缆索系统设计说明

缆索系统设计说明一、设计范围缆索系统设计包括：缆索系统总体布置、主缆、吊索、索夹、锚碇锚室出口处防护密封圈设计以及缆索系统施工流程、主缆检修道等内容。主缆设计范围：从一端索股锚头至另一端索股锚头，包括主缆钢丝、分股、索股排列、索股锚头、主缆防护等。吊索、索夹设计：包括吊索索股钢丝、索股锚头、索股防护、索夹、叉形耳环（索夹与吊索的连接件）等构造。施工流程描述了缆索系统施工的主要步骤。主缆检修道设计包括主缆检修道总体布置及检修道构造。二、设计依据1、越南岘港市顺福大桥设计分包合同2、岘港市顺福大桥工可报告的批复三、主要设计规范及标准1、中国公路悬索桥设计规范（报批稿）2、中国公路桥涵设计通用规范（JTJ021-89）3、中国公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ025-86）4、中国悬索桥预制主缆丝股技术条件（JT/T 395-1999）5、中国公路悬索桥吊索（JT/T 449-2001）6、中国公路桥涵施工技术规范（JT/T 041-2000）7、中国预应力混凝土用钢丝（GB/T 2103-1988）8、中国桥梁缆索用镀锌钢丝（GB/T 17101-1997）9、中国一般工程用铸钢件（GB/T 11352-1989）10、中国合金结构钢技术条件（GB/T 3077-1999）11、中国优质碳素结构钢技术条件（GB/T 699-1999）12、中国铸钢件超声探伤及质量评级标准（GB/T 7233-1987）四、设计要点1、 设计基础资料：（1） 主缆在恒载、活载及温度变化作用下的缆力取自总体分析。（2） 吊索在恒载、活载及温度变化作用下的索力取自总体分析。（3） 主缆线形、吊索长度、索夹设计倾角以及散鞍、主鞍的安装预偏量等取自主缆线形计算成果。2、 专项技术标准：（1） 安全系数主缆：索股钢丝应力验算的安全系数取2.5。主缆锚固系统：索股钢丝锚固安全系数取2.5，锚具及拉杆材料强度安全系数取2.5。吊索、索夹：a、在主要荷载（恒载+活载+温度）作用下吊索钢丝材料强度安全系数取3.0。b、索夹的抗滑安全系数取3.0，索夹材料抗拉强度安全系数取3.0，索夹耳板的孔壁挤压应力强度安全系数取2.5。c、索夹紧固螺杆轴向抗拉材料强度安全系数取2.0，螺杆抗剪、抗挤压、抗弯曲材料强度安全系数取3.0，螺杆螺纹副抗剪、抗弯曲材料强度安全系数取3.0。螺杆轴向抗拉疲劳强度安全系数取2.0d、销轴抗剪、抗挤压、抗弯曲材料强度安全系数取3.0，抗弯疲劳强度安全系数取1.7。e、叉形耳环抗挤压材料强度安全系数取2.5，抗弯曲材料强度安全系数取2.0。叉形耳板与锚杯联接螺纹副抗剪、抗弯曲材料强度安全系数取3.0。（2） 设计参数主缆空隙率：在索夹内取18%，在索夹外取20%。主缆及吊索索股钢丝弹性模量：2.0105Mpa。索夹与主缆间的摩擦系数：0.15。索夹紧固压力不均匀系数：2.8。索夹单根螺杆设计夹紧力：As0.70.75s，首次安装夹紧力：As0.75s（As螺杆螺纹部分有效截面积，s材料屈服强度）。成桥状态设计基准温度：25。空缆状态设计温度：30。（3） 主缆误差范围a、预制索股长度误差 1/12000 b、索股标志点距离误差 1/10000 c、单根钢丝线径误差+0.08mm，-0.05mm。为了使各索股以及各主缆间受力更为均匀，编制索股时要求编入同一索股的钢丝平均直径为5.30.03mm，编缆时要求编入同一根主缆的钢丝平均直径应为5.30.01mm。 d、索股锚头承压面与索股轴线的垂直度误差0.5。 e、索股架设垂度误差，基准股25mm，其他索股30mm。 f、锚跨索股拉力调整误差6kg。 （4）吊索、索夹误差范围a、吊索索股长度误差 1/5000b、索股锚头安装误差 5mmc、叉形耳板销孔位置误差 5mmd、吊索长度误差 1/3000e、主缆垂度调整误差 30mma、主缆垂度测量误差 2mmg、索夹位置对中误差 20mmh、索夹位置测量误差 2mmi、主梁耳板定位误差 10mmj、主梁耳板位置测量误差 5mmk、索夹或主梁耳板销孔位置误差 1mml、索夹或主梁耳板销孔位置测量误差 0.1mm3、 设计计算原则：（1） 考虑恒载、活载、温度引起主缆缆力。（2） 采用有限元计算程序，考虑几何非线性影响。（3）吊索最大拉力Tmax=Td+T1+Tt+T吊索的恒载、活载以及温度变化引起的索力（Td+T1+Tt）按整桥计算求得。吊索误差引起的拉力（T），原则上通过吊索长度调整来消除。通过吊索长度调整来消除的误差有以上（4）a、b、c、e、g、i、k等项。未通过吊索长度调整来消除的误差有以上（4）d、f、h、j、l等项。4、 结构方案：（1） 设计思想a、大跨度悬索桥的发展已有很长的历史，在发展过程中结构构造和施工方法都在不断完善和提高，因此在考虑结构方案时，吸收了各国的经验，选用最合理、最先进的方法。b、结构形式便于施工，结构耐久，减少维护费用。c、构造合理，使用安全。d、材料规格选用目前市场上供应货源较多的产品。e、悬索桥主缆为全桥主要承重构件，而且主缆长度和线形对全桥几何形状具有决定性影响，因此，主缆设计除确保强度安全可靠外，还必须保证缆长和几何线形的准确。f、吊索上端通过索夹挂于主缆，下端与加劲梁相连。吊索是将主梁、桥面系统以及活荷载吊挂于主缆上的构件，其应力变化幅度较大，而且由于主梁沿桥纵向和横向摆动会使吊索反复受弯，尤其是对于较短的吊索需特别注意防止疲劳折断。因此，吊索的结构构造和材料应适应主梁的纵向和横向位移，减少吊索尤其是短吊索的弯折。g、对吊索的薄弱部位如锚口弯折疲劳等采取适当措施防止。h、考虑到施工误差对吊索力有较大影响，因此吊索应该能够调节长度，尽可能消除施工误差的影响。i、简化吊索与主梁联结的构造。（2） 采用方案及其特点：a、 缆索系统总体布置本桥主缆由5跨组成，由西至东分别为：西锚跨西边跨中跨东边跨东锚跨，按中跨跨中对称布置。中跨主缆理论跨径405m，综合考虑缆力、桥梁整体刚度、塔高等因素，经分析比较后，理论垂跨比定为110；边跨主缆理论跨径129.5m，根据中跨与边跨水平力相等的原则，得边跨垂跨比为131。锚跨的跨长和转角由散索鞍构造、散索要求以及锚固系统构造来确定。本桥边、中跨均设吊索，主缆线形为分段悬链线，形状用解析法求得，为使成桥后线形与设计线形相一致，应使主鞍及散索鞍弧线分别与边缆、中缆曲线及锚缆、边缆曲线相切。散索鞍竖弯面由半径逐渐减小的多段弧线组成，同一段弧线的各层索股弧线为不同半径的同心园，散索跨各索股与不同段不同层的弧线相切形成不交于同一点的直线簇，取各索股几何重心连线作锚跨主轴线，此几何重心连线的延长线与边跨主缆入鞍时起弯点切线夹角的平分线通过散索鞍转动中心，两线的交点作为主缆转点，也就是主缆边跨与锚跨的分界点。全桥吊索、索夹根据受力特点进行分类设计，共设两类吊索，主塔侧长吊索（共16根）及边跨短吊索（共8根）为耐疲劳的特殊吊索，其余边、中跨吊索为普通吊索（共90根）。为了提高边跨短吊索的柔性，设计时考虑将其下端锚固位置设在加劲梁段底部，尽可能增加吊索长度。索夹共设三大类，相应特殊吊索、普通吊索设特殊索夹和普通索夹，另在主缆无吊索区设置了主缆紧固索夹，为方便主梁21、22号梁段施工吊装，主塔侧的紧固索夹兼作临时吊索索夹。吊索间距配合主梁梁段长度取9.9m，主塔侧最长吊索距主塔中心14.4m，边跨最短吊索距散索鞍主缆理论交点35.9m。b、 主缆构造经从质量、工期以及经济待多方面对比，并考虑到悬索桥主缆技术的发展方向以及在索股制造方面经验和设备的技术基础，本桥主缆采用预制平行钢丝索股（PPWS）。平行钢丝索股每股含91根镀锌高强钢丝。主缆共两根，每根主缆中37股，共3367丝，竖向排列成尖顶的正六边形。索股两端设锚头与锚碇的锚杆相连。索股锚头采用套筒式热铸锚，在铸钢制成的锚杯内，浇铸锌、铜合金。主缆经压实后，在索夹之间的范围内，先用锌粉膏嵌缝，再浇以4mm的镀锌中碳钢丝，最后再涂防护漆。主缆在锚碇锚室入口处设缆套防护。c、 吊索及索夹构造采用高强度镀锌钢丝平行集束为索体的吊索，普通吊索索体为85根镀锌高强钢丝，特殊吊索索体为223根镀锌高强钢丝，所有吊索均外包PE层防护。所有吊索的上下接头均采用带有聚四氟乙稀衬套的绞销接头以减少吊索的弯折。在吊索锚口处设置不锈钢连接筒和氯丁橡胶浇制的缓冲器，以改善锚口的弯折疲劳影响。吊索锚头：吊索上下锚头均采用冷铸锚。锚头由锚杯与叉形耳环螺纹连接，锚杯内浇注环氧铁砂，这种锚头简化了主梁锚箱的设计（改锚箱为销接耳板），允许吊索有20mm的长度调节以消除施工误差影响。吊索索夹分类：索夹由于吊索拉力及主缆倾角不同，所需夹紧力不同，索夹长度和螺杆数量均不相同。为节省模型，将相近长度的索夹并为SJ1SJ10共10组，其中SJ9SJ10共2组为非吊索索夹。同一组吊索索夹耳板孔眼位置略有变化，以适应吊索与主缆交角的变化。为使吊索索夹紧固螺杆受力均衡，销孔中心及索夹中心均位于吊索中心线的延长线上。索夹形式：索夹除跨中安装吊索的索夹外，还有夹紧无吊索区主缆的紧箍索夹，由于吊索索夹与吊索采用销接，故吊索索夹SJ1SJ8采用适合于这种联接的上、下分开的形式；为便于紧箍索夹安装和主梁21、22梁段施工吊装临时吊索（骑跨式）的使用，紧箍索夹SJ9SJ10设计为左、右分开的形式。两半索夹用螺杆相连夹紧，接缝处嵌填橡胶防水条防水。5、 主要材料：主缆系统主要部件采用的材料材质及其引用标准如下表：项目名称材 质引用标准材料强度b(Mpa)s(Mpa)主缆PPWS索股5.3镀锌高强钢丝GB/T 17101-199716701410锚杯、锚板ZG310-570GB 11352-89570310锚盖板Q235-AGB/T700-1988375-500225拉杆40Cr JB/T 6396 980785螺母、垫圈40Cr JB/T 6396 980785联接器ZG270-500GB 11352-89500270吊索及 索夹吊索索体5.0镀锌高强钢丝GB/T 17101-199716701410锚杯ZG270-500GB 11352-89500270叉形耳板45（调质）JB/T 6397630-780370销轴40CrJB/T 6396 980785挡板Q235-AGB/T700-1988375-500225索夹ZG270-500GB 11352-89500270索夹紧固螺杆35VB（10.9级）GB/T1228-911000900主缆索股锚头采用热铸锚，锚杯内浇铸由98%锌和2%铜组成的合金。吊索索股锚头采用冷铸锚，锚杯内浇注环氧铁砂。五、施工要点1、指导思想：悬索桥是一种以缆索为主要承重构件的结构，其强度和几何形状主要依靠缆索的强度和索长来保证的，尤其是索长除直接影响结构几何形状外还影响索力，从而影响强度，因此，主缆及吊索的施工除确保构件强度符合设计要求外，还应保证索长及鞍座、索夹等构件位置准确。主缆索股的强度、长度和几何状态，吊索和索夹的强度、索长和位置必须在材料、制造和安装三个环节中加以保证。2、 施工方法和步骤：主缆施工采用预制平行钢丝索股法（PPWS法），先在制索厂将钢丝编成索股，每股重约12t，卷在卷筒上运至桥头，用牵引索逐股拉过江，再安装就位，具体步骤如下图。3、 材料选用和检验：用于主缆、吊索、索夹的材料除应符合本设计技术要求外还应符合有关技校标准；（1）主缆索股及吊索索股高强钢丝应符合GB522385预应力混凝土用钢丝标准，各钢丝应进行编号并有详细的检验记录。（2）锚杯及索夹材料应符合GB1135285一般工程用铸造碳钢件成品需通过符合GB 723387铸钢件超声波探伤质量评级方法要求的超声检验并具有合格证明书。4、 构件制造：(1)主缆索股预制先按设计确定的各索股无应力长度及各标志点间的距离，经过温度修正后，制造各段基准丝，然后在编索机上编制索股。编股时应记录所使用钢丝的盘号，并从检验记录中查得各根钢丝内线径和弹性模量，统计出索股的平均线径和弹性模量。索股断面呈正六有形，六角形的两个顶点分别置基准丝和着色丝，着色丝在索股安装时用作检查索股是否扭绞的标志。索股每隔1.5m用纤维强力带包扎定型。相邻索股的胶带位置应错开设置以减少空隙率。再用两种颜色对比强烈的油漆，根据基准丝标志点位置，在索股整个周边涂刷标志，使标志点位于两种色漆的交界处；然后穿入锚杯，最后浇铸锚杯，并卷入卷筒。(2)吊索索股预制吊索索股制造时先浇注下端锚头，然后在上端锚头附近设一标志点，精确量出上端锚头销孔至下端标志之间的距离（在无应力下量测）。再将吊索从上端开始卷入卷盘，将下端露在卷盘外面。待测得各项需要调整的误差后，对吊索长度进行修正，根据修正后的吊索长度浇注下端锚头。因此，要求在索股下料时留有调整长度所需要的余量。锚头浇注后，还应通过调整锚头叉形耳环来精确调整吊索两端锚头耳环销孔之间的距离。下端叉形耳环可在浇铸下端锚头后即行安装并用定向螺钉定位。而上端叉形耳环则应在上端锚头浇注后，再根据上端标志点至耳环销孔之间的要求距离进行定位。定位时除应保证长度准确外，还应确保两端耳板的方向一致。因此，在上端锚头附近除设长度标志外，还应有方向标志点。悬索桥的几何形状受恒载制约，本设计中所提供的索长是在设计的恒载重量下算得的，施工时应根据实际的恒载以及反馈的各种误差，重新确定索长，进行有效的施工控制。（3）索夹铸造工艺要点a、 半块索夹的铸造模型应采用整体模型。模型尺寸应考虑到铸件的收缩量。b、 铸造用砂必须采用优质砂，例如耐高温的铬铁矿水玻璃砂。要保证铸件表面光洁，不粘砂。砂型应用干燥型或自硬型。c、 铸造钢水应充分精炼纯净，尽量减少非金属夹杂物，应从炉中取样进行化学成份分析。保证钢水质量。d、 应使用高强度的耐火釉砖做浇口系统，防止浇注系统中的型砂剥落，而夹砂。e、 浇注完成的铸件应缓慢冷却，避免由于铸造应力或局部冷却产生的热应力使铸件变形或开裂，拆箱后应全面清砂，去除冒口飞翅附属物，f、铸件清砂后，按GB 641486进行尺寸形状检查，尺寸应符合CT 13CT 15级公差，保证有足够的加工裕量。5、 缆索系统安装：主缆安装：先设置锚道、牵引索、丝股放送机、导向滚轮和横向吊架，索股用牵引索沿导向滚轮引至对岸后，再用横向吊架横移就位，将锚板穿在锚固联接器的拉杆上，进行调股。全部索股安装完毕再进行紧缆、装索夹，待安装主梁及桥面后，进行绕丝和防护工作。悬索桥的几何形状受恒载制约，本设计中所提供的索长和缆形的各项参数是在设计时设定的恒载重量下算得的，