威海雙島灣科技城一號橋主索鞍設計

黃振興

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 概 述

威海雙島灣科技城一號橋位于雙島灣西岸環灣路上，智慧島東南側，河道規劃寬度為270 m，橋長 280 m，寬30 m，橋梁采用跨徑布置為（31.5+38.5+158+38.5+31.5）m=298 m的雙索面自錨式懸索橋，半漂浮體系。加勁梁主跨為雙邊箱鋼混組合梁，邊跨為雙邊箱預應力混凝土梁；橋寬31 m，中心梁高2.5 m；主塔為混凝土結構；基礎采用鉆孔灌注樁（見圖1）。

2 主索鞍的結構形式

2.1 按傳力方式分類

按主索鞍的傳力途徑可分為兩類：外殼直接傳力式和肋板間接傳力式。外殼直接傳力式主索鞍主要適用于柔性塔，如鋼塔。鋼塔一般由箱形薄壁鋼構件組合而成，主索鞍的縱肋板與底板傾斜布置，主纜的壓力通過鞍頭、斜縱肋直接傳遞到鋼塔的塔壁上（見圖2）。日本修建的大部分懸索橋都采用鋼索塔，因此所采用的主索鞍基本上是外殼直接傳力式。

圖2 外殼直接傳力式主索鞍

肋板間接傳力式主索鞍更適合于剛性索塔，如混凝土索塔。鞍頭下的縱橫肋與底板垂直（或稍有傾斜）布置，主纜的壓力通過縱橫肋、底板傳遞到塔頂上（見圖3）。我國目前已建成的懸索橋均采用混凝土索塔，因此主索鞍的結構形式都采用縱橫肋間接傳力式。

圖3 肋板間接傳力式主索鞍

2.2 按制作方式分類

按主鞍座的制作方式可分為四類：全鑄式、全焊式、鑄焊式、組合式。

全鑄式主索鞍是將鞍頭、鞍體及底板作為一整體鑄造出來的鑄件,經過熱處理、機械加工制作完成。全鑄式主索鞍工藝比較單一,制造周期也相對較短。但由于鑄造工藝的要求,當鞍座的尺寸、重量較大時，會給后序的機械加工造成困難。廈門海滄大橋、西陵長江大橋都是采用全鑄式主索鞍。

全焊式主索鞍的制作材料均為厚鋼板，無論是鞍頭、鞍身和底板，均由厚鋼板焊接而成。鞍座的重量相對較小，用鋼量小。但鞍槽部分的結構大多為半徑很大的階梯圓弧，各部分所需厚度相差較大，焊接工藝復雜,只有少數橋梁采用了這種制作方式，如土耳其的博斯布魯斯橋、英國的塞文橋等。在使用中，塞文橋又由于主索鞍剛度不足，進行過加固處理。

鑄焊式主索鞍吸取了全鑄式和全焊式這兩種制作方式的優點：鞍頭部分形狀復雜,采用鑄鋼鑄造成型；鞍體、底板等結構比較簡單的構造采用鋼板焊接成型；較好地利用了兩種制造方法的優勢，解決了簡化制造工藝與材料合理利用之間的矛盾。主索鞍鞍頭一般采用ZG275-485H焊接鑄鋼鑄造成型，鞍體、底板一般為厚鋼板焊接而成。國內及日本大型懸索橋均采用這種構造形式。

組合式是近年來出現的一種主索鞍結構形式，主索鞍由多組厚鋼板通過高強拉桿連接而成。鋼板厚度與索股寬度相等,隔板位于兩厚鋼板之間,橫肋與底板及鞍槽壁相焊接,組合后加工槽道。這種形式結構簡單、制造方便,避免了周期較長的鑄造工序，減少了焊接施工。組合式主索鞍目前只應用于一些小跨徑的橋梁。瀾滄江橋采用的就是這種結構形式。

2.3 按組成方式分類

按照鞍體的結構組成方式可以分為兩種：整體式和分體式。

由于主索鞍需安裝在塔頂,鞍體的整體重量受到了吊裝能力的限制,單件重量50 t以下的鞍座可以做成一體,為整體式。單件重量50 t以上的鞍座可以沿縱向分為2～3塊,塊與塊之間用高強螺栓連接。鞍槽和底板的加工需拼裝成一個整體,以保證鞍槽線形平順。安裝時分塊吊到塔頂，再拼裝成一體。

3 主索鞍的結構設計

懸索橋索鞍和主纜施工過程包含以下過程：主塔施工完成后，吊裝主索鞍到主塔頂面以及在錨錠處安裝散索鞍，然后用AS法或PWS法架設主纜，此時主纜以空纜纜力作用在索鞍上；安裝并張拉錨固索鞍鞍槽上方的拉桿，以抵消主纜擠壓壁槽產生的部分側向力；繼續架設主梁直至竣工運營，此時主纜纜力變為成橋運營階段的纜力。

索鞍存在兩個最不利的受力狀態，即拉桿未安裝時的空纜纜力狀態和運營階段的最大纜力狀態（以下簡稱為空纜狀態和成橋狀態）。

3.1 鞍頭

鞍頭部分的主要構造是放置主纜索股的承纜槽，承纜槽是開口槽，槽底部是與所放置的索股形狀相適應的縱向弧形槽路，槽路的橫斷面根據索股的排列多呈方形臺階狀槽，臺階槽之間設置隔板將每列索股隔開（見圖4）。

圖4 主索鞍的鞍頭斷面（單位：mm）

3.2 鞍身

鞍身為支撐鞍頭的骨架，主要由縱、橫肋和底板組成，并與鞍頭上的縱、橫肋相適應。鞍座縱肋貫通鞍體整個縱向，縱肋可以是一條或兩條。橫肋的設置可以是豎向的，也可以是向心的。底板是整個鞍體的支撐，它與縱、橫肋相連，使底板各部形成三邊支撐的矩形板式結構來傳遞所承受的力。

主索鞍長3 454 mm，寬1 600 mm，高1 865 mm，曲面的豎向圓弧半徑為2 500 mm，總重約17.7 t，加勁肋板厚60 mm，平面徑向布置，縱向共布置9道。承纜槽側壁厚130～156 mm，7根預緊拉桿。具體尺寸如圖5所示。

圖5 主索鞍總體布置圖（單位：mm）

3.3 上、下承板

上、下承板是鞍體與索鞍底座格柵之間的傳力結構，上、下承板之間設頂推滑動摩擦副，因此也是主索鞍結構中的重要構造。下承板是上承板的對偶構件，也是雙面精加工的整塊厚鋼板。在下承板頂滑移面兩外側，設有滑移導向構造，以確保頂推施工的順利實施。

3.4 底座格柵

為使混凝土結構的索塔塔頂能為主索鞍提供一個較高精度的安裝平面，并保證橋梁在施工期間塔頂具有較高的抗剪能力，在運營期間具有足夠的抗壓強度，混凝土結構的索塔塔頂應預埋一個鋼制的底座格柵，并將其與索塔中的結構鋼筋相連，澆筑混凝土使其與塔冠成為一體，有效地將主纜壓在主索鞍上的巨大豎向力均勻、可靠地傳遞到索塔中。

底座格柵通常為一個大型鋼結構件，可為焊接結構件，也可為鑄鋼件。底座格柵的頂面即是下承板的安裝平面，應進行全平面的機械加工，以達到滿足定位、傳力要求的相應精度。

4 主索鞍的強度計算

計算結果給出鞍座的應力云圖和各部分應力最值數據。由于索鞍由鑄鋼材料制作，且處于復合壓應力作用環境下，因此取Von-Mises應力進行分析。

4.1 空纜狀態

空纜狀態主索鞍結構應力云圖如圖6～圖8所示。

4.2 成橋狀態

成橋狀態主索鞍結構應力云圖如圖9～圖11所示。

圖6 空纜狀態鞍座主體部分應力云圖（單位：MPa）

圖7 空纜狀態鞍座橫肋板應力云圖（單位：MPa）

圖8 空纜狀態鞍座底板應力云圖（單位：MPa）

圖9成橋狀態鞍座主體部分應力云圖（單位：MPa）

圖10 成橋狀態鞍座橫肋板應力云圖（單位：MPa）

圖11 成橋狀態鞍座底板應力云圖（單位：MPa）

5 結 語

從應力云圖上看，高應力區主要出現在鞍槽底部與索股的接觸面、加勁肋與鞍體的連接部位、縱橫向加勁肋之間的連接部位，以及索鞍的底座部分、拉桿拉緊的接觸面上。

表1 索鞍Von-Mises應力最值表

從表1中數據可以看出，該橋主索鞍各部分的應力結果較為均勻。成橋狀態鞍槽主體應力最大值為125 MPa，橫肋應力最大值為131 MPa，這個結果是因為出現局部應力集中現象，可適當通過圓角處理的方式解決這個問題。

經過對計算結果的分析和比較發現，高應力區都集中在連接部位和接觸部位，隨著遠離接觸點，應力迅速下降，這是符合圣維南原理的。Von-Mises應力作為Von-Mises屈服準則的一部分，能夠很好地反映索鞍結構的受力狀態。

對結構如此復雜的索鞍進行實體有限元分析能夠直觀地反映出其應力狀況。該次計算索鞍鞍槽和縱橫向加勁肋尺寸設計都較合理，因此應力結果較為均勻，基本滿足規范要求。