□文/王洪龍 李 佶
主索鞍是懸索橋索塔頂端支撐主纜的重要部件,作用是將主纜的巨大豎向壓力均勻傳至索塔上,同時也可使主纜平緩地在塔頂過渡,減小由主纜方向改變造成的彎曲應(yīng)力并形成優(yōu)美的主纜線形[1~2]。
主索鞍不只要承受主纜對承纜槽的豎向壓力荷載,同時還要承受由主纜擠壓產(chǎn)生的側(cè)向壓力,承纜槽與主纜索股之間是空間曲面接觸,索鞍結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜的空間受力狀態(tài)中。主索鞍的縱肋用于抵抗豎向壓力荷載,承纜槽側(cè)壁和橫肋用于抵抗側(cè)向壓力荷載[3]。
某橋結(jié)構(gòu)較為新穎,是自錨式懸索斜拉協(xié)作體系,雙索面布置。主梁采用鋼梁,橋塔采用門式橋塔,梁體豎向荷載由斜拉索、纜索承擔(dān),主梁水平力由主梁抵抗。主跨為450 m,主纜橫向布置2根,垂跨比1/14,主纜采用68股通長索股組成,每股為127絲直徑5.0 mm平行鋼絲索股。主索鞍長3 m、寬2.4 m、高2.08 m,見圖1。
圖1 主索鞍構(gòu)造
先將鞍槽內(nèi)的索股及隔板就位并調(diào)股,然后用鋅塊填滿,再用拉桿將鞍槽側(cè)壁拉緊。在鞍體下面設(shè)置聚四氟乙烯滑板以減輕摩擦力,更好地適應(yīng)施工中的相對位移。為方便吊裝,主索鞍分為兩部分制造,吊裝就位后再用高強(qiáng)螺栓聯(lián)成整體。
根據(jù)《公路懸索橋設(shè)計(jì)細(xì)則》(征求意見稿)12.3.3條,主纜抗滑安全系數(shù)K應(yīng)滿足
式中:μm為主纜與槽底或隔板間的摩擦因數(shù),一般取0.2;αs為主纜在鞍槽上的包角,rad;Fct為主纜緊邊拉力,N;Fcl為主纜松邊拉力,N。
根據(jù)主索鞍設(shè)計(jì)圖紙及全橋縱向受力分析,主纜在鞍槽上的包角為0.483 rad,主纜緊邊拉力為12 543 kN,主纜松邊拉力為12 181 kN,將數(shù)據(jù)代入式(1)可得K=3.30,所以該橋的主纜抗滑滿足要求。由于垂跨比、包角均較小,建議采用構(gòu)造措施,如壓緊裝置增加摩擦力。
主索鞍構(gòu)件是一個復(fù)雜的三維受力空間結(jié)構(gòu),鞍槽部分受到主纜索股的向心壓力、主纜索股的側(cè)向壓力及側(cè)向壓力產(chǎn)生的彎矩等,因此空間有限元分析計(jì)算方法的應(yīng)用在索鞍構(gòu)件的設(shè)計(jì)時是必要的[4]。通過空間有限元分析,可對索鞍構(gòu)件整體的應(yīng)力水平有一個宏觀的把握,可對索鞍構(gòu)件中各個板件布置的合理性有一個綜合的評價(jià)。
纜力對鞍體作用力的模型見圖2,縱向按單位長度計(jì)。
圖2 鞍槽受力圖式
式中:fsr為索鞍上各列索股的向心壓力,N/mm;Fc為主纜力,取邊跨纜力和中跨纜力中的較大值,N;n為該列索股根數(shù);ns為單根主纜中索股總數(shù);rv為承纜槽圓弧半徑,mm。
最高索股頂至h處的側(cè)向壓力
式中:μ為鋼絲間摩擦系數(shù),一般取0.15;b為槽路寬度,mm;fv為中央列索股單位體積豎向力,N/mm3。
式中:nSC為中央列索股股數(shù);H為中央列索股總高度,mm。
根據(jù)以上公式可以計(jì)算得承纜槽底面和側(cè)面的壓力,然后加載到Abaqus模型中。
首先用三維繪圖工具將索鞍模型繪制出來,然后導(dǎo)入到Abaqus中。網(wǎng)格以實(shí)體單元劃分,模型共計(jì)133 278個C3D10(三維十節(jié)點(diǎn)四面體)單元,見圖3。
圖3 主索鞍計(jì)算模型
計(jì)算結(jié)果給出鞍座和應(yīng)力云圖和各部分應(yīng)力最值數(shù)據(jù),由于索鞍由鑄鋼材料制作且處于復(fù)合壓應(yīng)力作用環(huán)境下,因此取Von-Mises應(yīng)力進(jìn)行分析。
以兩種最不利工作狀態(tài)分別計(jì)算:在空纜纜力作用下未安裝拉桿;在最大纜力作用下張緊側(cè)壁拉桿。計(jì)算結(jié)果見圖4和圖5。
圖4 空纜纜力作用下索鞍鞍體應(yīng)力
圖5 最大纜力作用下索鞍鞍體應(yīng)力
高應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)承纜槽底部與縱肋連接部位以及縱肋與底板連接部位。見表1。
表1 Mises應(yīng)力最大值 MPa
從表1可以看出,該橋主索鞍的應(yīng)力結(jié)果分布較為均勻,相比于鞍體鑄鋼部分容許應(yīng)力還有相當(dāng)?shù)陌踩珒洹?/p>
經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),索鞍高應(yīng)力區(qū)集中在索鞍各部件的連接部位。本計(jì)算主索鞍構(gòu)件受力符合規(guī)范要求,但安全儲備較大,各板件厚度仍有優(yōu)化空間??梢?,雖然索鞍構(gòu)件是一個受力復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu),但在合理設(shè)置各個板件情況下,索鞍受力可以達(dá)到比較理想的效果。