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 劉鑰  朱安靜  羅曉媛  吳偉

 （中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司武漢分院武漢  430056）

摘要  由于國(guó)內(nèi)計(jì)算鞍槽內(nèi)主纜抗滑移的參數(shù)u和K沒(méi)有確切的規(guī)定，文中參照國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范、試驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于螺洲大橋，建議主纜與鞍座鞍槽間摩擦系數(shù)u=0.2，抗滑移安全系數(shù)K=1. 65。為了確定主索鞍的約束體系，采用主鞍座鎖定、有限位移等多種約束體系進(jìn)行對(duì)比分析，并且綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、耐久性，以及經(jīng)濟(jì)性等因素，選擇了主索鞍固結(jié)方式的約束體系，并對(duì)主索鞍進(jìn)行了優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：三塔自錨式懸索橋摩擦系數(shù)抗滑移鞍座不平衡力

福州市螺洲大橋主橋是目前第一座正式建成的三塔自錨式懸索橋。其跨徑布置為80 m+168m+168 m+80 m=496 m。鋼主梁全寬43.0 m，主跨主纜理論垂度為28 m，理論垂跨比為1:6；邊跨理論垂跨比為1：12. 88。螺州大橋總體布置圖見(jiàn)圖1。

1  主纜抗滑移研究的重要性

 與傳統(tǒng)的三塔地錨式懸索橋一樣，三塔自錨式懸索橋的中塔鞍座抗滑移安全是懸索橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。在恒載狀態(tài)下，對(duì)稱布置的中塔兩側(cè)主纜水平分力和夾角均相同，不會(huì)對(duì)橋塔產(chǎn)生彎矩，僅產(chǎn)生豎向壓力。運(yùn)營(yíng)階段由恒載和活載組合引起的主纜不平衡水平力，是影響中塔鞍座抗滑移安全的重要因素。當(dāng)一主跨加載活載組合，非加載主跨不加載時(shí)，主鞍座兩側(cè)的主纜會(huì)產(chǎn)生很大的不平衡水平力，如果中塔剛度很大，則中塔承受較大的縱向剪力和彎矩，加勁梁的豎向撓度不大；如果中間主塔剛度小，則中塔產(chǎn)生一定的塔頂縱向位移，非加載主跨主纜纜力增加，中塔的撓曲會(huì)導(dǎo)致加載跨的豎向位移的增大。如果中塔兩側(cè)不平衡水平力超過(guò)塔頂鞍座與主纜鋼絲之間的摩阻力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致主纜在鞍槽內(nèi)滑動(dòng)，從而使加勁梁變形更大。

 與傳統(tǒng)的地錨式懸索橋最大的不同是自錨式懸索橋的主纜錨固在主梁的梁端，溫度的變化會(huì)導(dǎo)致主梁帶動(dòng)主纜一起運(yùn)動(dòng)，故運(yùn)營(yíng)階段在恒十活載十溫度等荷載作用下，邊塔的主纜抗滑移不容忽視。因此，合理選擇邊、中塔剛度并確保主纜與鞍座的抗滑移安全穩(wěn)定是非常重要的。

2運(yùn)營(yíng)階段主纜抗滑移的計(jì)算和研究

2.1原設(shè)計(jì)過(guò)程中不同方案下鞍槽的抗滑移計(jì)算

 螺州大橋加載的作用效應(yīng)組合分為恒載十活載組合（恒載十沉降十汽車(chē)十人群十風(fēng)荷載）和恒載十活載組合十其他組合（恒載十沉降十基礎(chǔ)變位十汽車(chē)十人群十溫度十風(fēng)荷載）。中塔鞍座處主纜最大不平衡水平力由汽車(chē)、人群縱向偏載作用產(chǎn)生。邊塔處主纜最大不平衡水平力由溫度變形和汽車(chē)、人群縱向偏載作用產(chǎn)生。

 由于本橋的橋型、塔型方案已定，跨度、塔高受限。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文分別采用不同材料的主塔、跨中加鎖扣以及主索鞍和主塔不同的連接方式來(lái)進(jìn)行抗滑移驗(yàn)算。

施工圖設(shè)計(jì)階段對(duì)鞍槽抗滑移進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，在無(wú)試驗(yàn)研究成果的情況下，參照《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范報(bào)批稿》的規(guī)定，鞍槽與主纜之間摩擦系數(shù)保守取0. 15，抗滑安全系數(shù)不小于2.0。鞍槽內(nèi)主纜抗滑移安全系數(shù)：

式中：u為主纜與鞍座或隔板間的摩擦系數(shù)，一般取值0. 15；a，為主纜在鞍槽上的包角；F。。為主纜緊邊拉力，F(xiàn)。，為主纜松邊拉力。

2.1.1三塔鎖定體系

 主纜鞍座和主塔鎖定，在鎖定體系的基礎(chǔ)上，又比較計(jì)算了中塔采用鋼結(jié)構(gòu)、主跨跨中設(shè)索扣和三塔采用鋼結(jié)構(gòu)加索扣的3種結(jié)構(gòu)。

 對(duì)于主索鞍與主塔鎖定方式，主纜的不平衡水平力直接由主塔承擔(dān)，索鞍與塔頂水平位移始終保持一致。當(dāng)主纜的不平衡水平力增大時(shí)，主塔將受到較大的水平力作用，塔頂水平位移也增大，從而影響主纜的線形與受力，并最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

 (1)三塔均采用混凝土結(jié)構(gòu)。三塔采用剛性混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)摩擦系數(shù)u=0.  15時(shí)，在恒十活載組合作用下中塔的K均小于1.3，邊塔的K均大于2；在恒十活十其他組合作用下，中塔的K均小于1.4，邊塔的K均小于1.7。

 (2)中塔采用鋼結(jié)構(gòu)十邊塔采用混凝土結(jié)構(gòu)。為節(jié)約篇幅，本文僅顯示計(jì)算結(jié)果。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)摩擦系數(shù)u=0. 15時(shí)，中、邊塔安全系數(shù)K均達(dá)不到2。

 (3)三塔均采用混凝土結(jié)構(gòu)十主跨跨中加索扣。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)摩擦系數(shù)u=0.  15時(shí)，中、邊塔安全系數(shù)K均達(dá)不到2。

 (4)三塔均采用鋼結(jié)構(gòu)十主跨跨中加索扣。經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)摩擦系數(shù)u=0. 15時(shí)，中、邊塔安全系數(shù)K均達(dá)不到2。

2.1.2  中塔有限位移十邊塔鎖定體系

 對(duì)于允許主索鞍有限位移方式，當(dāng)塔頂處左右兩側(cè)主纜產(chǎn)生不平衡水平力時(shí)，為達(dá)到受力的平衡，索鞍將向主纜水平分力較大的一側(cè)移動(dòng)，從而使主纜線形與受力發(fā)生改變，以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。若不平衡力較小，索鞍產(chǎn)生的水平滑移量小于限制位移，即索鞍不與主塔頂?shù)膿鯄K接觸，那么主塔將不會(huì)受到主纜不平衡水平力的作用。主纜不平衡力隨著索鞍的移動(dòng)而減小，當(dāng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)時(shí)，主纜不平衡力消失。而當(dāng)主纜不平衡水平力較大時(shí)，索鞍的水平位移量將可能達(dá)到限制位移，之后受到擋塊的約束，將這一不平衡力傳給主塔，從而影響結(jié)構(gòu)的受力與變形。

 主塔采用剛性混凝土結(jié)構(gòu)，邊塔的主纜和鞍座、散索鞍座體間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)。中塔主索鞍座座體下設(shè)鋼輥軸支座，座體兩端設(shè)限位擋塊，保證有限位移量為±20 cm。

 經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)摩擦系數(shù)u=0. 15時(shí)，中塔在各種工況下安全系數(shù)K均大于2，邊塔K達(dá)不到2。

2.1.3三塔有限位移體系

主塔采用剛性混凝土結(jié)構(gòu)，主纜和鞍座、散索鞍座體間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)。主索鞍座座體下設(shè)鋼輥軸支座，座體兩端設(shè)限位擋塊，保證中塔有限位移量為±20 cm，邊塔為±5 cm。中、邊塔抗滑驗(yàn)算見(jiàn)表1、表2。

 由表1可知，在摩擦系數(shù)u=0. 15時(shí)，在各種工況下，中、邊塔安全系數(shù)K均大于2。

為滿足抗滑移安全系數(shù)式(1)要求，塔頂鞍座設(shè)計(jì)采用有限位移體系，通過(guò)鞍座底輥軸實(shí)現(xiàn)和主塔相對(duì)位移。原設(shè)計(jì)鞍座構(gòu)造見(jiàn)圖2。

2.2抗滑移中摩擦系數(shù)、安全系數(shù)的取值

 美國(guó)對(duì)George Washington橋和Forth Road橋進(jìn)行了實(shí)橋鞍座摩擦系數(shù)的測(cè)定，2座橋鞍座與主纜間的摩擦系數(shù)為0.3。室內(nèi)主纜與鞍座摩擦系數(shù)的試驗(yàn)中，美國(guó)Delaware River橋摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果為0. 19～0.21。日本彩虹橋?qū)χ骼|與鞍座間的摩擦機(jī)理和提高抗滑移的措施進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)采用132根直徑5 mm的鍍鋅鋼絲，試驗(yàn)結(jié)果顯示：鞍槽表面打磨后進(jìn)行試驗(yàn)與打磨后涂富鋅底漆進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)得的u值基本相同，平均為0. 33;鞍槽表面噴鋅后測(cè)得的u提高了近50%，平均為0. 48。我國(guó)陽(yáng)邏大橋也開(kāi)展過(guò)三塔懸索橋中塔索股抗滑移試驗(yàn)，采用1束127絲直徑為5. 35 mm的熱鍍鋅鋼絲，按照實(shí)際主鞍的一個(gè)鞍槽按1:1比例設(shè)計(jì)制作鞍槽模型。試驗(yàn)結(jié)果顯示：鞍槽內(nèi)表面的u值平均為0. 328;鞍槽表面噴鋅后u值為0. 286;試驗(yàn)還采用直徑為0.5 mm的碳素鋼絲模擬主纜索股16束，主鞍按1：10比例制作模型，測(cè)定主纜索股相對(duì)主鞍槽滑移時(shí)的摩擦系數(shù)u平均為0. 32。

 前述的試驗(yàn)中，采用的一束索股進(jìn)行的試驗(yàn)，不能模擬實(shí)橋中多索股之間，以及索股受力內(nèi)部鋼絲之間的擠壓。泰州長(zhǎng)江大橋分別進(jìn)行了對(duì)單股、多股主纜和中主鞍座間抗滑移實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)單索股滑移試驗(yàn)結(jié)果，3組試驗(yàn)測(cè)試得到鞍座與索股之間的摩擦系數(shù)分別為0. 302，0.326，0. 391；多束股滑移試驗(yàn)中，3組試驗(yàn)測(cè)試的鞍座與索股之間的摩擦系數(shù)分別為0. 521，0.535和0. 535。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該橋設(shè)計(jì)取值：摩擦系數(shù)u=0.2，抗滑移安全系數(shù)K =2.O。

 日本的的小西一郎在《鋼橋》中曾描述華盛頓橋?qū)崪y(cè)的情況，認(rèn)為u取0.2已足夠安全。根據(jù)《歐洲規(guī)范3-鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》，鋼絲與鞍槽之間的抗滑安全系數(shù)推薦取值為1. 65，且可通過(guò)增大夾緊力提高抗滑能力�！惰F路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》在高強(qiáng)度螺栓的容許抗滑承載力計(jì)算公式中，采用的安全系數(shù)K為1.7。鑒于本螺洲橋跨度較小，無(wú)論在規(guī)模、跨徑方面均無(wú)法與陽(yáng)邏、泰州等大橋相比，且不平衡力加載工況為極端工況，因此，參照國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范中關(guān)于摩擦力檢算的安全系數(shù)、同類橋梁試驗(yàn)研究成果和相關(guān)文獻(xiàn)資料，螺洲大橋主橋鞍槽和主纜抗滑移檢算建議采用下列指標(biāo)：主纜與鞍座鞍槽間摩擦系數(shù)u=0.2；抗滑移安全系數(shù)：K =1. 65。

為了提高u，螺州大橋鞍槽（見(jiàn)圖3）內(nèi)表面須噴鋅處理，厚度不小于200 um；主鞍座內(nèi)設(shè)置4道縱向隔片，隔片表面全部噴鋅處理，鋅層厚度不小于200um，隔片將主纜隔成5列，包括鞍槽側(cè)壁與縱向隔片在內(nèi)總共11個(gè)側(cè)向摩擦面；采用鋅塊、壓板以及高強(qiáng)螺栓組合措施對(duì)主纜豎向加壓；同時(shí)為提高鞍座的側(cè)向壓力，采用12根M36的高強(qiáng)螺栓對(duì)鞍槽處主纜進(jìn)行夾緊。

主纜抗滑移檢算采用建議的指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算，三塔均采用混凝土主塔，且鞍座在成橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)鎖定時(shí)的安全系數(shù)均大于1. 65，滿足設(shè)計(jì)要求。中、邊塔的抗滑驗(yàn)算表見(jiàn)表3、表4。

2.3索鞍的優(yōu)化

對(duì)于多塔懸索橋來(lái)說(shuō)，控制結(jié)構(gòu)的變形很重要，為減小主梁撓度可采用主索鞍固結(jié)方式，而此時(shí)主纜不平衡水平力將隨之增大，對(duì)主纜的抗滑安全及主塔受彎較為不利。雖然采用主索鞍有限位移方式能有效減小這一不利影響，但主索鞍有限位移裝置構(gòu)造復(fù)雜，造價(jià)較高，且運(yùn)營(yíng)期間維護(hù)難度較大。因此，綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、耐久性以及經(jīng)濟(jì)性等因素選擇主索鞍固結(jié)方式的約束體系。以摩擦系數(shù)u=0.2、抗滑移安全系數(shù)K=l. 65為基礎(chǔ)，對(duì)主橋3個(gè)塔處鞍座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)鞍槽內(nèi)表面進(jìn)行噴鋅涂層處理以增大摩擦力。優(yōu)化后的主鞍座構(gòu)造見(jiàn)圖4。

3結(jié)論

 (1)與三塔地錨式懸索橋不一樣，三塔自錨式懸索橋邊、中塔鞍座主纜抗滑移同樣非常重要。

 (2)對(duì)原索鞍設(shè)計(jì)方案分別采用不同材料的主塔、跨中加鎖扣，以及主索鞍和主塔不同的連接方式來(lái)進(jìn)行抗滑移驗(yàn)算。結(jié)果表明當(dāng)摩擦系數(shù)u=0. 15時(shí)，只有三塔均采用有線位移體系時(shí)，各工況下中、邊塔安全系數(shù)K才大于2。

 (3)參照國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范中關(guān)于摩擦力檢算的安全系數(shù)、同類橋梁試驗(yàn)研究成果和相關(guān)文獻(xiàn)資料，螺洲大橋主橋鞍槽和主纜抗滑移檢算建議采用下列指標(biāo)：主纜與鞍座鞍槽間摩擦系數(shù)：u=0.2，抗滑移安全系數(shù)：K=1. 65。

 (4)綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、耐久性以及經(jīng)濟(jì)性等因素，螺洲大橋最終選擇主索鞍鎖定方式的約束體系。