悬索桥上下对合销接式索夹受力研究

贾光河

(邢台道桥建设工程有限公司，河北 邢台　054001)



悬索桥上下对合销接式索夹受力研究

贾光河

(邢台道桥建设工程有限公司，河北 邢台054001)

为探明悬索桥索夹的空间受力特征，针对某桥典型上下对合的销接式索夹，建立索夹空间受力仿真分析模型，研究索夹各组成构件的受力及应力分布规律，并与理论计算公式进行对比分析。结果表明：各类荷载组合下索夹受力均满足相关要求，无应力集中现象；索夹上部的环向拉应力与理论公式一致，接触压应力约为0.85倍理论值；索夹下部接触压应力沿纵向分布呈不均匀分布，设计时应特别注意。

；悬索桥；索夹；受力分析；径向应力；环向拉应力

0　引言

悬索桥作为大跨度桥梁的重要结构型式，其主要受力结构为主缆，通过索夹和吊杆以承受桥面荷载，作为重要的受力构件，索夹的传力是否合理将决定桥梁的运营状态。悬索桥的索夹主要可分为上下对合及水平对合型两种形式，其中销接式吊索常采用上下对合索夹，而骑跨式吊索常采用水平对合索夹。在索夹的计算理论方面，索夹的应力及抗滑常采用国外的相关简化计算公式，由于计算理论与实际受力相差较大，常需采用较大的安全系数以确保结构的可靠。为探明索夹各构件的受力规律，以某大跨度悬索桥为工程背景，建立该桥索夹的空间受力仿真模型，研究索夹的传力规律及受力特点。

1　工程背景

某高速公路大跨度自锚式悬索桥，其跨径布置为(160+406+160)m，作为大桥的主要承力构件，主缆由37根91丝的高强平行钢丝组成，索夹内主缆直径为403 mm，跨中与塔顶的主缆高差70 m，矢跨比为1/5.8。大桥的吊索除主塔附近间距为14.0 m外，其余间距均为13.5 m，即主跨共29对吊点，两边跨分别10对吊点，每个吊点均含2根平行钢丝吊索。本桥的索夹为上下对合销接式，其构造如图1所示，主要组成部件可分为上半索夹、下半索夹、耳板、螺杆及配套螺母等。索夹采用ZG20Mn低合金铸钢，上下半索夹间采用橡胶防水条，通过螺杆施加预加力将上下半索夹紧固于主缆上。

图1　索夹一般构造图(单位；mm)

2　仿真模型的建立

以本文背景工程中的典型索夹为例，其长度为1 250 mm，索夹上左右对称布置6对M39螺杆，顺桥向间距为210 mm，索夹所在位置的水平倾角为24.416°。基于大型通用有限元软件ANSYS平台，建立索夹受力分析仿真模型，其中上下索夹、耳板及主缆均为20节点的实体单元，而在边界约束方面则采用接触连接主缆和索夹，接触面的摩擦系数参照经验取为0.15。大桥主缆为平行钢丝断面，在索夹内外均呈圆形截面，本桥主缆在内的空隙率为18%(索夹内)和20%(索夹外)。现有研究表明，主缆的径向受力可取1/10钢材弹模，模型中其余材料参数均与实际一致。根据设计文件，螺杆的张拉预加力在长期状态下可取550 kN，按实际加载位置对索夹进行加载，而最大吊索轴力为2 275 kN，将该荷载施加于下半索夹的耳板销孔内壁，方向与重力方向保持一致。

由于成桥状态下，主缆的位置相对稳定在平衡位置处，且索夹外的主缆变形对索夹不会产生影响，在索夹局部模型中，仅建立索夹内及两侧各0.5 m长的主缆，并近似将吊索索力、螺杆内力及其作用下的主缆截面均为定值，不随时间变化。为统一文中表示方法，对模型的坐标体系进行规定，坐标原点为索夹上的中心标记点，以主缆轴向为Z轴，横向为X轴，竖向为Y轴，即上半索夹的Y坐标为正。

3　索夹受力仿真结果

3.1Mises等效应力分布

悬索桥典型索夹在吊索力及螺杆预加力作用下，其Mises等效应力结果如图2所示。

图2　索夹Mises等效应力分布(单位；Pa)

图2中索夹的Mises等效应力云图显示，索夹各个部件的等效应力均在150 MPa以内，均小于材料的应力限值；由传力路径可知，下部的吊索力作用于耳板将荷载传至下半索夹，在耳板处的孔壁应力较大，且在孔洞两侧的应力较大，孔洞间的应力较小，仅为10 MPa；在上下半索夹的圆弧过渡段应力水平较高，Mises等效应力可达120 MPa，而在索夹的圆弧段应力水平降低至70 MPa，由索夹的整体等效应力分布可知耳板与索夹的应力传递顺畅，无明显应力集中现象。

3.2索夹环向拉应力分布

索夹在螺杆预紧力作用下，将产生沿环向的拉应力，由相关文献可知该应力值为σ1=P/(Lt)，其中P为一根螺杆预紧力值550 kN；L为螺杆间距210 mm；t为壁厚40 mm。故计算后σ1=65.3 MPa。

只考虑螺杆力的作用时，考察索夹中心点外的环向应力分布，Z=0.625 m处的环向应力云图如图3所示。

图3　预紧力单独作用工况索夹环向应力分布(单位；Pa)

由图3中索夹环向应力云图所示，索夹在螺杆作用范围受压，而在圆弧段范围受拉，而耳板范围的应力水平很低。上半索夹圆弧段顶部附近均受拉，而在过渡区域则受拉弯，其外表面应力水平明显高于内表面应力水平；下半索夹底端附近区域受拉，而在过渡区附近受拉弯，与上半索夹类似，其外表面应力水平高于内表面，对比上、下半索夹，下半索夹的弯曲效应更为明显。

图3所示的E～H点的环向应力沿Z轴方向变化规律见图4。

图4　预紧力单独作用工况索夹环向应力分布

由上图可见，E、F位置处的环向应力水平均较为平稳，其中E处环向应力在65 MPa附近变化，与理论计算值65.3 MPa相近，而F处的应力水平在44 MPa左右。对于G及H处的应力分布，二者在索夹中部区域均匀分布，而在两端的应力水平明显减小，其应力水平分别在104 MPa和121 MPa附近变化。

索夹在考虑预紧力及吊索力工况下，其中部断面处的环向应力云图如图5所示。索夹在两侧螺杆作用区域受压，而在圆弧段受拉，其中上半索夹各点内侧拉应力水平均高于外侧，下半索夹在圆弧段区域受拉，而在圆弧过渡段受拉弯。

E～H点环向应力分布随纵向位置变化如图6所示。图中曲线显示，索夹圆弧段应力水平较平稳，其中E处应力在60 MPa附近变化，与理论计算值相近，F处应力在25 MPa附近；而G、H处的应力沿纵向呈倒“U”型，在两侧应力较小，中间应力较大。

图5　预紧力与吊索力工况下索夹环向应力分布(单位；Pa)

图6　预紧力与吊索力工况下E～H点环向应力纵向分布

由图5图6综合分析可知，索夹的靠近螺杆区域在吊索力作用下，其环向应力在纵向呈倒“U”型分布，而在圆弧段区域的应力则在纵向分布较平稳，上半部索夹的应力有限元结果为理论计算值的90%左右，而下半部索夹应力则仅为理论值的45%左右。

3.3索夹与主缆接触面应力分布

为避免索夹在主缆上产生相对滑移，通过对索夹上的螺杆施加预紧力，在索夹与主缆的接触面保证一定的摩阻力，故索夹与主缆接触面的应力分布将直接影响索夹的抗滑能力。相关文献可知，在预紧力作用下拉触面的应力可由式σ=2P/(Ld)计算为-12.99 MPa，其中d为主缆直径。

预紧力与吊索力工况下，索夹Z=0.94 m处索夹与主缆接触面的径向应力分布见图7。

图7　预紧力与吊索力工况下索夹Z=0.94 m处接触面　径向应力分布(单位；Pa)

图中数据显示，在预紧力与吊索力作用工况下，接触面的径向应力较不均匀，且在索夹下半部分尤为明显。

图7中所示A～D处接触面的应力沿纵向变化如图8所示。

图8　预紧力与吊索力工况下A～D接触面应力纵向变化

图中数据显示，索夹上半部对应的A、B点处的应力水平较为平稳，其中断面顶A点的压应力在11 MPa左右，而侧面C点处的应力则可达18.5 MPa；索夹下半部区域内的接触应力沿纵向呈“V”型变化，且越接近下底部该规律越明显，其中，在索夹纵向中部区域B点接触应力约14 MPa，而D点则仅为5.5 MPa，且在索夹两端应力均约为0。

为探明索夹上、下半部位置的接触面应力分布特点，分别将索夹上部及下部的平均接触应力沿纵向的变化绘于图9。

图9　预紧力与吊索力作用工况上、下半部索夹平均接触　应力沿纵向的变化

图中数据显示，上半部索夹对应的接触面应力较为平均，且均值在11 MPa左右，该值约为理论计算值的86%；而下半部索夹对应的接触面应力纵向呈“V”型变化，且应力水平低于上半部索夹区域。沿纵向对下半部接触面应力进行积分可得其总径向力约为6 900 kN，对于摩擦系数取0.15工况下，其摩阻力约为1 035 kN，较吊索分力大，可避免产生脱空现象。综上，可基于简化的理论公式进行索夹抗滑承载力计算，但对于上下对合销接式索夹仍应对下半部索夹的脱空进行单独验算。

4　结论

针对某桥典型上下对合的销接式索夹，建立索夹空间受力仿真分析模型，研究索夹各组成构件的受力及应力分布规律，并与理论计算公式进行对比分析，主要结论如下：

1) 索夹空间有限元分析结果表明，其Mises等效应力均在150 MPa以内，索夹各部位的应力传递顺畅，吊索力作用于耳板后传递至索夹下半部，其中耳板圆孔下缘应力较大且两侧应力高于中间应力，而对于索夹，其圆弧区域应力低于圆弧过渡区域的应力。

2) 索夹的圆弧区域可近似为轴向应力状态，而圆弧过渡区域则为弯拉状态，故而可采用理论公式计算上半索夹圆弧区域的应力，而圆弧过渡区域由于预紧力的偏心附加矩的影响，在工程设计中应增大安全系数以确保足够的安全储备。

3) 索夹与主缆的接触面应力在上半部分区域可采用理论公式进行简化计算，并取0.85倍系数进行抗滑承载能力验算，而下半部分区域理论计算值受吊索力作用的影响误差较大，建议工程设计中下半部索夹抗滑系数大于1.0以防止索夹脱空影响主缆及索夹的耐久性能。

[1]胡建华.现代自锚式悬索桥理论与应用[M].北京：人民交通出版社，2008.

[2]吴胜东.润扬长江公路大桥建设(第3册)：悬索桥[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]孟凡超，土仁贵，徐国平，等.悬索桥[M].北京：人民交通出版社，2011.

[4]赵承新，严敏兰，张安户，等.洪都大桥索夹抗滑试验研究[J].世界桥梁，2013，41(1)：64-68.

[5]舒思利，土忠彬.三塔悬索桥适应性及主缆抗滑移技术探讨[J].桥梁建设，2010(5)：43-46.

[6]周燕梅，郭锦良.悬索桥索夹的设计及验算[J].北方交通，2012(5)：77-79.

[7]阮坤，陈作银，陈冠桦.基于悬索桥修正成桥线形的索夹弯曲应力分析[J].世界桥梁，2011(6)：46-49.

[8]任洪田，赵立析，白福军.悬索桥主缆索夹抗滑试验及应力测试分析[J].北方交通，2009(3)：74-76.

2016-05-17

贾光河(1979-)，男，工程师，主要从事公路工程施工及管理工作。

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