悬索桥索鞍索夹常见问题

精选文档悬索桥索鞍、索夹设计、施工、维护常见问题探讨（赵鹏贤 成都市大通路桥机械有限公司）摘要 介绍了索鞍、索夹质量控制方法，分析了其受力、结构特点和常规质量控制方法，常见问题，结合国际先进经验，阐述了需改进、完善的内容、方法。关键词悬索桥索鞍索夹 常见问题 改进完善前言悬索桥因造型美观、跨越能力大在现代桥梁中得以迅速发展，特别在大跨径桥梁中占有绝对优势。我国的现代悬索桥建设经历了从技术引进到自主设计、制造、施工的快速发展，当之无愧成为世界悬索桥大国，但我们也应清醒认识到，离悬索桥强国还有很大距离。索鞍、索夹造价在悬索桥整桥建设成本中比例小，作为核心受力构件，其质量决定了全桥的安全,我们须高度重视，以避免“千里之堤,溃于蚁穴”。本文从索鞍、索夹的设计、制造、施工到维护中的常规质量控制方法、存在的问题进行探讨，结合国际先进经验，阐述需改进、完善的内容，抛砖引玉，希望能对悬索桥的建设发展有所帮助。一、结构形式和受力特点：1. 索鞍索鞍是为主缆提供支撑并使其线形平顺改变方向的构件，主要承受主缆的竖向压力和主缆钢丝的水平力。索鞍按位置分为：主索鞍、转索鞍、散索鞍（套）。其中散索套主要用于跨度较小的悬索桥。按结构形式分为：肋传力结构、壳传力结构。肋传力结构用于砼基础支撑，壳传力结构用于钢结构支撑。按成型方式分为：铸造结构、焊接结构、铸焊结构。按位移方式分为：滑动式、滚动式、摆动式、滑转式。2. 索夹索夹的是紧箍主缆索股并连接主缆与吊索（如有）的构件。主要承受吊索的拉力。按作用分为：有吊索索夹、无吊索索夹。无吊索索夹仅对主缆进行紧固，有吊索索夹既对主缆进行紧固，又通过吊索承受桥面荷载。按结构形式分为：销接式、骑跨式。按成型方式分为：铸造结构、焊接结构、铸焊结构。二、结构计算：索鞍、索夹是悬索桥主要受力构件，具有“一桥一型”的特点，其结构计算按现行的悬索桥设计规范（报批稿），采用手工计算和有限元分析相结合，以空间有限元分析结果为判定依据。1. 索鞍通过全桥计算得到主缆的拉力，将主缆拉力换算成对鞍槽底面的竖向力和鞍槽侧面的水平力。手工计算用竖向力计算肋传力索鞍中肋的应力，用水平力计算鞍槽侧面的弯矩，再与索鞍材料的容许应力进行对比。有限元空间分析将竖向力和水平力输入索鞍模型，计算综合应力。2. 索夹索夹设计重点是强度和抗滑安全系数，索夹与主缆摩擦力必须大于吊索拉力产生的下滑力。取吊索与主缆夹角最大处的索夹进行计算，用全桥计算得到的吊索拉力、索夹夹角求得下滑力，下滑力除摩阻系数得到最小夹紧力。手工计算用夹紧力计算螺栓应力、索夹环向拉应力、弯曲应力。有限元空间分析将夹紧力输入索夹模型，计算综合应力。以上分析，不管是手工计算还是有限元空间计算，均存在不足：无法准确计算因材料自身缺陷及焊接、锻造等加工缺陷造成的材料非线性和许用应力折减。也未考虑主缆钢丝间，及钢丝与索鞍、索夹为线接触造成的应力变化。基于计算模型不准确和缺陷折减不确定，给索鞍索夹的精确设计算带来了困难。三、材料选择：1.铸 钢索鞍鞍槽、索夹结构复杂，一般采用铸造成型，但是我们国家铸造材料多保证常温（20）力学性能，这就给低温、寒冷地区索鞍、索夹的材料选择带来了困难。解决这一问题的主要办法有：（1） 研发耐低温铸造材料及其铸造技术；（2） 采用耐低温钢板焊接成型；由于耐低温铸造材料的研发周期长，同时耐低温钢板材料技术成熟，因此采用耐低温钢板材料焊接成型是近一段时间内解决寒冷地区索鞍、索夹材料选择的有效手段。由于普通中高碳碳素铸钢，加热后在空气中有自淬硬趋势，在后续的缺陷修补、外观精整工序都需要火焰加热，很容易出现延迟裂纹而影响其安全，应该引起重视。如结构需要高的强度，宜采用增加截面尺寸保证强度，或采用中低碳钢、合金钢进行调质处理以增加材料的容许应力。2.钢 板索鞍产品钢板使用量相对较小，钢板的规格、型号应适当合并，以便于组织生产，降低成本。随着材料技术的进步，桥梁结构钢较锅炉钢具有更宽的低温性能，完全满足悬索桥在各种环境条件的要求，且焊接性能优异，宜统一选用桥梁结构钢。四、结构及尺寸：1.索 鞍索鞍重量、外形尺寸应综合考虑运输和安装成本，运输、吊装重量宜控制50吨以内，否则应进行分块。索鞍铸件越大，钢水流动距离越长，越容易出现欠铸、疏松等缺陷，质量保证难度越大，铸造单位的可选范围大大缩小，为控制质量、降低成本，单个铸件重量宜控制在30吨以内，否则应采用铸焊结构。铸造时应保证钢水充型顺利，尽量减少结构壁厚差异以达到顺序凝固，索鞍铸件主肋厚度不应小于鞍体外形尺寸的7%，加劲肋厚度不应小于主肋厚度的50%。3. 索 夹索夹分半常采用左右半或上下半，由于主缆钢丝直径的偏差和主缆孔隙率偏差，索夹内孔直径大于300mm的销接式，应选用上下半结构以保证桥位顺利安装。 索夹圆弧部位壁厚薄，为保证铸造时钢水充填顺利，其长度尺寸应小于壁厚的50倍，否则应分段。利用紧固时圆弧部位变形，增加索夹与主缆的接触，提高其抗滑安全系数，这是国际上近几年的先进技术，其具体方法是采用低合金铸钢调质提高材料强度，在同等荷载下，材料强度增加了，就可适当降低索夹壁厚，达到增加索夹的弹性的目的。五、铸 造：国家现行标准规定，采用同炉钢水浇注的试样代表铸件性能。这种检测方法不严谨，因为试样截面尺寸为30mm远小于铸件截面尺寸，且试样为单独浇注，其铸造难度远小于产品的浇注难度，代表性不够。欧盟标准是在产品上远离浇注口的位置，附注试样尺寸不小于产品最大截面的试样，这样代表性就足够了，值得我们借鉴、引用。六、焊 接：为保证产品的强度，结构焊缝采用熔透，并控制焊缝内的气孔、夹渣、裂纹等缺陷，无可厚非。因熔透焊缝填充金属多、焊接收缩应力大、结构变形大，对诸如连接焊缝就不需要再选用熔透焊缝了。现行熔透焊缝的质量控制，采用探伤检查内部有无超标缺陷，用焊评试样代替产品焊缝力学性能。由于两者条件的差异，其代表性也不够。欧盟标准采用在焊缝延伸段取试，代表产品焊缝性能，同时增加焊缝韧性的检测，即焊缝裂纹尖端开口试验，这样比较科学、合理。关于焊接工艺评定，除非重要工艺要素发生改变，如选用新材料、新方法，应该允许用有效期内的合格焊接工艺评定覆盖、代用，完全不考虑是否有重要工艺要素改变，硬性规定每个项目都做，就没有什么意义了。七、探 伤：现行行业标准或通用做法是对加工面及焊缝进行探伤，但通过应力有限元分析知道，其实危险截面或应力最大往往不在这些位置，因此探伤部位应根据应力分析结果进行选择，加强对诸如索鞍主肋、索夹圆弧部位等的缺陷控制。射线探伤在索鞍、索夹的质量控制中，适用性不高。射线探伤利用射线穿透产品成像，对圆弧、厚薄差异失真严重，对厚度方向重叠缺陷无法识别，其准确性不够。同时射线辐射对人危害大，需要有效屏蔽，索鞍索夹体积大，进出屏蔽室操作困难。超声波探伤准确、可靠、方便，完全能满足索鞍、索夹探伤的要求。八、涂 装：为防止擦伤主缆钢丝，索鞍鞍槽、索夹内孔面采用喷锌处理。锌丝加热熔化后，用压缩空气喷射成雾状颗粒固结于涂装表面，颗粒间不可避免存在微小间歇，在桥位安装施工阶段，很容易生锈。如果在锌层表面喷涂密封漆，防腐的问题虽然解决了，但这些表面的摩阻系数下降，可能造成主缆钢丝在索鞍内滑移及索夹在主缆上滑移，这个矛盾还没有好的解决办法。索鞍、索夹中铸件的涂装前处理，要特别注意去除皮下组织中的油污、水分等有害物资。这是由于铸件组织本身不是很致密，在加工冷却、探伤等工序使用的油、水等介质容易渗入铸件内部，喷砂及其他除油、除锈作业仅能去除其表面的油、水，随着气温的变化和使用时间增长，内部油、水浸出造成涂装层剥落，解决方法喷砂除锈前加热将内部油、水彻底蒸发。索鞍、索夹中的螺栓连接副采用发蓝、发黑、氧化处理等进行防腐，这不科学。发蓝、发黑、氧化处理均属装饰性涂层，其防腐等级低、周期短，在室内仅有2个月的防腐周期，经常出现在安装过程中就开始生锈，解决方法采用镀锌去氢处理。九、现场安装索鞍、索夹现场安装周期长，安装过程中要对涂装层进行有效保护，杜绝裸露存放，减少安装碰划伤，对碰划伤及时修补。座板、底板等预埋件，外形大、板薄，吊装时应保证合理的吊点布置，防止变形。压浆前应准确定位、有效固定，防止压浆时产生位移和板的变形。十、运营维护我们国家的悬索桥建设，普遍存在重设计、重施工、轻维护。对索鞍、索夹的维护应增加如下内容。（1） 设计阶段：从设计上应增加系统、科学的维护技术要求及方法。（2）悬索桥营运阶段应：定期检查、维护索鞍、索夹的防腐涂装层。定期补足连接螺栓的预紧力。定期检查结构、材料、焊缝的应力及疲劳情况，对轻微疲劳应及时进行焊补，防止扩大。对重大缺陷应报大桥管理者制定解决方案。结束语索鞍索夹是悬索桥中的重要受力构件，使用周期长、涉及