平行钢丝索股与主鞍座抗滑移试验研究与分析

张田湉

摘要：温州瓯江北口大桥是国内首座三塔四跨双层钢桁梁悬索桥，中塔为A型框架混凝土塔。与传统的两塔悬索桥相比，三塔悬索桥中间主塔设计及其上主鞍座内主缆丝股抗滑移安全是整个结构设计的重点与难点。本文通过试验研究主缆与鞍座顶面和侧面、索股与竖向及水平隔板间摩擦力的关系，为主缆与鞍座间的摩擦机理研究及检验实际设计鞍座在全寿命期间的主缆与鞍座的摩擦力提供支撑。

Abstract： Wenzhou Oujiang North Port Bridge is the first three-tower and four-span double-span steel truss suspension bridge in China. The middle tower is an A-frame concrete tower. Compared with the traditional two-tower suspension bridge， the design of the middle main tower of the three-tower suspension bridge and the anti-sliding safety of the upper main cable strand main saddle are the key points and difficulties of the whole structure design. In this paper， the relationship between the top and side of the main cable and saddle and the friction between the cable strand and the vertical and horizontal partitions are studied experimentally， to provide support for the research on friction mechanism between main cable and saddle and the test of the friction between the main cable and the saddle during the life of the actual design saddle.

關键词：三塔悬索桥;主索鞍;竖向摩擦板;抗滑移

Key words： three-tower suspension bridge;main cable saddle;vertical friction plate;anti-sliding

1  工程概况

温州瓯江北口大桥是甬台温高速公路复线和温州市南金公路跨越瓯江的控制性工程，跨江主桥为国内首座三塔四跨双层钢桁梁悬索桥，全桥横向共设两根主缆，主缆横向间距为41.8m，主缆跨度（230+800+800+358）m，矢高80m，矢跨比1/10.0。其布置见图1。

该项目中塔为大刚度A型框架混凝土塔，系国内在多塔连跨悬索桥结构体系中首次采用。主索鞍采用铸焊结合结构，竖隔板钢板与鞍头槽底焊接，鞍座为钢板焊接成，鞍体下设不锈钢板-聚四氟乙烯板滑动副，以适应施工中的相对移动。中塔主索鞍为国内首座梳齿型主索鞍，鞍槽内设14道竖向摩擦板，使各根索股的侧面都与隔板接触，提供侧面摩擦力，从而提高索鞍的抗滑性能。竖向摩擦板厚12～16mm，高726～929.5mm，横向净距61mm，采用Q345C。其结构见图2。大桥主缆有169根索股，每股由127根5.25mm镀锌高强钢丝组成。

2  试验研究方案

2.1 试验方案

试验需要模拟理论上的极端工况：一个主跨满载、另一个主跨不加载的不对称加载工况。经过比选，最终确定采用顶推鞍座的方式施加不平衡力：将鞍座与支架的连接设计为铰接，试验时先将索股两端张拉到恒载对应的设计索力后进行锚固。试验时利用千斤顶对鞍座一侧施加推力，这样鞍座一侧的索股力将增大、另一侧的索股力将减小。逐级增大作用力，直到索股与鞍座间产生滑移。考虑经济、制利用的原则，台座采用钢板梁形式，设计模型如图3 所示。

2.2 索股及索股布置方式

试验用主缆钢丝与实桥主缆所用钢丝相同，采用直径5.25mm的高强镀锌钢丝。模型试验的钢丝索股数，要模拟钢丝束与鞍槽直接接触以及索股之间的接触，反映索股受到径向挤压应力的不同。为控制试验规模，本阶段的研究时，试验选用37丝的索股，钢丝直径与实桥主缆所用钢丝相同，为Φ5.25mm镀锌高强钢丝，如图4、图5。索股排3列，中间四排，两侧3排，如图6。

2.3 鞍座形式

试验设计三种鞍座形式：①传统主鞍座，在各列索股之间加较薄较柔的隔片;②增设竖摩擦板鞍座，在各列索股之间加较厚较刚的隔板;③增设水平摩擦板鞍座，两排索股之间加水平隔板，见图7。试验鞍座的设计尽量与实际鞍座的槽口等接近、包角接近实际设计值。鞍槽为圆曲线，模型鞍座鞍槽光洁度、圆度与实桥相同。

2.4 测点布置

基于试验目的，进行试验数据的测试方案设计，测试内容主要包括索股张拉力测试、位移测试以及索股应力测试三项：①每根索股锚头螺帽前端安装压力传感器，以测试股索的张拉力;②在鞍座两侧的上下层索股及鞍座上布置位移测点，通过千分表测试索股与鞍座间的相对位移，以判别股索是否滑移;③在鞍座两侧进、出鞍槽道口位置的索股上安装滑移标记，以目测判别股索是否滑移。

2.5 试验荷载

根据模型束股对模型鞍槽的挤压接触应力与实际主缆索股对鞍槽底面的最小挤压接触应力相等的原则，得出基准状态条件下试验模型每束索股的加载值为548.5kN，10束索股总的加载量为5485kN。为进行模型设计及结构验算，参照既有试验研究结果，偏于安全地取索股与鞍座间的名义摩擦系数为0.65，则由下式可以得出滑移时刻顶推侧的索股张拉力为6811kN。根据上述计算结果进行试验模型设计验算。

2.6 加载步骤

对于上述的每一种工况，进行以下加载步骤：

①在加载模型的两端进行张拉，直到索股总拉力达到恒载相应值。第一级荷载：张拉至恒载的60%;第二级荷载：张拉至恒载的100%;张拉完成后，将索股锚固在锚垫板上。

②利用加载设备，在鞍座上施加推力，使两侧索力的比值按1.025、1.05、1.075、1.1、1.125、……的比例增加，每作用一级，静置10分钟，测量索股与鞍座间的变形量，观测是否产生滑移，若未产生滑移，继续下一级加载，直到索股与鞍座产生滑移;按照试验工况，分步进行上述过程的加载与测试。

③按照各试验工况的要求，分别在三种主鞍座上开展不同索股根数（四根、七根、十根）的模型试验，为理论分析提供参数变化工况。

3  三种鞍座类型试验值对比

对比三种不同鞍座构造下的试验值见图8、图9、图10，其中，GP表示加竖向隔片;SX表示加竖向板;HX表示加水平板;z—整体名义摩擦系数。

从上述对比可以看出：

①设置竖向或水平摩擦板可明显提高极限的名义摩擦系数;

②设置水平摩擦板，板上索股滑移时的名义摩擦系数较低，这与这种情下板上索股间隔片与普通鞍座时差异明显有关;

③设置水平摩擦板时，要提高鞍座整体的名义摩擦系数，需要提高水平摩擦板上索股的名义摩擦系数。

参考文献：

[1]姜洋，肖汝诚，等.多塔悬索桥主缆与鞍座滑动失稳临界跨径[J].同济大学学报（自然科学版），2012，40（3）：331-337.

[2]杨光武，徐宏光等.马鞍山长江大桥三塔悬索桥关键技术研究[J].桥梁建设，2010.

[3]张清华，李乔.悬索桥主缆与鞍座间摩擦特性试验研究[J].土木工程学报，2012.