公路悬索桥散索鞍设计验算实用方法研究

2021-09-03刘人铭

交通科技 2021年4期

关键词：北盘江主缆悬索桥

刘人铭

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳 550081)

悬索桥中的散索鞍具有分散主缆丝股、实现主缆角度的较大改变，进而使主缆丝股进入锚锭分散锚固等功能，是悬索桥中的重要的组成构件。散索鞍本身需承受较大的主缆径向压力，其在受压状态下的稳定问题需要特别考虑。

悬索桥主缆在经过散索鞍后，就散开且以单股或双股的形式锚固于锚锭锚面上，从而使得主缆的力经散索鞍后传到锚锭并最终传给大地。因此，散索鞍的主要功能及特点如下。

1) 从构造上来说，散索鞍承担着使得主缆经散索鞍后发生较大的方向改变的任务。

2) 从受力上讲，使整根主缆在经过散索鞍后分散成为若干根丝股并最终锚固于锚锭上。

3) 散索鞍作为铸焊结合的钢结构构件，其本身的构造也较为复杂。散索鞍的纵向曲线不是等半径的圆，而是圆心和半径都在改变的由多段圆弧组成的复合曲线。

4) 主缆丝股在散索鞍鞍槽上要同时发生竖弯和平弯，竖弯和平弯的同时存在，有可能使丝股在鞍槽内发生相对滑移，因此需要考虑丝股平弯和竖弯的相互匹配问题。

5) 散索鞍本身要承受强大的主缆径向压力，其在受压状态下的强度和稳定问题需要特别考虑。

1 镇胜高速北盘江大桥散索鞍设计

镇胜高速贵州段北盘江特大桥为单跨双铰钢桁梁悬索桥，孔跨布置为4×45 m(简支T梁)+636 m(单跨简支悬索桥)+3×45 m(连续箱梁)，全桥桥型布置见图1[1]。

图1 北盘江特大桥桥型布置图(尺寸单位：cm)

北盘江特大桥主缆计算跨度为192 m+636 m+192 m，矢跨比为1/10.5。主缆采用预制平行钢丝束股，2根主缆的中心间距为28.0 m，每根主缆由91束91根直径5.1 mm高强钢丝组成。北盘江特大桥主缆缆径为518.9 mm (空隙率20%)，边跨恒载切线角为20.278°，锚跨恒载切线角为35.200°。

1.1 鞍槽槽路立面设计

根据北盘江特大桥总体设计，边跨主缆由91根91-φ5.1 mm的预制平行高强钢丝组成，故由此可确定鞍槽槽路立面设计参数。鞍槽槽路立面图见图2。

图2 散索鞍鞍槽槽路立面图(尺寸单位：mm)

散索鞍鞍槽槽路的宽度和高度由《悬索桥规范》12.2.2条确定。鞍槽槽路宽度、高度分别为b=47 mm、h=50 mm。

1.2 鞍槽竖曲线设计

鞍槽竖曲线立面设计见图3。

图3 散索鞍鞍槽竖曲线立面图(单位：mm)

散索鞍鞍槽底部纵向曲线为3～4段不同圆心和半径圆弧所组成的复合曲线。规范中仅列出了设计该构件的一般原则，现将鞍槽竖向曲线圆弧半径设计中采用的实际设计步骤详述如下。

1) 根据《悬索桥规范》12.1.1条的规定，鞍槽纵向复合曲线的第一段圆弧半径rv应不小于(8～12)倍主缆一般截面的设计直径dd。北盘江桥的dd=518.9 mm，(8～12)dd=4.151～6.227 m。第一段圆弧半径为rv=5 400 mm，与主缆直径的比值为5 400/518.9=10.4,满足规范要求。

2) 确定了第一段圆弧的半径后，散索鞍的设计需要满足的主要条件之一就是主缆丝股对散索鞍鞍体的鞍槽纵向曲线的各段半径和圆心不同的圆弧的径向压力近似相等[2]。根据经验，取后3段圆弧的半径分别为4 200，2 600，1 500 mm。

2 散索鞍设计验算实用方法

2.1 散索鞍径向压力验算的实用方法

按经验取得鞍槽纵向曲线的各段圆弧的半径、圆心、圆心角及平弯半径后，可绘出主缆的各列丝股在鞍槽上的散开情况，提出一种计算丝股对鞍槽纵向曲线各段圆弧的径向压力计算方法为

(1)

(2)

根据式(1)、式(2)，编制计算北盘江桥鞍槽底部径向压力的excel数据文件，得到计算结果，见表1。

表1 鞍槽底部径向压力计算结果

续表1

由表1计算结果可知，鞍槽各段圆弧内的径向压力系数差值在0.13～0.25之间，故认为鞍槽各段圆弧受到的径向压力是近似均匀分布的。

2.2 散索鞍对自身摇轴的稳定性验算

散索鞍设计需要满足的另外一项受力条件即是散索鞍在边、锚跨主缆力和自身重力作用下对散索鞍的摇轴的稳定性[3-4]。

实用设计验算方法假定：①对同一根丝股，边、锚跨主缆各丝股的拉力及应力近似相等；②各丝股的力之和等于主缆总拉力。各丝股对散索鞍摇轴的力臂可通过AutoCAD绘出,则可计算出边、锚跨各丝股对摇轴的力矩。若二者近似相等(考虑到散索鞍的重量，锚跨主缆各丝股对散索鞍摇轴的力矩之和应略小于边跨主缆各丝股对散索鞍摇轴的力矩之和)，则认为散索鞍在主缆丝股作用下的稳定性得到保证。

以北盘江特大桥的数据为例，编制计算散索鞍稳定性的excel数据文件，计算结果见表2。

表2 各丝股对散索鞍摇轴的力矩

表2中仅为锚跨主缆各丝股对散索鞍摇轴的力矩，边跨主缆各丝股对散索鞍摇轴力矩的计算方法与锚跨相同，分别将主缆各丝股的力矩求和，得到结果见表3。由表3可见，边跨、锚跨主缆丝股对散索鞍摇轴力矩的相对误差为0.06%，且边跨力矩之和略大于锚跨力矩之和，在计入了散索鞍自重影响后，二者差值应该更小。可以认为散索鞍在主缆各丝股作用下的稳定性条件得到满足。