懸索橋索鞍、索夾設(shè)計、施工、維護

懸索橋因造型美觀、跨越能力大在現(xiàn)代橋梁中得以迅速發(fā)展，特別在大跨徑橋梁中占有絕對優(yōu)勢。我國的現(xiàn)代懸索橋建設(shè)經(jīng)歷了從技術(shù)引進到自主設(shè)計、制造、施工的快速發(fā)展，當之無愧成為世界懸索橋大國，但我們也應(yīng)清醒認識到，離懸索橋強國還有很大距離。 索鞍、索夾造價在懸索橋整橋建設(shè)成本中比例小，作為核心受力構(gòu)件，其質(zhì)量決定了全橋的安全,我們須高度重視，以避免“千里之堤,潰于蟻穴”。

一、結(jié)構(gòu)形式和受力特點：

1. 索鞍

索鞍是為主纜提供支撐并使其線形平順改變方向的構(gòu)件，主要承受主纜的豎向壓力和主纜鋼絲的水平力。

1索鞍按位置分為：主索鞍、轉(zhuǎn)索鞍、散索鞍（套）。其中散索套主要用于跨度較小的懸索橋。

按結(jié)構(gòu)形式分為：肋傳力結(jié)構(gòu)、殼傳力結(jié)構(gòu)。肋傳力結(jié)構(gòu)用于砼基礎(chǔ)支撐，殼傳力結(jié)構(gòu)用于鋼結(jié)構(gòu)支撐。

按成型方式分為：鑄造結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)、鑄焊結(jié)構(gòu)。 按位移方式分為：滑動式、滾動式、擺動式、滑轉(zhuǎn)式。

2. 索夾

索夾的是緊箍主纜索股并連接主纜與吊索（如有）的構(gòu)件。主要承受吊索的拉力。

按作用分為：有吊索索夾、無吊索索夾。無吊索索夾僅對主纜進行緊固，有吊索索夾既對主纜進行緊固，又通過吊索承受橋面荷載。 按結(jié)構(gòu)形式分為：銷接式、騎跨式。

按成型方式分為：鑄造結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)、鑄焊結(jié)構(gòu)。

二、結(jié)構(gòu)計算：

索鞍、索夾是懸索橋主要受力構(gòu)件，具有“一橋一型”的特點，其結(jié)構(gòu)計算按現(xiàn)行的《懸索橋設(shè)計規(guī)范》（報批稿），采用手工計算和有限元分析相結(jié)合，以空間有限元分析結(jié)果為判定依據(jù)。

1. 索鞍

通過全橋計算得到主纜的拉力，將主纜拉力換算成對鞍槽底面的豎向力和鞍槽側(cè)面的水平力。

手工計算用豎向力計算肋傳力索鞍中肋的應(yīng)力，用水平力計算鞍槽側(cè)面的彎矩，再與索鞍材料的容許應(yīng)力進行對比。

有限元空間分析將豎向力和水平力輸入索鞍模型，計算綜合應(yīng)力。

2. 索夾

索夾設(shè)計重點是強度和抗滑安全系數(shù)，索夾與主纜摩擦力必須大于吊索拉力產(chǎn)生的下滑力。取吊索與主纜夾角最大處的索夾進行計算，用全橋計算得到的吊索拉力、索夾夾角求得下滑力，下滑力除摩阻系數(shù)得到最小夾緊力。

手工計算用夾緊力計算螺栓應(yīng)力、索夾環(huán)向拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力。 有限元空間分析將夾緊力輸入索夾模型，計算綜合應(yīng)力。 以上分析，不管是手工計算還是有限元空間計算，均存在不足：無法準確計算因材料自身缺陷及焊接、鍛造等加工缺陷造成的材料非線性和許用應(yīng)力折減。也未考慮主纜鋼絲間，及鋼絲與索鞍、索夾為線接觸造成的應(yīng)力變化。

基于計算模型不準確和缺陷折減不確定，給索鞍索夾的精確設(shè)計算帶來了困難。

三、材料選擇：

1.鑄 鋼

索鞍鞍槽、索夾結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般采用鑄造成型，但是我們國家鑄造材料多保證常溫（20℃）力學性能，這就給低溫、寒冷地區(qū)索鞍、索夾的材料選擇帶來了困難。 解決這一問題的主要辦法有：

（1） 研發(fā)耐低溫鑄造材料及其鑄造技術(shù)； （2） 采用耐低溫鋼板焊接成型；

由于耐低溫鑄造材料的研發(fā)周期長，同時耐低溫鋼板材料技術(shù)成熟，因此采用耐低溫鋼板材料焊接成型是近一段時間內(nèi)解決寒冷地區(qū)索鞍、索夾材料選擇的有效手段。

由于普通中高碳碳素鑄鋼，加熱后在空氣中有自淬硬趨勢，在后續(xù)的缺陷修補、外觀精整工序都需要火焰加熱，很容易出現(xiàn)延遲裂紋而影響其安全，應(yīng)該引起重視。如結(jié)構(gòu)需要高的強度，宜采用增加截面尺寸保證強度，或采用中低碳鋼、合金鋼進行調(diào)質(zhì)處理以增加材料的容許應(yīng)力。

2.鋼 板

索鞍產(chǎn)品鋼板使用量相對較小，鋼板的規(guī)格、型號應(yīng)適當合并，以便于組織生產(chǎn)，降低成本。

隨著材料技術(shù)的進步，橋梁結(jié)構(gòu)鋼較鍋爐鋼具有更寬的低溫性能，完全滿足懸索橋在各種環(huán)境條件的要求，且焊接性能優(yōu)異，宜統(tǒng)一選用橋梁結(jié)構(gòu)鋼。

四、結(jié)構(gòu)及尺寸：

1.索 鞍

索鞍重量、外形尺寸應(yīng)綜合考慮運輸和安裝成本，運輸、吊裝重量宜控制50噸以內(nèi)，否則應(yīng)進行分塊。

索鞍鑄件越大，鋼水流動距離越長，越容易出現(xiàn)欠鑄、疏松等缺陷，質(zhì)量保證難度越大，鑄造單位的可選范圍大大縮小，為控制質(zhì)量、降低成本，單個鑄件重量宜控制在30噸以內(nèi)，否則應(yīng)采用鑄焊結(jié)構(gòu)。

鑄造時應(yīng)保證鋼水充型順利，盡量減少結(jié)構(gòu)壁厚差異以達到順序

凝固，索鞍鑄件主肋厚度不應(yīng)小于鞍體外形尺寸的7%，加勁肋厚度不應(yīng)小于主肋厚度的50%。

2. 索 夾

索夾分半常采用左右半或上下半，由于主纜鋼絲直徑的偏差和主纜孔隙率偏差，索夾內(nèi)孔直徑大于300mm的銷接式，應(yīng)選用上下半結(jié)構(gòu)以保證橋位順利安裝。

索夾圓弧部位壁厚薄，為保證鑄造時鋼水充填順利，其長度尺寸應(yīng)小于壁厚的50倍，否則應(yīng)分段。

利用緊固時圓弧部位變形，增加索夾與主纜的接觸，提高其抗滑安全系數(shù)，這是國際上近幾年的先進技術(shù)，其具體方法是采用低合金鑄鋼調(diào)質(zhì)提高材料強度，在同等荷載下，材料強度增加了，就可適當降低索夾壁厚，達到增加索夾的彈性的目的。

五、鑄 造：

國家現(xiàn)行標準規(guī)定，采用同爐鋼水澆注的試樣代表鑄件性能。這種檢測方法不嚴謹，因為試樣截面尺寸為30mm遠小于鑄件截面尺寸，且試樣為單獨澆注，其鑄造難度遠小于產(chǎn)品的澆注難度，代表性不夠。歐盟標準是在產(chǎn)品上遠離澆注口的位置，附注試樣尺寸不小于產(chǎn)品最大截面的試樣，這樣代表性就足夠了，值得我們借鑒、引用。

六、焊 接：

為保證產(chǎn)品的強度，結(jié)構(gòu)焊縫采用熔透，并控制焊縫內(nèi)的氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，無可厚非。因熔透焊縫填充金屬多、焊接收縮應(yīng)力大、結(jié)構(gòu)變形大，對諸如連接焊縫就不需要再選用熔透焊縫了。

現(xiàn)行熔透焊縫的質(zhì)量控制，采用探傷檢查內(nèi)部有無超標缺陷，用焊評試樣代替產(chǎn)品焊縫力學性能。由于兩者條件的差異，其代表性也不夠。歐盟標準采用在焊縫延伸段取試，代表產(chǎn)品焊縫性能，同時增加焊縫韌性的檢測，即焊縫裂紋尖端開口試驗，這樣比較科學、合理。 關(guān)于焊接工藝評定，除非重要工藝要素發(fā)生改變，如選用新材料、新方法，應(yīng)該允許用有效期內(nèi)的合格焊接工藝評定覆蓋、代用，完全不考慮是否有重要工藝要素改變，硬性規(guī)定每個項目都做，就沒有什么意義了。

七、探 傷：

現(xiàn)行行業(yè)標準或通用做法是對加工面及焊縫進行探傷，但通過應(yīng)力有限元分析知道，其實危險截面或應(yīng)力最大往往不在這些位置，因此探傷部位應(yīng)根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果進行選擇，加強對諸如索鞍主肋、索夾圓弧部位等的缺陷控制。

射線探傷在索鞍、索夾的質(zhì)量控制中，適用性不高。射線探傷利用射線穿透產(chǎn)品成像，對圓弧、厚薄差異失真嚴重，對厚度方向重疊缺陷無法識別，其準確性不夠。同時射線輻射對人危害大，需要有效屏蔽，索鞍索夾體積大，進出屏蔽室操作困難。超聲波探傷準確、可靠、方便，完全能滿足索鞍、索夾探傷的要求。

八、涂 裝：

為防止擦傷主纜鋼絲，索鞍鞍槽、索夾內(nèi)孔面采用噴鋅處理。鋅絲加熱熔化后，用壓縮空氣噴射成霧狀顆粒固結(jié)于涂裝表面，顆粒間不可避免存在微小間歇，在橋位安裝施工階段，很容易生銹。如果在鋅層表面噴涂密封漆，防腐的問題雖然解決了，但這些表面的摩阻系數(shù)下降，可能造成主纜鋼絲在索鞍內(nèi)滑移及索夾在主纜上滑移，這個矛盾還沒有好的解決辦法。

索鞍、索夾中鑄件的涂裝前處理，要特別注意去除皮下組織中的油污、水分等有害物資。這是由于鑄件組織本身不是很致密，在加工冷卻、探傷等工序使用的油、水等介質(zhì)容易滲入鑄件內(nèi)部，噴砂及其他除油、除銹作業(yè)僅能去除其表面的油、水，隨著氣溫的變化和使用時間增長，內(nèi)部油、水浸出造成涂裝層剝落，解決方法噴砂除銹前加熱將內(nèi)部油、水徹底蒸發(fā)。

索鞍、索夾中的螺栓連接副采用發(fā)藍、發(fā)黑、氧化處理等進行防腐，這不科學。發(fā)藍、發(fā)黑、氧化處理均屬裝飾性涂層，其防腐等級低、周期短，在室內(nèi)僅有2個月的防腐周期，經(jīng)常出現(xiàn)在安裝過程中就開始生銹，解決方法采用鍍鋅去氫處理。

九、現(xiàn)場安裝

索鞍、索夾現(xiàn)場安裝周期長，安裝過程中要對涂裝層進行有效保護，杜絕裸露存放，減少安裝碰劃傷，對碰劃傷及時修補。

座板、底板等預(yù)埋件，外形大、板薄，吊裝時應(yīng)保證合理的吊點布置，防止變形。壓漿前應(yīng)準確定位、有效固定，防止壓漿時產(chǎn)生位移和板的變形。

十、運營維護

我們國家的懸索橋建設(shè)，普遍存在重設(shè)計、重施工、輕維護。對索鞍、索夾的維護應(yīng)增加

如下內(nèi)容。

（1） 設(shè)計階段：

從設(shè)計上應(yīng)增加系統(tǒng)、科學的維護技術(shù)要求及方法。

（2）懸索橋營運階段應(yīng)：

定期檢查、維護索鞍、索夾的防腐涂裝層。 定期補足連接螺栓的預(yù)緊力。

定期檢查結(jié)構(gòu)、材料、焊縫的應(yīng)力及疲勞情況，對輕微疲勞應(yīng)及時進行焊補，防止擴大。對重大缺陷應(yīng)報大橋管理者制定解決方案。

索鞍索夾是懸索橋中的重要受力構(gòu)件，使用周期長、涉及專業(yè)多、工藝復(fù)雜，任何一家單位對其研究都有局限。本文只是作者的一些淺見，不對之處還望專家、同行指正。希望大家都來重視、研究，通過不斷的討論、研究，找到更為科學、合理的控制方法。