平行鋼絲索股與主鞍座抗滑移試驗研究與分析

張田湉

摘要：溫州甌江北口大橋是國內首座三塔四跨雙層鋼桁梁懸索橋，中塔為A型框架混凝土塔。與傳統的兩塔懸索橋相比，三塔懸索橋中間主塔設計及其上主鞍座內主纜絲股抗滑移安全是整個結構設計的重點與難點。本文通過試驗研究主纜與鞍座頂面和側面、索股與豎向及水平隔板間摩擦力的關系，為主纜與鞍座間的摩擦機理研究及檢驗實際設計鞍座在全壽命期間的主纜與鞍座的摩擦力提供支撐。

Abstract： Wenzhou Oujiang North Port Bridge is the first three-tower and four-span double-span steel truss suspension bridge in China. The middle tower is an A-frame concrete tower. Compared with the traditional two-tower suspension bridge， the design of the middle main tower of the three-tower suspension bridge and the anti-sliding safety of the upper main cable strand main saddle are the key points and difficulties of the whole structure design. In this paper， the relationship between the top and side of the main cable and saddle and the friction between the cable strand and the vertical and horizontal partitions are studied experimentally， to provide support for the research on friction mechanism between main cable and saddle and the test of the friction between the main cable and the saddle during the life of the actual design saddle.

關鍵詞：三塔懸索橋;主索鞍;豎向摩擦板;抗滑移

Key words： three-tower suspension bridge;main cable saddle;vertical friction plate;anti-sliding

1? 工程概況

溫州甌江北口大橋是甬臺溫高速公路復線和溫州市南金公路跨越甌江的控制性工程，跨江主橋為國內首座三塔四跨雙層鋼桁梁懸索橋，全橋橫向共設兩根主纜，主纜橫向間距為41.8m，主纜跨度（230+800+800+358）m，矢高80m，矢跨比1/10.0。其布置見圖1。

該項目中塔為大剛度A型框架混凝土塔，系國內在多塔連跨懸索橋結構體系中首次采用。主索鞍采用鑄焊結合結構，豎隔板鋼板與鞍頭槽底焊接，鞍座為鋼板焊接成，鞍體下設不銹鋼板-聚四氟乙烯板滑動副，以適應施工中的相對移動。中塔主索鞍為國內首座梳齒型主索鞍，鞍槽內設14道豎向摩擦板，使各根索股的側面都與隔板接觸，提供側面摩擦力，從而提高索鞍的抗滑性能。豎向摩擦板厚12～16mm，高726～929.5mm，橫向凈距61mm，采用Q345C。其結構見圖2。大橋主纜有169根索股，每股由127根5.25mm鍍鋅高強鋼絲組成。

2? 試驗研究方案

2.1 試驗方案

試驗需要模擬理論上的極端工況：一個主跨滿載、另一個主跨不加載的不對稱加載工況。經過比選，最終確定采用頂推鞍座的方式施加不平衡力：將鞍座與支架的連接設計為鉸接，試驗時先將索股兩端張拉到恒載對應的設計索力后進行錨固。試驗時利用千斤頂對鞍座一側施加推力，這樣鞍座一側的索股力將增大、另一側的索股力將減小。逐級增大作用力，直到索股與鞍座間產生滑移。考慮經濟、制利用的原則，臺座采用鋼板梁形式，設計模型如圖3 所示。

2.2 索股及索股布置方式

試驗用主纜鋼絲與實橋主纜所用鋼絲相同，采用直徑5.25mm的高強鍍鋅鋼絲。模型試驗的鋼絲索股數，要模擬鋼絲束與鞍槽直接接觸以及索股之間的接觸，反映索股受到徑向擠壓應力的不同。為控制試驗規模，本階段的研究時，試驗選用37絲的索股，鋼絲直徑與實橋主纜所用鋼絲相同，為Φ5.25mm鍍鋅高強鋼絲，如圖4、圖5。索股排3列，中間四排，兩側3排，如圖6。

2.3 鞍座形式

試驗設計三種鞍座形式：①傳統主鞍座，在各列索股之間加較薄較柔的隔片;②增設豎摩擦板鞍座，在各列索股之間加較厚較剛的隔板;③增設水平摩擦板鞍座，兩排索股之間加水平隔板，見圖7。試驗鞍座的設計盡量與實際鞍座的槽口等接近、包角接近實際設計值。鞍槽為圓曲線，模型鞍座鞍槽光潔度、圓度與實橋相同。

2.4 測點布置

基于試驗目的，進行試驗數據的測試方案設計，測試內容主要包括索股張拉力測試、位移測試以及索股應力測試三項：①每根索股錨頭螺帽前端安裝壓力傳感器，以測試股索的張拉力;②在鞍座兩側的上下層索股及鞍座上布置位移測點，通過千分表測試索股與鞍座間的相對位移，以判別股索是否滑移;③在鞍座兩側進、出鞍槽道口位置的索股上安裝滑移標記，以目測判別股索是否滑移。

2.5 試驗荷載

根據模型束股對模型鞍槽的擠壓接觸應力與實際主纜索股對鞍槽底面的最小擠壓接觸應力相等的原則，得出基準狀態條件下試驗模型每束索股的加載值為548.5kN，10束索股總的加載量為5485kN。為進行模型設計及結構驗算，參照既有試驗研究結果，偏于安全地取索股與鞍座間的名義摩擦系數為0.65，則由下式可以得出滑移時刻頂推側的索股張拉力為6811kN。根據上述計算結果進行試驗模型設計驗算。

2.6 加載步驟

對于上述的每一種工況，進行以下加載步驟：

①在加載模型的兩端進行張拉，直到索股總拉力達到恒載相應值。第一級荷載：張拉至恒載的60%;第二級荷載：張拉至恒載的100%;張拉完成后，將索股錨固在錨墊板上。

②利用加載設備，在鞍座上施加推力，使兩側索力的比值按1.025、1.05、1.075、1.1、1.125、……的比例增加，每作用一級，靜置10分鐘，測量索股與鞍座間的變形量，觀測是否產生滑移，若未產生滑移，繼續下一級加載，直到索股與鞍座產生滑移;按照試驗工況，分步進行上述過程的加載與測試。

③按照各試驗工況的要求，分別在三種主鞍座上開展不同索股根數（四根、七根、十根）的模型試驗，為理論分析提供參數變化工況。

3? 三種鞍座類型試驗值對比

對比三種不同鞍座構造下的試驗值見圖8、圖9、圖10，其中，GP表示加豎向隔片;SX表示加豎向板;HX表示加水平板;z—整體名義摩擦系數。

從上述對比可以看出：

①設置豎向或水平摩擦板可明顯提高極限的名義摩擦系數;

②設置水平摩擦板，板上索股滑移時的名義摩擦系數較低，這與這種情下板上索股間隔片與普通鞍座時差異明顯有關;

③設置水平摩擦板時，要提高鞍座整體的名義摩擦系數，需要提高水平摩擦板上索股的名義摩擦系數。

參考文獻：

[1]姜洋，肖汝誠，等.多塔懸索橋主纜與鞍座滑動失穩臨界跨徑[J].同濟大學學報（自然科學版），2012，40（3）：331-337.

[2]楊光武，徐宏光等.馬鞍山長江大橋三塔懸索橋關鍵技術研究[J].橋梁建設，2010.

[3]張清華，李喬.懸索橋主纜與鞍座間摩擦特性試驗研究[J].土木工程學報，2012.