郭家沱長(zhǎng)江大橋索夾設(shè)計(jì)及受力分析

孫軍舉，蘇劍南，甘 露

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

郭家沱長(zhǎng)江大橋索夾設(shè)計(jì)及受力分析

孫軍舉，蘇劍南，甘 露

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

介紹郭家沱長(zhǎng)江大橋索夾的整體設(shè)計(jì)及減小或消除短吊索2次應(yīng)力的措施。實(shí)體有限元受力分析表明，該橋索夾設(shè)計(jì)應(yīng)力水平適當(dāng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

懸索橋；公軌兩用；索夾；銷接式

1 工程概況

重慶郭家沱長(zhǎng)江大橋全長(zhǎng)1 403.8 m，主橋?yàn)閱慰讘业蹼p塔3跨連續(xù)鋼桁梁公軌兩用懸索橋，橋跨布置為75 m+720 m+75 m=870 m。兩岸引橋均采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，北引橋跨徑布置為4×43 m，南引橋跨徑布置為3×43 m+4×43 m。錨碇采用重力錨。橋型總體布置如圖1所示。

2 索夾設(shè)計(jì)

2.1 索夾類型選擇[1-4]

索夾是緊箍主纜索股并連接主纜與吊索的構(gòu)件。主纜與吊索的連接一般采用具有一定剛性的索夾把主纜箍緊，以使主纜在受力后產(chǎn)生收縮變形時(shí)也不會(huì)滑動(dòng)。索夾可分為有吊索索夾和無(wú)吊索索夾。無(wú)吊索索夾可分為錐形封閉和普通封閉索夾，錐形封閉索夾可適應(yīng)主纜進(jìn)入索鞍時(shí)的直徑變化并把主纜夾緊，也能為進(jìn)入鞍罩的主纜護(hù)套提供支撐位置，將主纜封閉；普通封閉索夾僅僅用于緊箍主纜。有吊索索夾可分為騎跨式和銷接式索夾，對(duì)應(yīng)的吊索分別為鋼絲繩吊索和平行鋼絲吊索2種，兩者應(yīng)用都較為成熟。

圖1 橋型總體布置

騎跨式吊索一般采用優(yōu)質(zhì)鋼芯鋼絲繩，其優(yōu)點(diǎn)是吊索具有較大的柔性，能有效防止加勁梁橫向位移導(dǎo)致短吊索端部彎折引起的應(yīng)力。缺點(diǎn)是鋼絲繩跨過(guò)主纜會(huì)產(chǎn)生彎曲2次應(yīng)力，對(duì)主纜外徑有一定要求；鋼絲繩彈性模量不穩(wěn)定，易產(chǎn)生不均勻受力；鋼絲繩耐久性較差，后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較高。

銷接式吊索一般采用預(yù)制平行鋼絲吊索。平行鋼絲吊索在短吊索的錨頭處可能存在彎折2次應(yīng)力，且其彈性模量比較穩(wěn)定，故設(shè)計(jì)安全系數(shù)取值較鋼絲繩低，可以充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度性能；采用高密度PE護(hù)套隔絕外界環(huán)境對(duì)鍍鋅鋼絲索體的腐蝕，吊索的養(yǎng)護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。

郭家沱長(zhǎng)江大橋?yàn)榇罂绻墐捎脩宜鳂?，索間距大，恒載重，相較常規(guī)公路懸索橋而言，其吊索索力要大得多。若采用騎跨式索夾，則鋼絲繩彎曲2次應(yīng)力更明顯，鋼絲繩跨過(guò)索夾承索槽時(shí)其截面變形大，彈性模量不穩(wěn)定，易產(chǎn)生不均勻受力，且耐久性較差。因此，推薦郭家沱長(zhǎng)江大橋索夾采用銷接式索夾。

2.2 索夾設(shè)計(jì)

索夾采用上下對(duì)合的結(jié)構(gòu)形式，上、下兩半索夾用螺桿相連并夾緊于主纜上。在索夾對(duì)合面上設(shè)置軸向定位的嵌合構(gòu)造，嵌合構(gòu)造的嵌合量及間隙需滿足索夾內(nèi)主纜設(shè)計(jì)空隙率在±3%范圍內(nèi)變化的要求。上、下兩半索夾外側(cè)嵌填橡膠防水條防水。

索夾內(nèi)孔直徑為759.1 mm。由于主纜傾角不同，故所需夾緊力就不同，索夾長(zhǎng)度及螺桿數(shù)量也均不相同。為了制造方便，將長(zhǎng)度、角度相近的索夾并為一組，同一組索夾耳板銷孔位置略有變化，以適應(yīng)索夾傾角的變化。為使2個(gè)銷孔保持水平并盡量避免吊索偏心受力，銷孔對(duì)稱于索夾中心的垂直線布置。郭家沱長(zhǎng)江大橋索夾共分8種類型，如圖2所示。圖2中，SJ1～SJ6為有吊索索夾，其為緊固索夾；SJ7～SJ8為無(wú)吊索索夾，其為安裝纜套的錐形封閉索夾。為滿足受力需要，靠近主塔的吊索索夾(SJ1)其設(shè)計(jì)壁厚為45 mm，其他索夾設(shè)計(jì)壁厚均為40 mm。各類索夾上均設(shè)有安裝主纜檢修道立柱的相應(yīng)構(gòu)造。

圖2 索夾布置示意

為了適應(yīng)主纜和主梁的橫向相對(duì)位移，在中跨索夾SJ5和SJ6范圍內(nèi)的短吊索錨頭處設(shè)有適應(yīng)橫向轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)軸承[5]，并對(duì)SJ5和SJ6的銷孔進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。索夾一般構(gòu)造如圖3所示。關(guān)節(jié)軸承設(shè)計(jì)傾斜角為7°，最短吊索上下錨頭銷孔中心距離約為4.9 m，故可適應(yīng)的主梁與主纜的相對(duì)橫向變形為4.9×tan(7°)=0.602 m，大于主梁橫向最大位移436 mm，吊索在錨頭處可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，不存在彎折。故通過(guò)設(shè)置關(guān)節(jié)軸承，銷接式索夾可較好地適應(yīng)主梁的橫向變形，大幅減小或消除吊索的2次應(yīng)力。

索夾采用鑄鋼ZG20Mn鑄造，調(diào)質(zhì)處理，材料屈服強(qiáng)度為300 MPa，抗拉強(qiáng)度為500～650 MPa[6]。

3 索夾受力分析

按照文獻(xiàn)[1]，索夾材料的平均計(jì)算應(yīng)力如表1所示。

圖3 索夾一般構(gòu)造示意

工況拉桿力/kN螺桿總數(shù)索夾壁厚/mm索夾長(zhǎng)度/mm計(jì)算應(yīng)力/MPa容許應(yīng)力/MPa安裝工況6802440250081.6100正常使用4802440250057.6100

索夾為受力復(fù)雜的構(gòu)件，為了更好地分析結(jié)構(gòu)受力，采用大型有限元程序建立實(shí)體有限元計(jì)算模型。索夾采用ZG20Mn鑄鋼，材料屈服強(qiáng)度為300 MPa，彈性模量為2.06×105MPa，容重為78.5 kN/m3。銷子采用40CrNiMoA合金鋼，材料屈服強(qiáng)度為835 MPa，彈性模量為2.06×105MPa，容重為78.5 kN/m3。索夾有限元模型如圖4所示。圖4中，沿主纜中心軸線建立圓柱局部坐標(biāo)系，索夾內(nèi)孔徑向?yàn)閄軸，切向?yàn)棣容S，主纜中心線方向?yàn)閆軸。約束上、下半索夾內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)X向、Z向自由度和上、下半索夾內(nèi)壁中線上節(jié)點(diǎn)θ向自由度。銷軸與耳板銷孔是一種面接觸狀態(tài)，如圖5所示。為了準(zhǔn)確分析耳板銷孔的受力狀態(tài)，銷軸與耳板銷孔間定義接觸面，并進(jìn)行靜接觸分析[7-8]。接觸分析采用非線性迭代計(jì)算。螺桿力通過(guò)螺母墊圈傳遞到索夾上，分析模型通過(guò)在與螺母接觸處施加等效面荷載將螺桿力傳遞到索夾上。

圖4 索夾有限元計(jì)算模型

圖5 銷軸與耳板銷孔間接觸組

3.1 安裝工況

安裝工況下，索夾主要承受螺桿的作用力，其有限元分析結(jié)果如圖6所示。

由圖6(a)～(c)可以看出，索夾中部典型區(qū)段夾壁范圍內(nèi)的等效應(yīng)力為76～82.5 MPa，應(yīng)力大小分布比較均勻，與表1的計(jì)算數(shù)值81.6 MPa相一致；索夾夾壁過(guò)渡至螺桿孔的圓弧過(guò)渡段應(yīng)力在91～96 MPa之間，均小于容許應(yīng)力100 MPa；應(yīng)力集中發(fā)生在螺桿孔孔口處，其最大應(yīng)力為118.21 MPa，但未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度300 MPa。因此，在螺桿拉力最大的安裝工況時(shí)，索夾應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力水平適當(dāng)，螺桿孔應(yīng)力集中處最大應(yīng)力118.21 MPa，遠(yuǎn)未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度300 MPa。

圖6 安裝工況下索夾受力分析結(jié)果

3.2 正常使用工況

正常使用工況下，索夾主要承受螺桿和吊索的作用力，其有限元分析結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)、(b)可以看出，索夾中部典型區(qū)段夾壁范圍內(nèi)的等效應(yīng)力為54～58 MPa，應(yīng)力大小分布比較均勻，與表1的計(jì)算數(shù)值57.6 MPa相一致；索夾夾壁過(guò)渡至螺桿孔的圓弧過(guò)渡段應(yīng)力在60～65 MPa之間，均小于容許應(yīng)力100 MPa；應(yīng)力集中發(fā)生在螺桿孔孔口處，最大應(yīng)力為79.11 MPa。由圖7(c)、(d)可以看出，銷軸和銷孔為圓柱面接觸承壓狀態(tài)，耳板銷孔應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在銷孔最底部，呈漏斗狀分布；且由于銷軸自身產(chǎn)生了變形，致使銷孔最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷孔底部區(qū)域的邊緣部位，最大應(yīng)力為262.25 MPa，但未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度300 MPa，滿足受力和使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)懸索橋索夾類型進(jìn)行了比較，結(jié)合吊索受力、耐久性、經(jīng)濟(jì)性考慮，認(rèn)為郭家沱長(zhǎng)江大橋初步設(shè)計(jì)選用銷接式索夾是合適的。采用銷接式索夾時(shí)，可在短吊索區(qū)段銷孔處設(shè)置關(guān)節(jié)軸承，其可有效地適應(yīng)主纜和主梁的橫向相對(duì)位移，大幅減小或消除短吊索的2次應(yīng)力。另外，本文還對(duì)郭家沱長(zhǎng)江大橋設(shè)計(jì)索夾安裝工況和正常使用工況的受力進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明索夾的整體應(yīng)力水平適當(dāng)，設(shè)計(jì)合理，可為項(xiàng)目后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

圖7 正常使用工況下索夾受力分析結(jié)果

[1]中交公路規(guī)劃院設(shè)計(jì)有限公司.公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG/T D65-05—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[2]孟凡超，王仁貴，徐國(guó)平.懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司. 懸索橋索鞍索夾：JT/T 903—2014[S].北京：人民交通出版社，2014.

[4]周燕梅，郭錦良.懸索橋索夾的設(shè)計(jì)及驗(yàn)算[J].北方交通，2012(5)：77-79.

[5]洛陽(yáng)軸承研究所. 關(guān)節(jié)軸承 向心關(guān)節(jié)軸承：GB/T 9163—2001[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[6]中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán).大型低合金鋼鑄件：JB/T 6402—2006[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[7]王呼佳，陳洪軍.ANSYS工程分析進(jìn)階實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[8]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M]. 北京：人民交通出版社，2007.

Cable Clamp Design and Stress Analysis of Guojiatuo Yangtze River Bridge

SUN Junju,SU Jian'nan,GAN Lu

This paper introduces the overall design of the cable clamps of Guojiatuo Yangtze River Bridge and the measures to reduce or eliminate the secondary stress of the short suspenders. The stress analysis of the solid finite element shows that the designed stress level of the cable clamp is suitable and the structure design is rational,which provides basis for future optimization design.

suspension bridge; road-track dual-purpose; cable clamp; pin connection type

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.014

交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2013318282310)

2016-08-25

孫軍舉(1981-)，男，河北省張家口市人，碩士研究生，工程師。

1009-6477(2016)06-0061-05

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