计算后得出的结果进行对比，发现有限元结果比计算结果小，其原因为在有限元分析过程中考虑了横肋具有的加劲作用，但采用常规公式进行计算时没有考虑纵肋之间所设加强肋板具有的支撑作用，使中间的鞍槽应力值比相应的有限元结果略大。

在鞍槽壁上进行拉杆的安装，能十分有效的减小鞍槽根部应力，效果十分明显。在有限元分析过程中，应力最大处的位置是边跨端部横肋和底板之间的交接部位。导致此处产生最大应力的主要原因为应力集中，次要原因为建模过程中的约束。在恒载的状态下，主缆于主索鞍的边跨和中跨有相同的水平方向缆力，而在最不利荷载条件下，这一水平方向的缆力存在差别，进而在鞍体的其中一侧和底板之间的交接部位产生弯矩，最终产生弯曲应力。施工中，鞍体在承板与格栅的作用下能使所受应力传递至索塔，在这种情况下，即便有限元分析过程中局部应力很大，但实际工况要比分析结果小很多。

在我国，钢板厚度较大，这会给包含焊接、运输与吊装等在内的各项作业都带来很大不便。而组合形式的主索鞍目前只在跨径相对较小的悬索桥中使用，还没有在跨径相对较大的悬索桥中尝试过。然而，如果可以在跨径相对较大的悬索桥上使用主索鞍，则能发挥出以下优势特点。

(1)采用钢板进行组装，无需配备铸钢件，能充分发挥材料的性能，但需要根据要求增加一定数量的拉杆。

(2)无需铸造，能减少焊接和相应的无损探伤，并且对加工机床提出的要求也很低。

(3)因采用分片制造和运输的方法，在吊装至塔顶处以后实施组装，不同部分之间利用定位销进行定位以后使用拉杆进行连接，能有效保证连接和组装的精准度。

(4)受力纵向上无需分块，对主索鞍实际受力有利。

由于组合形式的主索鞍具有以上优势特点，所以在今后的结构设计工作中可进行适当的尝试，以解决传统结构形式的问题和不足。

4 结束语

综上所述，主索鞍座设计对桥梁设计与施工有重要意义，目前该桥梁工程的主索鞍座设计与施工都已经顺利完成，施工质量合格，各项指标都满足设计和规范的要求，说明以上对主索鞍座的设计合理可行，值得类似工程参考借鉴。