超大跨度懸索橋索夾設計及受力分析

【中圖分類號】：U443.38 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）03-10-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.03.003

Cable Clamp Design and Stress Analysis of Super-span Suspension Bridge

SHAO Qi

（China Railway Major Bridge Reconnaissanceamp; Design InstituteCo.Ltd.，Wuhan 43Oo50，China 【Abstract】：Inorder to understand the structural stresscharacteristics ofthecable clampofsuper-span bridge，a super span suspension bridge was taken as an example，a certain characteristic cable clamp was selected as the research object，and a spatial finite element model was established.The stress state and stress distribution law of each component of the cable clamp structure were analyzed and studied，and compared with the current suspension bridge standard formula.The results showed that under the action of unfavorable load，the stress of each component of thecable clamp structure of the bridge met the requirements of the specification，and the stress transfer between thecomponents was smooth.The circumferential tensile stressof theleftand right half cable clampsalong the wallthickness was in good agreement with the calculation results of the current suspensionbridge design specification formula.For the left-right type pin-connected cable clamp，thesling force had little efect on the contact pressure between the cable clamp and the main cable，and would not cause a large degree of cable clamp disengagement and screw unloading.

【Key Words】：super-span；suspension bridges；cable clamp；load bearing behavior analysis

大跨度懸索橋加勁梁結構荷載通過吊索和索夾傳遞給主纜。索夾的構造及其受力特性直接影響全橋安全，是大跨度懸索橋結構設計的關鍵部位之一。常用的索夾結構有上下對合型和左右對合型，上下對合型索夾一般適用于銷鉸式吊索，左右對合型索夾一般適用于騎跨式吊索[＼～3]。目前，索夾的設計計算基本參考現行公路懸索橋設計規范，采用規范給定的相關公式對索夾進行緊固驗算和強度驗算，計算相應的抗滑系數和索夾材料應力。跨度超過 2000m 的超大跨度懸索橋，規范給出的相關計算公式是否繼續適用沒有明確說明。為了系統掌握超大跨度懸索橋索夾的結構受力特性，本文依托某超大跨度懸索橋工程初步設計，對索夾結構進行空間有限元分析，研究該橋索夾的結構受力特性。

1工程概況

某超大跨度懸索橋為單孔懸吊雙塔三跨雙層鋼桁梁懸索橋，初步設計采用平行雙主纜單跨吊體系，加勁梁采用板桁結合的雙層鋼桁梁，索塔為H形混凝土橋塔，錨碇為重力錨，橋跨布置為 670m+2180m+ 710m ，中跨矢跨比為1/9。見圖1。

大橋上下游共設2根高強度鍍鋅鋼絲預制平行索股主纜，鋼絲直徑為 5.25mm ，每根主纜由494根通長索股組成。主纜在架設時豎向排列成尖頂的近似正六邊形，緊纜后主纜為圓形。全橋共設置119對吊點，每個吊點設4根平行鋼絲吊索，均設置在中跨。吊索基本間距為 18m ，橋塔側的吊索距橋塔中心線 28m 。

2索夾構造設計

本橋為主跨跨度超過 2000m 的超大跨度懸索橋，主纜直徑接近 1.5m ，若采用騎跨式吊索，會產生一定的彎曲二次應力，主纜直徑越大二次應力越大，對吊索結構受力極為不利，故采用銷接式吊索。

銷接式吊索一般情況下采用上下對合型索夾；但本橋跨度大、荷載重，吊索力比一般懸索橋大得多，為了防止較大的吊索力造成上下對合型結構索夾脫空等一系列問題，故本橋采用左右對合型索夾結構。

索夾采用 ZG20Mn 鋼鑄造，左右耳板均設置2個銷孔連接吊索，索夾外徑 1 552mm 、內徑 1 452mm ，索夾體圓弧段壁厚為 50mm ，采用MJ56高強精制螺桿緊固。螺桿采用40CrNiMoA合金鋼。

索夾采用內外雙層嵌合構造設計，內層為凸凹止口，外層為直縫，便于橡膠密封條的安裝與保護。為增加索夾對主纜的密封效果，索夾端口處采取搭接式環縫密閉措施處理。

由于主纜不同位置的傾角不同，螺桿所需預緊力不同，對應的索夾長度及螺桿數量也不同。為方便工廠鑄造加工，將索夾長度和角度相近的歸為一組，同一組索夾耳板銷孔的位置稍有變化，以此來適應索夾傾角的變化。全橋索夾共分為11種類型，其中SJ1＼～SJ9為有吊索索夾，SJ10＼～SJ11為無吊索索夾。見圖2。

選取SJ1索夾作為結構受力分析研究對象。索夾長 2.65m ，與主纜間安裝傾角為 23.64^° ，索夾共由12對、24根等間距布置的MJ56高強精制螺桿緊固，單根螺桿設計預緊力為 900kN 。見圖3。

3索夾受力分析

3.1有限元模型

采用大型通用有限元軟件ABAQUS建立索夾一主纜局部空間有限元模型，分析索夾受力。索夾和主纜均采用實體單元，主纜與索夾間采用接觸單元，接觸單元的摩擦系數取0.15。主纜在架設時豎向排列成尖頂的近似正六邊形，緊纜后主纜為圓形，空隙率為 18% ，主纜的徑向彈性模量 E_′ 為 2.2×10⁴MPa ，切向彈性模量 E_θ 為 3.6×10⁴MPa ，軸向彈性模量 E_z 為 1.95× 10⁵MPa^[7-10] 。索夾彈性模量 E 為 2.06×10⁵MPa ，密度 ρ 為 7.85×10³kg/m³ ，泊松比 υ 為0.31，材料屈服強度為300MPa ，容許應力為 100MPa 。

主纜端部圓截面中心為坐標原點 ξ_O，X 軸垂直于主纜方向為正，Y軸向上為正， Z 軸沿主纜方向為正，坐標定義符合右手螺旋準則。由于主纜和索夾均為左右對稱結構，故只建立一半對稱模型。見圖4。

索夾螺桿的預緊力簡化為采用面荷載通過螺母墊圈傳遞到索夾上，索夾耳板所受的吊桿拉力簡化采用面荷載傳遞到索夾耳板孔壁內側。

3.2索夾受力分析

索夾在安裝和運營階段受力狀態和大小不同，本文僅討論運營階段索夾的結構受力特性。運營階段，索夾結構主要承受螺桿的預緊力和吊索的拉力。

3.2.1索夾Von Mises應力

索夾VonMises應力分布見圖5。

索夾夾體中部大部分區段范圍內的等效應力在72.96～93.79MPa ，分布比較均勻，僅在索夾端口局部區域和索夾下半部分連接耳板區域出現應力集中，但構件應力均小于容許應力，滿足材料強度要求。索夾夾體與螺桿張拉臺座過渡區域局部小范圍內最大應力為 125.0MPa ，未超過材料的屈服強度，滿足材料強度要求。

索夾上側螺桿張拉臺座大部分區域應力均小于容許應力，滿足材料強度要求。在索夾夾體至螺桿孔的圓弧過渡區域局部小范圍內最大應力為135.1MPa ，未超過材料的屈服強度，滿足材料強度要求。索夾下側螺桿張拉臺座大部分區域應力均小于容許應力，滿足受力要求。在索夾夾體至螺桿孔的圓弧過渡處最大應力為 120.6MPa ，未超過材料的屈服強度，滿足材料強度要求要求。

索夾耳板的銷軸和銷孔為圓柱面接觸承壓狀態，耳板大部分區域應力均小于容許應力，滿足材料強度要求。耳板銷孔應力較大區域為銷孔最底部，該區域內應力呈漏斗狀分布，最大位置處應力為 222.4MPa 未超過材料的屈服強度，滿足材料強度要求。應力在耳板及索夾間傳遞較為流暢，未發現明顯的應力集中現象。

3.2.2主纜徑向應力

索夾的螺桿預緊力可使主纜與索夾的接觸面產生一定摩擦力，防止索夾產生滑移，因而索夾與主纜接觸表面的徑向應力分布情況與索夾抗滑移承載力有著密切關系。在螺桿預緊力作用下，索夾對主纜的徑向壓應力為[2，11＼～12]

σ=2P/（Ld）=5.63MPa

式中： P 為單根螺桿預緊力； L 為螺桿間距； d 為主纜直徑。

通過有限元接觸分析，在螺桿預緊力和吊索拉力的共同作用下，主纜表面徑向壓力分布見圖6。

在螺桿預緊力和吊索拉力共同作用下，索夾與主纜接觸外表面范圍內徑向受壓，接觸面壓應力在5.10～6.12MPa ，均值與式（1）計算數值吻合度較好。左右半部索夾上區域與主纜相結合處附近出現最大壓應力 12.25MPa ，左右半部索夾下區域圓弧過渡處附近出現最小壓應力 3.05MPa 。

索夾與主纜接觸范圍內均為壓應力，吊索拉力未造成索夾脫空及螺桿卸載等問題，采用左右對合型索夾結構設計合理。

3.2.3索夾環向應力

在螺桿預緊力和吊索拉力作用下，索夾壁厚環向應力分布見圖7。

索夾夾體區域受拉，螺桿張拉臺座部分受壓，左右兩側耳板大部分區域受力相對較小。索夾夾體受拉段中部區域應力大小在 73.68～85.06MPa （不考慮吊索耳板影響區域），規范4計算數值為 84.38MPa ，均小于容許應力，滿足材料強度要求。在索夾與螺桿張拉臺座圓弧過渡區域范圍內的最大環向拉應力為130.6MPa ，未超過材料的屈服強度，滿足材料強度要求。

4結論

該索夾各構件VonMises應力基本小于結構材料的容許應力值，各構件間應力傳遞擴散較為均勻流暢；吊索拉力通過耳板傳遞給索夾，耳板銷軸圓孔最底部區域范圍內應力最大，但均滿足材料強度要求。采用現行懸索橋設計規范公式計算索夾強度基本可行，對于左右對合型索夾結構，吊索拉力對索夾與主纜間的接觸壓應力影響較小，不會出現索夾大面積脫空和螺桿卸載等問題。

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