悬索桥主缆与鞍座抗滑移安全系数的确定方法

为准确评估主缆与鞍座间的抗滑移安全性,确保多塔悬索桥结构受力安全,对主缆与鞍座间的摩擦抗力特性进行了研究。通过分析索股间微元体的应力-应变关系,建立侧向压力和索股拉力间的微分方程,推导了主缆索股和鞍座侧壁接触面间的侧向压力表达式,并据此建立了主缆与鞍座间的摩擦抗力方程,提出了悬索桥主缆与鞍座之间的抗滑移安全系数确定方法。通过模型试验结果对摩擦抗力方程进行了验证,并对主缆与鞍座抗滑移安全系数的确定方法以及鞍座设计参数对于抗滑移安全系数的影响进行了探讨。结果表明:所提出的摩擦抗力方程能够准确确定鞍槽内设置和不设置竖向摩擦板2种典型情况下主缆与鞍座间的实际摩擦抗力;现有的抗滑移安全系数定义方法物理含义模糊,计算值偏于保守,无法计入鞍座参数优化对提高抗滑移安全性的影响,可能对多塔悬索桥的结构设计造成困扰;所提出的抗滑移安全系数表达式,物理意义明确,便于工程应用,可以作为确定抗滑移安全系数的依据;主缆与鞍槽接触面间的摩擦因数和鞍座结构设计参数是主缆与鞍座间摩擦抗力的重要影响因素,改善鞍座设计参数和设置竖向摩擦板是提高主缆与鞍座抗滑移安全性的有效途径。     

三塔悬索桥中塔主缆与鞍座间抗滑移试验研究

泰州长江公路大桥的初步设计中提出三塔悬索桥设计方案,为了研究特定工况下中塔主缆在鞍座内的滑移情况,江苏省长江公路大桥指挥部主持开展了主缆与中主鞍座间抗滑移试验研究。我国和美国、日本都曾开展过主缆与鞍座鞍槽间摩擦机理分析的试验,由于试验及试验模拟的差异等,试验结果离散性较大。本试验采用与实桥直径相同的镀锌钢丝和具有相同曲率、结构尺寸以及表面处理的鞍槽,力求全面模拟各束股与束股之间、钢丝之间、束股与鞍槽间的真实的接触特征,采用与实桥基本相同的接触挤压应力,以期能较为真实地反映三塔悬索桥中塔主缆在鞍座间的抗滑移情况。     

主缆与鞍座间摩擦抗力评估的混合解析数值法

为保障多塔悬索桥中主塔鞍座的抗滑移安全性，准确评估主缆与鞍座间的摩擦抗力，提出一种适用于鞍座摩擦抗力分析的混合解析数值法。首先，通过分析滑移临界状态下鞍座内索股的受力状态，将主缆与鞍座接触面间摩擦抗力的求解问题逐步分解，最终简化为求解鞍座任意截面处索股与鞍座接触面间压力分布的平面应变问题；其次，沿纵向将鞍座均匀离散化为多个截面，建立相应截面的二维有限元模型，并得出滑移临界状态下各截面处索股与鞍座接触面间的压力分布；采用将各段压力求和再乘以摩擦因数的方式求出主缆与鞍座间的摩擦抗力及其分布，建立适用于主缆与鞍座间摩擦抗力评估的混合解析数值法，并通过模型试验验证其准确性；最后，基于所提出的混合解析数值法对鹦鹉洲长江公路大桥实桥的中主鞍座摩擦抗力进行分析与讨论。研究表明：所提出的混合解析数值法计算结果和试验结果吻合良好，具有计算效率和精度高，评估流程简洁和工程应用便捷等优点，可作为评估主缆与鞍座间摩擦抗力的依据；主缆与鞍座接触面间压力的绝对值和摩擦抗力均呈由上到下、由松边到紧边递增的分布特性；通过设置竖向摩擦板以增加数个竖向摩擦板面，从而有效提高主缆与鞍座间的摩擦抗力，可大幅提高主缆与鞍座间的抗滑移安全性。     

悬索桥主缆与鞍座间摩擦系数的测定

为了研究特定工况下中塔主缆在鞍座内的滑移情况,对泰州长江公路大桥开展了主缆与中主鞍座间抗滑移试验研究,试验采用与实桥直径相同的镀锌钢丝,全面模拟各束股与束股之间、钢丝之间、束股与鞍槽间的真实的接触特征,以期使试验测出的主缆与鞍座鞍槽间摩擦系数能较为真实地反映实桥的情况.     

多塔悬索桥中塔鞍座水平摩擦板抗滑方案试验研究

为解决多塔悬索桥主缆与中塔鞍座间的抗滑问题,提出在鞍座内增设水平摩擦板的抗滑设计方案,通过模型试验研究鞍座设置水平摩擦板后主缆索股的滑移特性,并提出主缆名义摩擦系数的计算方法,以温州瓯江北口大桥[(230+2×800+348)m三塔悬索桥]为对象进行抗滑方案研究。结果表明:加载初期,顶推所产生的不平衡力在索股间基本平均分配;随着加载继续,各索股以水平摩擦板为界呈现明显的分层滑移现象;索股与鞍座相对位移随索力差变化过程可分为线性变化、局部蠕动和滑移3个阶段;提出的主缆名义摩擦系数计算方法可用于中塔鞍座内设有水平摩擦板时主缆的抗滑能力计算;对于温州瓯江北口大桥,采用2块水平摩擦板分别设置于距顶部约1/4及1/2处是合理可行的抗滑方案。     

大跨度三塔悬索桥主缆系统施工技术创新及改进

针对大跨度悬索桥主缆系统施工存在的一些技术难题,介绍近年国内3座三塔悬索桥主缆系统施工技术方面所做的创新和改进。通过使主索鞍底面在底板上直接滑移,简化主索鞍滑动副结构,方便施工过程索鞍顶推;设计制造支座型散索鞍结构,改善散索鞍摆动性能;采用左右对合的双吊耳板索夹结构,改善索夹结构受力性能;采用了主缆PPWS索股水平成盘放索架设方法,减少PPWS索股架设"呼啦圈"和散股问题。针对索鞍槽和主缆索股的抗滑移问题,探索应用了中塔主索鞍加厚鞍槽隔板和91丝规格PPWS索股增加"填充钢丝"的密实整形入鞍等方法。     

温州瓯江北口大桥中塔索鞍抗滑移构造研究

温州瓯江北口大桥为主跨800m的三塔四跨悬索桥,中塔采用刚度较大的钢筋混凝土塔。为解决中塔索鞍与主缆之间的抗滑移问题,提出在鞍槽内设置水平摩擦板、竖向摩擦板、水平摩擦板+竖向摩擦板3种方案来提高中塔索鞍与主缆间的名义摩擦系数,对索鞍进行抗滑移计算,采用MIDAS Civil软件建立索鞍有限元模型对其进行受力分析,并对比3种方案的抗滑移效果。结果表明:水平摩擦板索鞍、竖向摩擦板索鞍、水平摩擦板+竖向摩擦板索鞍的名义摩擦系数分别为0.392、0.422、0.412,抗滑安全系数分别为2.63、2.83、2.76,3种方案均能显著提高索鞍的抗滑移性能;水平摩擦板与索鞍的连接构件局部应力较大,且施工困难;全竖向摩擦板索鞍各部位的应力相对较小且分布较均匀,并通过相关试验验证了施工可行性,该桥最终采用全竖向摩擦板防滑索鞍方案。     

三塔四跨悬索桥合理结构布置形式研究

为明确不同结构布置形式应用在三塔四跨悬索桥中的合理性,构建了主跨600～1 400m范围内的5座三塔四跨悬索桥,对汽车荷载作用下结构竖向刚度及主缆抗滑系数这两项控制指标进行了计算分析,并深入探讨了不同主跨跨径下塔梁连接形式、缆梁连接形式及缆索系统布置形式对结构产生的影响。研究表明:三塔四跨悬索桥在单跨满布汽车荷载下,随主跨跨径的增大,"中塔效应"越易缓解;当对鞍座进行适当改进以提高主缆与鞍座间的名义摩擦系数后,三塔四跨悬索桥桥跨布置可大幅拓宽;塔梁连接形式对"中塔效应"的影响体现在其纵向约束存在与否,无纵向约束体系的竖向刚度及主缆抗滑系数显著降低;缆梁连接形式对"中塔效应"的影响非常明显,但其导致了中央扣及部分吊索的疲劳、锚固及索夹滑移问题;缆索系统布置形式对"中塔效应"影响较弱,协作体系仅会产生不利的影响。综合对比分析表明:从缓解"中塔效应"的角度出发,不设置中央扣,塔梁间设置纵向约束的平面缆体系更适用于三塔四跨悬索桥。     

空间缆索悬索桥主鞍座结构设计与分析

以南京江心洲大桥为工程背景,对空间缆索自锚式悬索桥主鞍座的相关问题进行研究.以大型通用有限元程序为平台,采用二次开发技术,建立精细化有限元模型,在此基础上采用合理的加载模式对其进行空间受力分析,并阐述与空间主鞍座相匹配的主缆切点简化修正方法.结果表明:空间主缆在成桥状态对主鞍座横向力的作用会造成鞍槽外侧壁应力大于内侧壁的应力;主缆横向体积力会对主鞍座压紧装置和鞍体产生梯度分布的竖向挤压力;自锚式悬索桥体系转换过程中缆索的几何非线性效应显著,体现在空缆到成桥状态主缆与主鞍座空间切点位置会有较大的变化.     

温州瓯江北口大桥施工期索夹抗滑移控制

温州瓯江北口大桥为主跨2×800 m的三塔四跨双层钢桁梁悬索桥,主跨钢桁梁采用1 000 t缆载吊机大节段吊装,施工期索夹受力大、索夹螺杆紧固力损失大,索夹滑移风险高。为给施工期索夹滑移风险评估和抗滑移控制措施提供依据,在《公路悬索桥设计规范》(JTG/T D65-05—2015)索夹抗滑移系数计算公式的基础上,考虑索夹上临时荷载、主缆轴力增加引起的主缆直径变小和主缆丝股重新排列、螺杆时变效应造成的索夹螺杆紧固力损失,提出适用于大跨悬索桥施工期的索夹抗滑移系数计算方法,分析主要参数对施工期索夹抗滑移系数的影响,并评估该桥施工期索夹抗滑移风险,提出索夹抗滑移控制措施。结果表明：钢桁梁吊装过程中,索夹倾角变化大,应采用当前施工阶段索夹倾角计算施工期索夹抗滑移系数,主缆轴力增加引起主缆直径变小是造成索夹滑移的主要原因之一;该桥除主跨跨中钢桁梁节段对应索夹抗滑移系数满足规范要求外,其余索夹抗滑移系数均不满足规范要求。根据索夹滑移风险评估结果,采取紧固索夹螺杆的抗滑移控制措施,并明确了该桥索夹螺杆紧固次数和时机。该桥采取索夹抗滑移控制措施后,施工过程中索夹均未出现滑移现象。     

两种新单元在悬索桥有限元计算中的应用

为实现索与鞍座间接触非线性计算,开发了可用于悬索桥有限元计算的2种新单元:鞍座单元和锚跨单元,其中鞍座单元用于主缆和塔顶鞍座的接触非线性计算,锚跨单元用于锚跨分散索股及边跨主缆与散索鞍的接触非线性计算。根据空间悬链线理论及索与鞍座的几何关系,推导出精确的单元节点力。以增量代替微分,根据刚度矩阵的定义,推导出单元的切线刚度矩阵。编制了包含2种新单元在内的悬索桥几何非线性有限元程序。计算表明:2种新单元计算精度高、收敛速度较快,解决了悬索桥索与鞍座间接触非线性的计算难题。     

自适应空间缆鞍座性能分析

针对传统鞍座在悬索桥施工过程中无法保证主缆从施工前的竖直状态转换到施工后的空间缆状态而发生自适应运动的情况,设计了一种自适应空间缆鞍座.该鞍座由主索鞍、限位板和转向机构3部分组成,转向机构能够在承受主缆载荷作用下顺利实现索鞍的自适应转动,并在成桥后利用螺栓固定从而保证悬索桥的安全性.以阳宝山特大桥为背景,采用有限元与试...     

加劲梁形式及支承体系对三塔悬索桥整体刚度影响研究

为探讨加劲梁形式及支承体系对三塔悬索桥整体刚度及中主鞍座槽内主缆抗滑移稳定性的影响,以(225+850+850+225)m的鹦鹉洲长江大桥为背景,选取不同加劲梁形式及支承体系,拟定6种组合工况,通过桥梁结构非线性分析系统BNLAS对不同组合下结构竖向、横向刚度及主缆抗滑移稳定性进行计算分析。结果表明:加劲梁采用钢-混组合梁形式,结构竖向和横向刚度较采用钢箱梁时大;加劲梁支承体系对结构整体竖向刚度影响不大,但对加劲梁局部竖向转角影响明显,简支支承体系梁端转角较大;加劲梁支承体系对结构整体横向刚度影响明显,表现为简支体系横向刚度较小,飘浮和半飘浮体系横向刚度较大;加劲梁采用自重较大的钢-混组合梁形式以及设置纵向固定支座,对主缆抗滑移稳定有利,此外考虑荷载偏心计算主缆抗滑移稳定性更偏于安全。     

三塔双层悬索桥中塔结构选型研究

中间桥塔结构选型是多塔悬索桥设计的关键技术问题,以世界首座三塔双层悬索桥——温州瓯江北口大桥为依托工程,分别对采用A形混凝土中塔、I形钢-混组合中塔及人字形钢结构中塔时的中塔偏位、主跨挠度、主缆抗滑安全性及经济性等关键控制指标进行了综合研究。研究表明,在主缆与鞍座间的名义摩擦系数取为0.2时,I形钢-混组合中塔及人字形全钢中塔可满足中塔结构受力和主缆抗滑移安全系数达到2.0的要求;在主缆与鞍座间的名义摩擦系数取为0.3时,A形混凝土中塔可满足中塔结构受力和主缆抗滑移安全系数达到2.0的要求,并具有明显的经济性。     

悬索桥主缆与索鞍间滑移行为及力学特征试验

为明确主缆与索鞍间的滑移机理,给相关理论研究提供必要基础,开展了试验研究以揭示主缆在不平衡力作用下的滑移行为及力学特征。制定了以两端张拉丝股模拟主缆平衡状态、以单侧顶推索鞍模拟主缆偏载状态的加载方案,并设计了相应的试验模型及测试方法;考虑索股侧面摩擦及试验索股数目的影响,开展了共8种工况的试验测试,利用实测数据对索力发展特征、索股滑移行为、滑移时变效应及名义摩擦因数变化规律等关键问题进行了系统研究。结果表明：顶推索鞍初期所产生的不平衡力在索股间平均分配,随着不平衡力增大,索股相继滑移且滑移后基本维持其索力差不变;索股均已滑移后的缆力差的发展具有单向性,但残余缆力差相对较小;索股位移发展包括弹性变形、局部蠕动和滑移3个典型阶段;主缆滑移时变效应有限,即主缆滑移后仍具备较可靠的稳载能力;名义摩擦因数随索股相继滑移而增加的同时会引起较突出的索力不均匀性问题,故在主缆抗滑措施研究中尚需对该问题予以重视;侧面摩擦是索股分批滑移及索股数目对试验结果产生影响的根本原因,鉴于侧面摩擦显著的抗滑贡献,对其继续深入研究并充分应用具有重要意义;建议多塔悬索桥主缆与索鞍间的摩擦因数取值可放宽至0.2。     

悬索桥主缆线形的鞍座影响

提出了一个基于数值解析法的悬索桥主缆线形计算方法,能全面考虑各种鞍座影响,可用于成桥状态、空缆状态和施工阶段等各阶段的主缆线形分析。通过算例分析了鞍座对主缆线形的影响,计算表明,由于直接约束着主缆的变形,鞍座对主缆线形,特别是施工阶段的主缆线形有较大的影响。计算还表明,本文方法具有考虑因素全面、计算精度高、速度快、使用方便等优点。     

自锚式悬索桥主缆成桥线形及空缆线形计算

介绍了基于分段悬链线法和抛物线法的自锚式悬索桥主缆成桥线形及空缆线形计算的原理和方法。成桥线形计算内容主要包括主缆理论成桥线形计算、主缆无应力索长计算、主缆与主索鞍切点计算及主索鞍位置计算。空缆线形计算内容主要包括索鞍偏移量计算、空缆理论线形计算及索夹安装位置计算。同时结合工程实例对比分析了抛物线法和分段悬链线法求解主缆成桥线形和空缆线形的误差影响。     

瓯江北口大桥缆索系统设计与施工

为解决航空限高和通航净空限制问题,温州瓯江北口大桥采用3塔4跨连续钢桁梁悬索桥,其缆跨布置为(230+800+800+348) m,主缆矢跨比采用1/10,同时吊索布置于钢桁梁下层。为解决主缆与索鞍之间的抗滑移难题,大桥创新性地设计了高摩擦性能索鞍,使得采用经济性更好的A型混凝土刚性中塔得以实现;为防止火灾对主缆造成不可挽回的损伤,在中跨220 m缆梁相交区域专门进行了主缆防火设计;为解决窄间隙深鞍槽索股入鞍难题,研发了索股入鞍专用装备;为方便与主梁牛腿的连接并提高耐久性,采用销接式平行钢丝吊索。瓯江北口大桥的一系列创新设计和施工经验,可供同类桥梁参考。     

刘家峡大桥主缆空隙率及索夹抗滑移试验研究

刘家峡大桥主桥为单跨536 m 的桁式加劲梁双索面悬索桥,单根主缆采用44股127根φ5．2 mm 镀锌高强钢丝,设计空隙率在索夹处取18％,在索夹外取20％,主缆索夹由2个半圆形铸钢结构通过高强度螺栓上下对接紧箍在主缆上,接缝处嵌填橡胶防水条。索夹的抗滑移性能是影响悬索桥主缆正常使用的一个主要因素。为了解该桥索夹抗滑移性能是否满足设计要求,在大桥主缆架设完紧缆后,在主缆上同时安装制动索夹、试验索夹以及推力千斤顶,利用千斤顶模拟索夹下滑力,对计算确定的最不利索夹进行顶推试验,测试索夹抗滑移摩阻系数和索夹内、外部空隙率。试验结果表明：实测索夹抗滑移摩阻系数为0．213,大于设计要求的0．15,满足设计要求;实测索夹内、外部空隙率分别为17．6％、18．4％,满足设计要求。     

三塔悬索桥适应性及主缆抗滑移技术探讨

以泰州长江公路大桥等3座悬索桥为背景,分析三塔悬索桥的适应性,并对该桥式的中塔选型、主缆与鞍槽间的抗滑移安全系数及整体刚度的取值进行研究。研究表明:三塔悬索桥得以实施的技术突破关键是中塔采用合理的纵向抗弯刚度;主缆与鞍槽间的摩擦系数取0.20较为合适,建议主缆与鞍槽之间的抗滑移安全系数不小于1.65;泰州长江公路大桥在不计冲击力的汽车荷载作用下,加劲梁最大竖向挠度为4.337 m(向下),挠跨比为1/249,取用该挠跨比是对悬索桥整体刚度的尝试与实践;该桥主缆与鞍槽间摩擦系数若取用0.2,可进一步提高桥梁的总体刚度。