三塔自锚式悬索桥主缆抗滑移研究

 刘钥  朱安静  罗晓媛  吴伟

 （中国市政工程西北设计研究院有限公司武汉分院武汉  430056）

摘要  由于国内计算鞍槽内主缆抗滑移的参数u和K没有确切的规定，文中参照国内外现行有关规范、试验和相关文献资料进行对比分析，对于螺洲大桥，建议主缆与鞍座鞍槽间摩擦系数u=0.2，抗滑移安全系数K=1. 65。为了确定主索鞍的约束体系，采用主鞍座锁定、有限位移等多种约束体系进行对比分析，并且综合考虑结构受力、耐久性，以及经济性等因素，选择了主索鞍固结方式的约束体系，并对主索鞍进行了优化。

关键词：三塔自锚式悬索桥摩擦系数抗滑移鞍座不平衡力

福州市螺洲大桥主桥是目前第一座正式建成的三塔自锚式悬索桥。其跨径布置为80 m+168m+168 m+80 m=496 m。钢主梁全宽43.0 m，主跨主缆理论垂度为28 m，理论垂跨比为1:6；边跨理论垂跨比为1：12. 88。螺州大桥总体布置图见图1。

1  主缆抗滑移研究的重要性

 与传统的三塔地锚式悬索桥一样，三塔自锚式悬索桥的中塔鞍座抗滑移安全是悬索桥设计的关键问题之一。在恒载状态下，对称布置的中塔两侧主缆水平分力和夹角均相同，不会对桥塔产生弯矩，仅产生竖向压力。运营阶段由恒载和活载组合引起的主缆不平衡水平力，是影响中塔鞍座抗滑移安全的重要因素。当一主跨加载活载组合，非加载主跨不加载时，主鞍座两侧的主缆会产生很大的不平衡水平力，如果中塔刚度很大，则中塔承受较大的纵向剪力和弯矩，加劲梁的竖向挠度不大；如果中间主塔刚度小，则中塔产生一定的塔顶纵向位移，非加载主跨主缆缆力增加，中塔的挠曲会导致加载跨的竖向位移的增大。如果中塔两侧不平衡水平力超过塔顶鞍座与主缆钢丝之间的摩阻力时，会导致主缆在鞍槽内滑动，从而使加劲梁变形更大。

 与传统的地锚式悬索桥最大的不同是自锚式悬索桥的主缆锚固在主梁的梁端，温度的变化会导致主梁带动主缆一起运动，故运营阶段在恒十活载十温度等荷载作用下，边塔的主缆抗滑移不容忽视。因此，合理选择边、中塔刚度并确保主缆与鞍座的抗滑移安全稳定是非常重要的。

2运营阶段主缆抗滑移的计算和研究

2.1原设计过程中不同方案下鞍槽的抗滑移计算

 螺州大桥加载的作用效应组合分为恒载十活载组合（恒载十沉降十汽车十人群十风荷载）和恒载十活载组合十其他组合（恒载十沉降十基础变位十汽车十人群十温度十风荷载）。中塔鞍座处主缆最大不平衡水平力由汽车、人群纵向偏载作用产生。边塔处主缆最大不平衡水平力由温度变形和汽车、人群纵向偏载作用产生。

 由于本桥的桥型、塔型方案已定，跨度、塔高受限。因此在设计过程中，本文分别采用不同材料的主塔、跨中加锁扣以及主索鞍和主塔不同的连接方式来进行抗滑移验算。

施工图设计阶段对鞍槽抗滑移进行详细的计算，在无试验研究成果的情况下，参照《公路悬索桥设计规范报批稿》的规定，鞍槽与主缆之间摩擦系数保守取0. 15，抗滑安全系数不小于2.0。鞍槽内主缆抗滑移安全系数：

式中：u为主缆与鞍座或隔板间的摩擦系数，一般取值0. 15；a，为主缆在鞍槽上的包角；F。。为主缆紧边拉力，F。，为主缆松边拉力。

2.1.1三塔锁定体系

 主缆鞍座和主塔锁定，在锁定体系的基础上，又比较计算了中塔采用钢结构、主跨跨中设索扣和三塔采用钢结构加索扣的3种结构。

 对于主索鞍与主塔锁定方式，主缆的不平衡水平力直接由主塔承担，索鞍与塔顶水平位移始终保持一致。当主缆的不平衡水平力增大时，主塔将受到较大的水平力作用，塔顶水平位移也增大，从而影响主缆的线形与受力，并最终达到新的平衡状态。

 (1)三塔均采用混凝土结构。三塔采用刚性混凝土结构时，当摩擦系数u=0.  15时，在恒十活载组合作用下中塔的K均小于1.3，边塔的K均大于2；在恒十活十其他组合作用下，中塔的K均小于1.4，边塔的K均小于1.7。

 (2)中塔采用钢结构十边塔采用混凝土结构。为节约篇幅，本文仅显示计算结果。经过计算，当摩擦系数u=0. 15时，中、边塔安全系数K均达不到2。

 (3)三塔均采用混凝土结构十主跨跨中加索扣。经过计算，当摩擦系数u=0.  15时，中、边塔安全系数K均达不到2。

 (4)三塔均采用钢结构十主跨跨中加索扣。经过计算，当摩擦系数u=0. 15时，中、边塔安全系数K均达不到2。

2.1.2  中塔有限位移十边塔锁定体系

 对于允许主索鞍有限位移方式，当塔顶处左右两侧主缆产生不平衡水平力时，为达到受力的平衡，索鞍将向主缆水平分力较大的一侧移动，从而使主缆线形与受力发生改变，以达到新的平衡状态。若不平衡力较小，索鞍产生的水平滑移量小于限制位移，即索鞍不与主塔顶的挡块接触，那么主塔将不会受到主缆不平衡水平力的作用。主缆不平衡力随着索鞍的移动而减小，当达到新的平衡状态时，主缆不平衡力消失。而当主缆不平衡水平力较大时，索鞍的水平位移量将可能达到限制位移，之后受到挡块的约束，将这一不平衡力传给主塔，从而影响结构的受力与变形。

 主塔采用刚性混凝土结构，边塔的主缆和鞍座、散索鞍座体间无相对滑动。中塔主索鞍座座体下设钢辊轴支座，座体两端设限位挡块，保证有限位移量为±20 cm。

 经过计算，当摩擦系数u=0. 15时，中塔在各种工况下安全系数K均大于2，边塔K达不到2。

2.1.3三塔有限位移体系

主塔采用刚性混凝土结构，主缆和鞍座、散索鞍座体间无相对滑动。主索鞍座座体下设钢辊轴支座，座体两端设限位挡块，保证中塔有限位移量为±20 cm，边塔为±5 cm。中、边塔抗滑验算见表1、表2。

 由表1可知，在摩擦系数u=0. 15时，在各种工况下，中、边塔安全系数K均大于2。

为满足抗滑移安全系数式(1)要求，塔顶鞍座设计采用有限位移体系，通过鞍座底辊轴实现和主塔相对位移。原设计鞍座构造见图2。

2.2抗滑移中摩擦系数、安全系数的取值

 美国对George Washington桥和Forth Road桥进行了实桥鞍座摩擦系数的测定，2座桥鞍座与主缆间的摩擦系数为0.3。室内主缆与鞍座摩擦系数的试验中，美国Delaware River桥摩擦系数试验结果为0. 19～0.21。日本彩虹桥对主缆与鞍座间的摩擦机理和提高抗滑移的措施进行了试验，试验采用132根直径5 mm的镀锌钢丝，试验结果显示：鞍槽表面打磨后进行试验与打磨后涂富锌底漆进行试验测得的u值基本相同，平均为0. 33;鞍槽表面喷锌后测得的u提高了近50%，平均为0. 48。我国阳逻大桥也开展过三塔悬索桥中塔索股抗滑移试验，采用1束127丝直径为5. 35 mm的热镀锌钢丝，按照实际主鞍的一个鞍槽按1:1比例设计制作鞍槽模型。试验结果显示：鞍槽内表面的u值平均为0. 328;鞍槽表面喷锌后u值为0. 286;试验还采用直径为0.5 mm的碳素钢丝模拟主缆索股16束，主鞍按1：10比例制作模型，测定主缆索股相对主鞍槽滑移时的摩擦系数u平均为0. 32。

 前述的试验中，采用的一束索股进行的试验，不能模拟实桥中多索股之间，以及索股受力内部钢丝之间的挤压。泰州长江大桥分别进行了对单股、多股主缆和中主鞍座间抗滑移实验研究，根据单索股滑移试验结果，3组试验测试得到鞍座与索股之间的摩擦系数分别为0. 302，0.326，0. 391；多束股滑移试验中，3组试验测试的鞍座与索股之间的摩擦系数分别为0. 521，0.535和0. 535。根据试验结果，该桥设计取值：摩擦系数u=0.2，抗滑移安全系数K =2.O。

 日本的的小西一郎在《钢桥》中曾描述华盛顿桥实测的情况，认为u取0.2已足够安全。根据《欧洲规范3-钢结构设计》，钢丝与鞍槽之间的抗滑安全系数推荐取值为1. 65，且可通过增大夹紧力提高抗滑能力。《铁路桥梁钢结构设计规范》在高强度螺栓的容许抗滑承载力计算公式中，采用的安全系数K为1.7。鉴于本螺洲桥跨度较小，无论在规模、跨径方面均无法与阳逻、泰州等大桥相比，且不平衡力加载工况为极端工况，因此，参照国内外现行有关规范中关于摩擦力检算的安全系数、同类桥梁试验研究成果和相关文献资料，螺洲大桥主桥鞍槽和主缆抗滑移检算建议采用下列指标：主缆与鞍座鞍槽间摩擦系数u=0.2；抗滑移安全系数：K =1. 65。

为了提高u，螺州大桥鞍槽（见图3）内表面须喷锌处理，厚度不小于200 um；主鞍座内设置4道纵向隔片，隔片表面全部喷锌处理，锌层厚度不小于200um，隔片将主缆隔成5列，包括鞍槽侧壁与纵向隔片在内总共11个侧向摩擦面；采用锌块、压板以及高强螺栓组合措施对主缆竖向加压；同时为提高鞍座的侧向压力，采用12根M36的高强螺栓对鞍槽处主缆进行夹紧。

主缆抗滑移检算采用建议的指标进行验算，三塔均采用混凝土主塔，且鞍座在成桥运营状态锁定时的安全系数均大于1. 65，满足设计要求。中、边塔的抗滑验算表见表3、表4。

2.3索鞍的优化

对于多塔悬索桥来说，控制结构的变形很重要，为减小主梁挠度可采用主索鞍固结方式，而此时主缆不平衡水平力将随之增大，对主缆的抗滑安全及主塔受弯较为不利。虽然采用主索鞍有限位移方式能有效减小这一不利影响，但主索鞍有限位移装置构造复杂，造价较高，且运营期间维护难度较大。因此，综合考虑结构受力、耐久性以及经济性等因素选择主索鞍固结方式的约束体系。以摩擦系数u=0.2、抗滑移安全系数K=l. 65为基础，对主桥3个塔处鞍座进行优化设计，同时对鞍槽内表面进行喷锌涂层处理以增大摩擦力。优化后的主鞍座构造见图4。

3结论

 (1)与三塔地锚式悬索桥不一样，三塔自锚式悬索桥边、中塔鞍座主缆抗滑移同样非常重要。

 (2)对原索鞍设计方案分别采用不同材料的主塔、跨中加锁扣，以及主索鞍和主塔不同的连接方式来进行抗滑移验算。结果表明当摩擦系数u=0. 15时，只有三塔均采用有线位移体系时，各工况下中、边塔安全系数K才大于2。

 (3)参照国内外现行有关规范中关于摩擦力检算的安全系数、同类桥梁试验研究成果和相关文献资料，螺洲大桥主桥鞍槽和主缆抗滑移检算建议采用下列指标：主缆与鞍座鞍槽间摩擦系数：u=0.2，抗滑移安全系数：K=1. 65。

 (4)综合考虑结构受力、耐久性以及经济性等因素，螺洲大桥最终选择主索鞍锁定方式的约束体系。