刘振宇 李翠娟 甘愿 曹发辉 唐茂林

四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院 西南交通大学土木工程学院

摘 要： 对于中小跨径悬索桥而言,采用散索套替代散索鞍可以减少锚碇基础的开挖量,具有一定的经济效益。以往采用的散索套多为圆形截面,类似于一端带有喇叭筒的索夹,具体施工困难,常使主缆陷于杂乱无章的状态,为了解决施工困难,本文提出一种类似于鞍座的新型散索套-U型散索套,并在英华大桥上成功应用,取得良好效果。

关键词： 悬索桥;单主缆;散索套;U型;

基金： 国家自然科学基金项目(51308466,51478391);中央高校基本科研业务费专项资金项目(SWJTU12BR033,2682015CX084);

主缆是悬索桥的主要承力构件,其锚固的可靠与否直接决定了悬索桥的安全性。为了确保其锚固可靠性,将主缆在锚固端发散,扩大锚固面积。发散主缆的常用方式主要有两种:(1)采用散索鞍,主缆跨过散索鞍,并向下偏转,散索鞍下需设支墩,锚碇开挖面大,锚体体积大,工程造价昂贵;(2)采用散索套,散索套在悬索桥中的设计功能类似于散索鞍,设置在主缆边跨与锚跨段相交的理论散索点上,将主缆索股在竖直和水平方向散开,引入各个锚点。散索套往往在跨径较小,主缆股数较少,或在主缆索股锚固条件较特殊(隧道锚或自锚)时使用,也在使用锚碇锚固的情况下采用散索套取代散索鞍。悬浮式散索套优点有:使散索套IP点处向上与向下的竖向力接近于1;主缆力学或温度等荷载变形通过散索套的滑移来实现;支承点较高, 锚碇开挖深度浅, 工程量小,具有一定的经济效益。

传统散索套所常采用类似带有喇叭状端头的圆形截面索夹,在实际施工过程中存在两个主要问题:一是主缆索股在散索套中较凌乱,二是架设过程中向上发散的索股安装困难。针对上述现有设计的不足,本研究提出一种能够将主缆索股按照设计角度规律地分散出去的散索套,使悬索桥散索套安合操作方便、锚碇可靠实用。

1 工程概况

英华大桥主线全长1018m,主桥总体布置见图1所示。

图1 英华大桥总体布置图/mm *载下**原图

主桥孔跨布置为:45+410+45m,全长500m。主梁采用单箱四室扁平流线形全焊钢箱梁,箱梁中间设置纵隔板,箱梁全宽为37.7m,中心高3.5m(外轮廓),全桥钢箱梁共分为51个吊装节段,全桥共重9488.7t。索塔为“羊角编钟”造型,高100m,如图2所示,桥塔下塔柱为预应力混凝土结构,上塔柱及横梁均为钢结构。主缆通长索股有91股,边跨不设背索。每根索股由127根直径为5.2mm的高强度镀锌钢丝组成。主缆在架设时竖向排列成尖顶的近似正六边形,紧缆后主缆为圆形,吊索均采用镀锌平行钢丝吊索,靠塔侧4对吊索横桥向人字形布置,其余为竖直布置每处2根吊索。

2 U型散索套

U型散索套构造如图3,采用上下式,上端为散索套盖板,下端为散索套套体。套体和盖板之间采用M42螺栓进行连接。为减少散索套套体横向受力,在散索套外壁之间设置6对横向拉杆。散索套采用铸件,总长3.2m。为了便于索股安装,散索套设置了槽口,在此处对主缆索股整为矩形,归入槽口。散索套鞍槽内设置了5块隔板,隔板的长度方向和散索套鞍槽轴向方向一致,5块隔板横向布置,隔板水平方向根据主缆散开的角度设置弯曲弧度,通过隔板限制索股的水平散开角度,隔板前端开孔,索股单根就位后即安装定位销,限制安装时索股的上移。

图2 主桥横桥向断面图 *载下**原图

图3 散索套结构图 *载下**原图

U型散索套的安装步骤如下:

(1)根据散索套预偏量设置支架,支承下套体;

(2)逐根整形,安装主缆中线以下索股;

(3)在前后设置临时压紧装置,安装主缆中心线以

上部分索股,每根索股到位后均安装定位销;

(4)用紧缆机紧缆,安装上盖板。

3 散索套受力性能

3.1有限元模型

为了对散索套受力性能进行分析,采用Solidworks进行建模,并在ANSYS软件平台内对其进行受力分析,有限元模型如下图4所示。网格划分散索鞍套体采用Solid45号单元,四面体自由网格划分,螺栓采用Beam188号单元模拟。对散索套下部套体中心线处施加约束,在上部盖板上施加主缆索股压力,以模拟索股散开的竖向分力对散索套的作用。

图4 有限元模型 *载下**原图

为了保证分析结果的合理性,需要针对索股散开时对散索套施加的压力进行研究。本文分别采用简化的理论模型和有限元模型对主缆与散索套之间的挤压相互作用进行分析。

(1)理论分析

在不考虑摩擦的情况下,受力模型可简化为如图5所示模型:

图5 简化受力模型 *载下**原图

假设在弯起部分钢索与盖板之间为均布压力,均布荷载q(x)=qq(x)=q,则可以由几何关系得出:

2∫0θ2qcosθ︿Rdθ︿=2T1sinθ22∫0θ2qcosθ︿Rdθ︿=2Τ1sinθ2 (1)

q=∑1nTiRiq=∑1nΤiRi (2)

其中 q 为均布压力荷载; n 为弯起钢筋的数量; Ri 为第 i 根钢索弯起圆弧半径; Ti 为第 i 根钢索所受拉力。

(2)有限元分析

采用beam188单元来模拟钢索,在钢索一端设置拉力,另一端约束住所有自由度,假设盖板完全刚性,并偏于安全地认为在散索套出口处,所有索股依然保持着相互挤压的径向压力传递关系,耦合每层索股对应节点的径向自由度,有限元模型如图6所示。

图6 简化有限元模型 *载下**原图

将理论分析结果和有限元计算结果绘于图7,图中原点为圆弧起弯点水平坐标,横轴为钢束圆弧上各点距起弯点水平距离,纵轴为所有向上发散的索股对盖板的压力总和。

由图7可知,有限元结果在起弯点附近应力较小,低于理论分析值。中部应力基本均匀分布,略高于理论值,但差距较小。故在盖板上加载均布荷载是合理的,并偏于安全的取有限元结果的荷载值进行U型散索套的受力分析。

图7 有限元计算结果 *载下**原图

3.2 U型散索套受力分析

基于上述有限元模型进行计算,得到应力云图如图8所示。由图8可知,喇叭端盖板上缘应力较大,因在套体底部施加约束以限制整个散索套的刚体位移,根据圣维南原理,此处应力为假值,总体来看,套体亦是在喇叭端应力较大。连接盖板与套体的螺栓应力如图8(c)所示,从喇叭口端起第2颗处达到最大应力,在第11颗螺栓处取到最小应力。有限元计算结果与理论分析结果基本一致。

图8 应力计算结果 *载下**原图

将组成散索套的关键组件—盖板、螺栓、套体,以及约束套体壁侧移的6根水平拉杆的变形与应力最大值列于表1-2。拉杆位置如图3(a)所示,以靠近喇叭口端拉杆为始,将拉杆依次以1-6号命名。

表1 散索套各部分计算结果 导出到EXCEL

表2 拉杆应力计算结果 导出到EXCEL

从表1和表2的结果来看,盖板和套体应力水平较低,远远低于材料容许应力,连接盖板与套体的螺栓应力水平较高,但也低于容许应力。因拉杆轴心受拉,且套体刚度较大,在主缆索股分散作用下,套体壁侧移量及其微小,故应力水平极低。

综上,本文所述的U型散索套,受力合理,整体应力水平不高,相对而言,连接盖板与套体的螺栓应力水平加高,需格外重视。

4 结论

新型(U型)散索套改变了传统散索套的结构,采用类鞍座式的U型断面形式,上端为散索套盖板,下端为散索套套体,通过高强螺栓连接盖板与套体。散索套设置了槽口,通过将主缆索股整为矩形,归入槽口来将主缆索股按照设计角度规律地分散出去,克服传统散索套施工中由于主缆索股分散后的杂乱无序带来的施工困难,同时也保证了主缆索股有可靠的受力锚碇。针对U型散索套与索股之间的相互作用进行了研究,研究结果表明,索股与散索套之间的挤压力基本呈均匀分布状态,散索套各组成部件应力水平完全在规范容许范围之内,处于安全状态,但相对而言,连接盖板和套体的螺栓应力水平稍高,需重点关注。

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