某悬索桥索夹空间受力分析

５８　世界桥梁　２０１５，４３（５）　某悬索桥索夹空间受力分析　陈国红　，刘　文　。宋晓莉　。黎志忠　（１．山东省交通规划设计院，山东济南２５００３１；　２．四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都６１００４１）　摘要：桃花峪黄河大桥主桥为双塔自锚式钢箱梁悬索桥，索夹采用上下对合的销接式结构，由上半部、下半部（含耳板）及螺　杆等构成。为了解该桥主缆一索夹构造的受力特性，选取典型索夹为研究对象，采用ＡＮＳＹＳ建立主缆与索夹空间局部有限　元模型，对索夹各板件的受力状况、应力扩散规律进行分析研究，并与简化公式结果对比验证。结果表明：在不利荷载作用　下，该桥索夹各钢构件应力均满足规范要求，应力在各板件问传递流畅；上半部索夹圆弧段环向拉应力与简化公式计算结果　吻合较好；主缆与上半部索夹圆弧段接触面压应力约为简化公式计算值的８５　，主缆与下半部索夹接触面压应力沿主缆方向　分布明显不均匀，呈“Ｖ”形分布，设计时应考虑其不利影响。　关键词：悬索桥；主缆；索夹；受力分析；Ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ应力；径向应力；环向拉应力；有限元法　中图分类号：Ｕ４４８．２５；Ｕ４４３．３７　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１～７７６７（２０１５）０５—００５８—０５　１　前　言　杆夹紧于主缆上，接缝处嵌填橡胶防水条防水。索　悬索桥的桥面荷载通过吊索和索夹传递给主　夹材料为牌号ＺＧ２０Ｍｎ的低合金钢铸件，壁厚为４ｏ　缆，索夹的传力及受力特性直接关系全桥运营状况，　ｒｌｌｍ，内径为４０３　ｍｍ，螺杆材质为４０ＣｒＮｉＭｏＡ。　是设计的关键部位之一＿１　］。常用的索夹形式有水　皇亘　平对合型和上下对合型，水平对合型索夹一般应用　于骑跨式吊索，上下对合型索夹一般应用于销铰式　吊索。目前，索夹的设计计算基本沿用国外成果，采　用简化公式对索夹抗滑移及索夹拉应力进行验算，　取较大的安全系数来满足结构安全度　］。为更好地　掌握索夹的局部受力特点，本文依托桃花峪黄河大　桥主桥工程，对吊索索夹进行局部空间有限元分析，　分析该桥索夹的传力特点及受力特性。　２工程概况　ｌ　１．　单位：ｌＩｌｌＩｌ　武西高速桃花峪黄河大桥位于郑州市西北，于　郑州市与焦作市交界处跨越黄河。主桥为（１６０＋　图１典型索夹构造　４０６＋１６０）ｍ双塔自锚式钢箱梁悬索桥，主缆采用　高强度镀锌钢丝预制平行索股，每根主缆由３７根索　３数值计算模型　股组成，在中跨的矢跨比为１／５．８。吊索基本间距　选取中跨某索夹为研究对象（见图１），该索夹　为１３．５　Ｉｎ，桥塔两侧的吊索距桥塔中心线１４　ｍ，两　长１　２５０　ｍｍ，共布置有１２根螺杆，螺杆间距为２１０　侧边跨分别设置１０对吊索，中跨设置２９对吊索。　ｍｍ，索夹倾角为２４．４１６。。采用ＡＮＳＹＳ建立局部　吊索采用平行钢丝吊索，每个吊点设２根吊索。索　空间有限元模型，索夹、主缆采用实体单元　夹采用上下对合的销接式结构（见图１），由上半部　（Ｓｏｌｉｄｉ８６）模拟，主缆与索夹间采用接触单元模拟，　索夹、下半部索夹（包括耳板）及螺杆等构成，通过螺　接触单元的摩擦系数取０．１５［５　］。悬索桥主缆由多　收稿日期：２０１５—０６—０１　作者简介：陈国￣￣（１９８３一），男，工程师，２００５年毕业于长沙理工大学公路与城市道路工程专业，工学学士，２００９年毕业于同济大学桥梁与隧　道工程专业，工学硕士（Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｇｕ０ｈ０ｎｇ１ｑ＠１２６．ｃｏｒｎ）。　６０　世界桥梁　２０１５，４３（５）　处（Ａ点）主缆径向压应力约一１２．５　ＭＰａ，与简化计　算公式结果比较接近；下半部索夹内侧底面处（Ｂ　点）主缆径向压应力约一１５．７　ＭＰａ；上、下半部索夹　比较图５及图６可知，吊索索力是引起下半部　２　ｏ　咱吨圳　珈　索夹侧主缆外表面径向压力分布不均匀的根本原　因；此外，吊索索力也降低了约１Ｏ　的上半部索夹　侧主缆外表面径向压应力。　结合处（Ｃ点）压应力约一１８．５　ＭＰａ；下半部索夹下　表面圆弧渐变处（Ｄ点）压应力约一５．０　ＭＰａ。　螺杆预紧力与吊索索力共同作用下，上、下半部　索夹侧主缆外表面平均径向应力沿主缆方向分布如　螺杆预紧力与吊索索力共同作用下，３／４索夹　处（Ｚ－－０．９４　ｍ）主缆外表面径向应力分布如图５所示。　图７所示。　垒　＼　上　毯　坐　匠　部　索　露　夹　侧　恒　螺　０．１８３ｅ＋０８—０．１４９ｅ＋０８—０．１１６ｅ＋０８—０．８１６ｅ＋０７－０．４７８ｅ＋０７　－０．１６６ｅ＋０８－０．１３２ｅ＋０８—０．９８６ｅ＋０７—０．６４７ｅ＋０７—０．３０８ｅ＋０７　单位：Ｐａ　图７螺杆预紧力与吊索索力共同作用下，上、下半部累　夹侧主缆外表面平均径向应力沿主缆方向的分布　图５　螺杆预紧力与吊索索力共同作用下，３／４索夹处　主缆外表面径向应力分布　由图７可知，上半部索夹侧主缆径向平均应力　由图５可知，在螺杆预紧力和吊索索力共同作　约为１１　ＭＰａ，与上半部索夹内侧顶点应力（图６中　用下，３／４索夹处主缆外表面径向压力在下半部索　Ａ点）非常接近，为简化公式计算值的８５　；下半部　夹分布明显不均匀。　索夹侧主缆径向平均应力沿主缆方向呈“Ｖ”形分　主缆外表面Ａ～Ｄ四点径向应力沿主缆方向分　布，应力值要小于上半部索夹侧；沿主缆方向积分可　布如图６所示。　得出下半部索夹的总径向力为６　９０４　ｋＮ，在摩阻系　数为０．１５的情况下可提供的摩阻力约为ｌ　０３６　∞　ｋＮ，略大于吊索索力沿主缆方向的分力，可避免下　皇　半部索夹脱空。以上计算表明，采用简化公式进行　翻　厦　索夹的抗滑移验算可行，但对于上下对合型索夹应　旧　单独验算下半部索夹是否脱空。　竖　螺　４．３索夹环向（沿壁厚方向）拉应力计算及分布　螺杆预紧力作用下，在索夹中部产生横桥向拉　应力。根据参考文献Ｅ３］、Ｅｓ］～Ｅｌｏ］，其简化公式为　１：Ｐ／（Ｌｔ）一５５０　ｋＮ／（ｏ．２１　ｒａ　Ｘ　０．０４　ｍ）一６５．５　图６螺杆预紧力与吊索索力共同作用下。主缆外表面　ＭＰａ，式中Ｐ为单根螺杆的预紧力，Ｌ为螺杆的基　Ａ～Ｄ四点径向应力沿主缆方向的分布　本间距，ｔ为索夹壁厚。　由图６可知，上半部索夹侧主缆径向压应力分　仅螺杆预紧力作用下，索夹中心处（Ｚ一０．６３　布比较均匀（最外侧螺杆至索夹端部区域除外），内　ｍ）环向（沿壁厚方向）应力分布如图８所示。　侧顶面处（Ａ点）压应力约为一１１　ＭＰａ，上、下半部　由图８可知，索夹圆弧部位受拉，螺杆区域受　索夹结合处（Ｃ点）压应力约一１８．５　ＭＰａ；下半部索　压，索夹耳板区域受力微小；上半部索夹圆弧段受　夹侧主缆径向压应力分布呈“Ｖ”形分布，越靠近底　拉，在顶部６Ｏ。范围（Ｅ点附近）以受拉为主，在圆弧　部趋势越明显，下半部索夹内侧底面处（Ｂ点）在索　过渡处（Ｇ点附近）受拉弯作用，且外表面环向拉应　夹中部压应力达到一１４　ＭＰａ，下半部索夹下表面圆　力大于内表面；下半部索夹在圆弧段（Ｆ点附近）受　弧渐变处（Ｄ点）在索夹中部压应力约一５．５　ＭＰａ，　拉，在圆弧过渡处（Ｈ点附近）受拉弯作用，外表面　下半部索夹端部局部区域压应力接近零。　环向拉应力明显大于内表面，且弯曲效应大于Ｇ点。　６２　世界桥梁　２０１５，４３（５）　式的８５　来进行索夹的抗滑移验算，对于下半部索　北京：人民交通出版社，２００５．　夹则偏差较大，下半部索夹径向应力沿主缆方向呈　“Ｖ”形分布；吊索索力是引起下半部索夹侧主缆外　表面径向压应力分布不均匀的根本原因，建议设计　时下半部索夹的抗滑移安全系数应大于１，避免下　［３］盂凡超，王仁贵，徐国平，等．悬索桥［Ｍ］．北京：人民交　通出版社，２０１ｉ．　［４］郑宪政．螺栓竖向紧固型缆索索箍受力特性及设计准则　研究［Ｊ］．桥梁建设，２００８，（２）：５６—５９．　［５］赵承新，严敏兰，张安户，等．洪都大桥索夹抗滑试验研　究口］．世界桥梁，２０１３，４１（１）：６４—６８．　［６］舒思利，王忠彬．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．　半部索夹脱空后索夹及主缆的耐久性能降低。　（３）索夹圆弧段环向基本处于轴向受拉状态，　在圆弧过渡段则处于弯拉受力状态；采用简化公式　ｄ　一Ｐ／（Ｌ　）计算上半部索夹圆弧段的环向拉应力　［７］黎志忠，蒋劲松．悬索桥上、下对合型索夹结构分析研究　可行，但圆弧过渡段拉应力因未考虑螺杆偏心引起　［Ｊ］．桥梁建设，２０１３，４３（３）：６Ｏ一６５．　的附加弯矩的影响，设计时应相应提高安全系数。　［８］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．　参　考　文　献：　［９］阮坤，陈作银，陈冠桦．基于悬索桥修正成桥线形的索　［１］胡建华．现代自锚式悬索桥理论与应用［Ｍ］．北京：人　夹弯曲应力分析［Ｊ］．世界桥梁，２０１１，（６）：４６—４９．　民交通出版社，２００８．　［１Ｏ］任洪田，赵立哲，自福军．悬索桥主缆索夹抗滑试验及　［２］吴胜东．润扬长江公路大桥建设（第三册）：悬索桥ＥＭ］．　应力测试分析＿Ｊ］．北方交通，２００９，（３）：７４—７６．　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｐａｔｉａｌ　Ｌｏａｄ　Ｂｅａｒｉｎｇ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　Ｃａｂｌｅ　Ｃｌａｍｐｓ　０ｆ　Ａ　Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　Ｂｒｉｄｇｅ　ＣＨＥＮ　Ｇｕｏ－ｈｏｎｇ　，ＬＩＵ　Ｗｅｎ　，ＳＯＮＧ　Ｘｉａｏ－ｌｉ　，ＬＪＺｈｉ—ｚｈｏｎｇ。　（１．Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉｎａｎ　２５００３１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｓｕｒｖｅｙ，　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｅｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００４１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｂｒｉｄｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｔａｏｈｕａｙｕ　Ｈｕａｎｇｈｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｉｓ　ａ　ｓｅｌｆ－ａｎｃｈｏｒｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｂｏｘ　ｇｉｒｄｅｒ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｂｒｉｄｇｅ．Ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ　ｃｌａｍｐｓ　ａｒｅ　ｐｉｎ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｏｒｎ—　ｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　ａｎ　ｕｐｐｅｒ　ａｎｄ　ａ　Ｉｏｗｅｒ　ｈａｌｖｅｓ（ｗｉｔｈ　ｅａｒ　ｐｌａｔｅｓ）ａｎｄ　ｓｃｒｅｗ　ｒｏｄｓ．Ｔｏ　ｅｘａｍｉｎｅ　ｔｈｅ　Ｉｏａｄ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃａｂｌｅ—ｃａｂｌｅ　ｃｌａｍｐｓ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｃａｂｌｅ　ｃｌａｍｐｓ　ａｒｅ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｂｊｅｃｔｓ．ＡＮＳＹＳ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｌ　ｓｐａｔｉａｌ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃａ—　ｂｌｅｓ　ａｎｄ　ｃａｂｌｅ　ｃｌａｍｐｓ，ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｌａｗ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ　ｃｌａｍｐ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｏｓｅ　ｇａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｆｏｒｍｕｌａ　ａｎｄ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｆｉｎｄｉｎｇｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ａｎｄ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ　ｔｈａｔ　ｕｎｄｅｒ　ｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　ｅａｃｈ　ｓｔｅｅｌ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ　ｃｌａｍｐ　ａｌｌ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｃｏｄｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｓｔｒｅｓｓ　ｔｒａｎｓｆｅｒｓ　ｓｍｏｏｔｈｌｙ　ａｍｏｎｇ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｌｏｏｐ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｒｃ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｈａｌｆ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ　ｃｌａｍｐ　ｉｓ　ｉｎ　ｇｏｏｄ　ａｇｒｅｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｆｏｒｍｕｌａ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃａ—　ｂｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｈａｌｆ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ　ｃｌａｍｐ　ｉｓ　ａｂｏｕｔ　８５　９／６　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｖａｌｕｅ．Ｗｈｅｒｅａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｎ—　ｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃａｂｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｈａｌｆ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ　ｃｌａｍｐ　ｅｘ—　ｈｉｂｉｔｓ　ｕｎｅｖｅｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｔｏｗａｒｄｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃａｂｌｅ，ｂｅｉｎｇ　Ｖ—ｌｉｋｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｗｈｉｃｈ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｂｒｉｄｇｅ；ｍａｉｎ　ｃａｂｌｅ；ｃａｂｌｅ　ｃｌａｍｐ；ｌｏａｄ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ　ｓｔｒｅｓｓ；ｒａｄｉａ１　ｓｔｒｅｓｓ；ｌｏｏｐ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｓｓ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　（编辑：赵兴雅）