自锚式悬索桥主索鞍座构造设计及计算分析

卢元刚

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心,安徽 合肥 230088)

1 工程概况

本文依托阜阳颍柳路泉河大桥,项目位于阜阳祥源.颍淮生态文化旅游区内,跨泉河水系景观带。

颍柳路泉河大桥,桥梁全长755 m,其中主桥为22(锚固跨)+82+115+22 (锚固跨)m,独塔不等跨自锚式悬索桥,为我省第一座该结构体系桥梁。主桥全宽43.5 m,桥梁荷载等级为城-A级。项目2015年12月完成设计,2017年获安徽省土木建筑创新奖二等奖,2019年5月交工通车。

桥梁总体设计考虑现场河道不对称地形条件,采用115 m主跨跨越通航孔,82 m边跨跨左岸大堤,独塔不等跨布置,减小大跨度主桥规模[1]。同时考虑主塔两侧不等跨特点,控制桥塔两侧主缆矢跨比(其中主跨矢跨比1/12.5,边跨1/17.31),实现塔顶主缆水平分力相同,保证主塔恒载下左右侧受力平衡[2]。

图1 颍柳路泉河大桥实景图

本文结合泉河大桥实际工程设计,介绍自锚式悬索桥主缆鞍座构造创新设计及鞍座锚固抗滑、强度计算,为类似城市悬索桥设计提供参考。

2 铸焊结合主缆鞍座创新设计

2.1 鞍座铸造构件设计

主索鞍总成由异性支撑结构+竖向、横向支撑加劲板+底板及锚固构件组成。

施工阶段鞍座吊装安装,为减少塔顶吊装及定位难度,主索鞍鞍座采用碳素钢铸造件和普通Q345板材拼装组合的铸焊结合结构,其中鞍体主体异性支撑结构采用ZG270-480H碳素钢铸件(如图5中阴影部分),其他支撑肋板、底座、隔板等采用Q345B钢板(图2-3中非阴影部分)焊接于铸造件上。

钢格栅安装到位后进行精确测量,主索鞍的定位误差由上承板调整,主索鞍吊装到位后,通过定位销与底板板锁定[3]。

图2 主桥总体布置图

图3 主塔顶鞍座总体布置

图4 鞍座总体结构图

图中:1为异性支撑结构;2为横向支撑加劲板;3为竖向支撑加劲板;4为底板及与桥塔的锚固构件;5为施工鞍座位置预偏移调整的顶推自平衡反力架

图5 鞍座铸造体构造(图中阴影部分)

图6 鞍座现场实景图(鞍罩未安装)

2.2 鞍座底座及自顶推平移构造创新设计

考虑空缆阶段和成桥阶段,主缆线型不同,为实现桥塔两侧主缆水平分力各阶段均能平衡,空缆阶段主索鞍设置顺桥向位置预偏,施工过程中随吊杆安装,需对鞍座水平位置进行局部调整,顶推至成桥鞍座位置[4-5]。空缆及成桥时鞍座位置如图7。

为实现施工过程中鞍座位置调整,本项目鞍座底板结合桥塔既有构造空间,设置鞍座自顶推构造实现鞍座位置平移,不需在桥塔上另设反力架,简化施工措施构造,实现创新型自顶推主塔鞍座设计[6]。

图中位置A为空缆时设计预偏的鞍座位置;B为成桥时鞍座位置

图8 鞍座焊接底座及自顶推平移反力构造

3 主鞍座座体结构分析验算

主缆通过主索鞍跨越桥塔,主索鞍作为悬索桥关键构件,承受主缆竖向分力,鞍座承受竖向力及侧面剪力设计阶段需对索鞍强度进行验算。同时在正常使用阶段,在各类活荷载作用下主缆两侧存在不平衡力,鞍槽提供抗滑力,防止主缆在鞍槽内移动,需对鞍座抗滑移能力进行验算[7]。本文结合规范及整体计算,对上述鞍座强度及抗滑移能力进行验算。

3.1 设计计算条件

(1)主缆钢丝[8]

钢丝直径d=5.0 mm,σb=1670 MPa

主缆孔隙率(一般位置):20%

主缆孔隙率(索夹处):18%

主缆构成5.00×90×37缆径D=324.0mm

(2)主索鞍角度和缆力:

中跨切线角:33.58°

边跨切线角:36.93°

“恒载+活载+温度+风”工况下:

边跨最大缆力:Fct=38 860 kN

中跨最大缆力:Fcl=37 619 kN

3.2 鞍槽中主缆抗滑验算

(1)

Fct:紧边拉力Fcl:松边拉力αs:圆弧包角;μ:主缆与槽底或隔板间的摩擦系数,μ=0.15。

根据欧拉公式:Fct=Fcl×eμ×αs

此时为临界状,若想使主缆在鞍槽中没有任何滑动,则应该使。

本项目将桥梁总体结构计算中相关荷载带人上述公式,计算结果如下:主索鞍抗滑安全系数:K=5.6>2,主缆抗滑移满足规范要求。

3.3 鞍座鞍体强度计算

按照《公路悬索桥设计规范》,主缆对主索鞍的作用力如下所述。

图9 主缆对鞍座作用示意图

(1)各列索股的向心压力:

(2)

(2)最高索股顶至计算高度h处的侧向压力:

(3)

式中:Fc-单根主缆的拉力,取边中跨较大值来进行计算;n-该列索股根数;ns-单根主缆中索股总股数;rv-该列索槽半径;μ-摩擦系数,μ=0.15;fv-中央列索股单位体积竖向力;

五是轮养。该鱼养殖具有广泛的适应性，不论是单一养殖或者多品种立体混养，都可以采用轮捕轮放，分批上市，捕大留小，提高养殖效益。

(4)

nsc-中央列索股股数;H-中央列索股总高度。

由侧压力fH或fHs产生的总弯矩MfH可按如下式计算:

(5)

(6)

表1 鞍座强度主要计算结果

鞍槽侧壁根部组合应力为77.9 MPa小于钢材设计容许应力0.9*270/1.7=143 MPa,满足规范要求[9]。

鞍座肋板承受的总竖向力最大值计算如下:Fv=38 860*sin(37.63)+37 619*sin(33.58)=44 156 kN

鞍座纵横肋板截面积计算如下:A=1800*60*6+2500*120=948 000 mm2;

鞍座纵横肋压应力σ为44156000/948000=46.6 MPa钢材设计容许应力143 MPa鞍座纵横肋的强度满足规范要求。

4 结 论

主缆、鞍座、索夹等悬索桥特有关键构件对整体桥梁安全至关重要。本桥鞍座采用铸、焊结合设计,其中鞍座骨架为铸造件,相关稳定件为普通钢焊接件,是融合桥梁设计和钢结构铸造、焊接施工技术一项创新成果;鞍座底座板实现创新型自顶推设计,不需要桥塔上设置反力架,相关构造设计关键技术及创新成果可为类似城市100～200 m跨径悬索桥设计提供参考。

同时本文结合规范给出主缆在鞍槽内抗滑移系数计算、鞍座鞍体鞍槽侧壁根部组合应力、鞍座纵横肋的压应力计算算例及计算结果,为类似项目结构计算提供示例。