CN108229035B - 一种用于斜拉桥分丝夹持型鞍座的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于斜拉桥分丝夹持型鞍座的设计方法，具体设计操作如下：建立斜拉桥结构计算模型和鞍座两端不平衡索力计算模型，采用桥梁结构计算程序计算鞍座两端最大不平衡索力及相应的鞍座两端索力，对已知拉索与鞍座间摩擦系数的鞍座进行最大不平衡索力下的抗滑移安全系数计算，根据抗滑移安全系数的计算结果判定是否及如何采用分丝夹持型鞍座。本发明提出了一种对斜拉桥鞍座按承载要求进行设计的方法，提高了斜拉桥鞍座设计的安全性和合理性。

Description

一种用于斜拉桥分丝夹持型鞍座的设计方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，尤其是涉及一种用于斜拉桥分丝夹持型鞍座的设计方法。

背景技术

斜拉桥包括索塔、主梁及拉索等。当拉索采用中部连续穿过索塔，两端锚固于主梁的型式时，在索塔上即要设置鞍座，以穿过拉索并传递拉索转向径向荷载及拉索力不平衡荷载。

目前，常见的鞍座有两种型式，即整束索双套管式和单索股分丝管式。整束索双套管式鞍座在内套管灌注环氧砂浆保护和粘结拉索，传递拉索荷载。单索股分丝管式鞍座又可分为两种类型，即端部握裹型和沿程夹持型。端部握裹型单索股分丝管式鞍座在鞍座两端设置连接锥管，内灌注环氧砂浆保护和粘结拉索，传递拉索荷载。沿程夹持型单索股分丝管式鞍座又称分丝夹持型鞍座，通过鞍座内V形分丝管与索股间的挤压和摩擦作用传递拉索荷载。

分丝夹持型鞍座因其独特的工作机理，使得拉索的安装和更换十分简单，工程应用逐渐增多。但不同桥梁的拉索或同一桥梁的不同拉索对鞍座承受并传递拉索力不平衡荷载的要求各不相同，如何准确计算分丝夹持型鞍座的抗滑移安全系数，合理有效地应用分丝夹持型鞍座，成为技术进一步推广应用面临的关键问题。

传统对上述问题的解决方式存在的问题有：

(1)鞍座两端拉索不平衡索力的计算不准确：在斜拉桥结构计算中简单地取用鞍座一端拉索最大索力和另一端拉索相应索力、或鞍座一端拉索最大索力和另一端拉索最小索力，造成取用的不平衡索力的偏小或偏大。

(2)利用不平衡索力设计鞍座的标准不明确：将利用不平衡索力进行设计变为对已选定的鞍座进行安全验算，高于相关标准均可；或认为已选定的鞍座具有足够的承载能力而不予验算，造成鞍座设计的保守或冒险。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种用于斜拉桥分丝夹持型鞍座的设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于斜拉桥分丝夹持型鞍座的设计方法，所述斜拉桥包括索塔、主梁以及穿过索塔连接主梁的拉索，所述拉索由多股钢绞线索股组成，所述拉索中部连续穿过索塔，两端锚固于主梁，所述分丝夹持型鞍座的设计是指根据鞍座抗滑移安全系数的计算结果判定是否及如何采用分丝夹持型鞍座，所述设计方法包括以下几个步骤：

(1)建立鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT的计算模型；

(2)采用桥梁结构计算程序计算鞍座两端拉索最大不平衡索力名义值ΔT_max及相应的鞍座两端拉索索力F₁、F₂；

(3)对已实测出拉索与鞍座间摩擦系数μ的鞍座进行最大不平衡索力下的抗滑移安全系数k的计算；

(4)根据抗滑移安全系数的计算结果判定是否及如何采用分丝夹持型鞍座。

进一步地，所述步骤(1)中，采用桥梁结构通用计算程序MIDAS CIVIL建立斜拉桥结构计算模型。斜拉桥结构计算模型采用空间杆系有限元模型，拉索采用索单元模拟，主梁和桥塔采用梁单元模拟。鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT的计算模型为斜拉桥结构计算模型的组成部分。

进一步地，所述步骤(1)中，建立鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT的计算模型采用以下方式：

(1.1)在鞍座轴线所在的平面内、拉索轴线直线延长线的交点上，建立相互垂直、连接索塔与拉索的两个连杆单元；

(1.2)两个连杆单元中的纵连杆单元沿拉索轴线直线延长线夹角θ的平分线方向设置，横连杆单元沿所述平分线的垂线方向设置；

(1.3)所述横连杆单元的内力即为鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT，ΔT与拉索不平衡索力实际值F₁-F₂之间存在线性对应关系，即ΔT＝(F₁-F₂)×sin(θ/2)。

进一步地，所述步骤(2)中，采用桥梁结构通用计算程序MIDAS CIVIL计算鞍座两端拉索最大不平衡索力名义值ΔT_max及相应的鞍座两端拉索索力F₁、F₂包括以下几个步骤：

(2.1)进行桥梁施工模拟计算，直至得到成桥永久作用下鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT⁰及相应的鞍座两端拉索索力F₁ ⁰、F₂ ⁰；

(2.2)进行桥梁运营状态计算，分别得到各种可变作用下鞍座两端拉索最大不平衡索力名义值ΔT_max ⁱ及相应的鞍座两端拉索索力F₁ ⁱ、F₂ ⁱ，其中，i表示第i个可变作用效应；

(2.3)利用MIDAS CIVIL进行作用效应最不利组合，鞍座两端拉索最大不平衡索力名义值ΔT_max及相应的鞍座两端拉索索力F₁、F₂按以下公式确定：

式中，j表示i个可变作用效应中符合相关标准的组合规定和最不利组合条件的第j个可变作用效应。

进一步地，步骤(2.1)的具体方法为：

利用桥梁结构通用计算程序MIDAS CIVIL的施工模拟计算功能，对应桥梁施工阶段，划分桥梁计算阶段，并规定斜拉桥结构总体计算模型中所有单元、永久作用、施工荷载开始参与计算的阶段和可能退出计算的阶段，运行MIDAS CIVIL时，程序自动对每阶段建立阶段计算模型和阶段施加作用，进行计算，并进行各阶段计算结果的累加，以此，进行桥梁施工模拟计算，直至得到成桥永久作用下鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT⁰及相应的鞍座两端拉索索力F₁ ⁰、F₂ ⁰。

进一步地，步骤(2.2)的具体方法为：

利用桥梁结构通用计算程序MIDAS CIVIL的运营仿真计算功能，对应桥梁运营功能，选择包括汽车车道荷载(含冲击作用)、汽车制动力、均匀升温作用、梯度升温作用、均匀降温作用、梯度降温作用、风荷载的可变作用，并指定需要进行最不利状态(受力、变形)计算的单元，运行MIDAS CIVIL时，程序自动对运营阶段成桥模型的指定单元进行各种可变作用下的最不利状态计算，由此，通过桥梁运营状态计算，分别得到所述可变作用下鞍座两端拉索最大不平衡索力名义值ΔT_max ⁱ及相应的鞍座两端拉索索力F₁ ⁱ、F₂ ⁱ，其中，i表示第i个可变作用效应。

进一步地，步骤(2.3)中，

所述组合规定指永久作用效应必组合，升温与降温作用效应不同时组合，

所述最不利组合条件是指：具有相同的“±”号，可变作用效应方可进行相互组合，

所述最不利组合是指：永久作用效应分别与具有相同“±”号的可变作用效应进行组合，得到相同“±”号下的两个最不利组合，取用其中绝对值最大的最不利组合。

进一步地，所述步骤(3)中，鞍座抗滑移安全系数k按以下公式计算：

进一步地，所述步骤(4)中，判定是否及如何采用分丝夹持型鞍座按以下规则执行：

(4.1)当k＜2时，不可采用分丝夹持型鞍座；

(4.2)当k≥2时，可以采用分丝夹持型鞍座；

(4.3)当k≥4且V形分丝管的V形夹角α＝60°时，可以采用分丝夹持型鞍座，也可以通过进一步验证采用简化的分丝圆管型鞍座。

进一步地，若采用分丝夹持型鞍座，所述分丝夹持型鞍座设置在索塔上，所述拉索中部连续穿过索塔上设置的分丝夹持型鞍座，所述分丝夹持型鞍座由外壳板、设置在外壳板内的V形分丝管及填充在外壳板内V形分丝管间的填充料组成，所述索股穿过V形分丝管。

本发明还提供一种采用分丝夹持型鞍座的斜拉桥，所述斜拉桥包括索塔、主梁以及穿过索塔连接主梁的拉索，所述拉索由多股钢绞线索股组成，所述拉索中部连续穿过索塔上设置的分丝夹持型鞍座，两端锚固于主梁，所述分丝夹持型鞍座由外壳板、设置在外壳板内的V形分丝管及填充在外壳板内V形分丝管间的填充料组成，所述索股穿过V形分丝管。

本发明提出了一种对斜拉桥鞍座按承载要求进行设计的方法，推动了分丝夹持型鞍座的进一步推广应用，并且克服了传统设计存在的问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在以下方面：

(1)提出了基于鞍座两端拉索最大不平衡索力计算鞍座抗滑移安全系数，进而进行鞍座设计的系统方法，提高了设计的安全性和合理性；

(2)解决了建立鞍座两端拉索不平衡索力计算模型中的技术问题，提出了精确计算最大不平衡索力下的鞍座抗滑移安全系数的理论公式；

(3)制定出根据鞍座抗滑移安全系数的计算结果，定量判定是否及如何采用分丝夹持型鞍座的规则，对鞍座的设计具有普遍的借鉴意义。

附图说明

图1为单柱式独塔斜拉桥总体布置示意图；

图2为图1的钢绞线索股拉索截面示意图；

图3为图1的分丝夹持型鞍座布设示意图；

图4为图3的分丝夹持型鞍座结构示意图；

图5为图1的斜拉桥结构计算模型示意图；

图6为图3的拉索不平衡索力计算模型图。

图中：1-斜拉桥；2-索塔；3-主梁；4-拉索；5-索股；6-分丝夹持型鞍座；7-V形分丝管；8-纵连杆单元；9-横连杆单元。

具体实施方式

一种用于斜拉桥分丝夹持型鞍座的设计方法，所述斜拉桥包括索塔、主梁以及穿过索塔连接主梁的拉索，所述拉索由多股钢绞线索股组成，所述拉索中部连续穿过索塔，两端锚固于主梁，所述分丝夹持型鞍座的设计是指根据鞍座抗滑移安全系数的计算结果判定是否及如何采用分丝夹持型鞍座，所述设计方法包括以下几个步骤：

(1)建立鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT的计算模型；

(2)采用桥梁结构计算程序计算鞍座两端拉索最大不平衡索力名义值ΔT_max及相应的鞍座两端拉索索力F₁、F₂；

(3)对已实测出拉索与鞍座间摩擦系数μ的鞍座进行最大不平衡索力下的抗滑移安全系数k的计算；

(4)根据抗滑移安全系数的计算结果判定是否及如何采用分丝夹持型鞍座。

所述步骤(1)中，采用桥梁结构通用计算程序MIDAS CIVIL建立斜拉桥结构计算模型。斜拉桥结构计算模型采用空间杆系有限元模型，拉索采用索单元模拟，主梁和桥塔采用梁单元模拟。鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT的计算模型为斜拉桥结构计算模型的组成部分。建立鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT的计算模型采用以下方式：

(1.1)在鞍座轴线所在的平面内、拉索轴线直线延长线的交点上，建立相互垂直、连接索塔与拉索的两个连杆单元；

(1.2)两个连杆单元中的纵连杆单元沿拉索轴线直线延长线夹角θ的平分线方向设置，横连杆单元沿所述平分线的垂线方向设置；

(1.3)所述横连杆单元的内力即为鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT，ΔT与拉索不平衡索力实际值F₁-F₂之间存在线性对应关系，即ΔT＝(F₁-F₂)×sin(θ/2)。

所述步骤(2)中，采用桥梁结构通用计算程序MIDAS CIVIL计算鞍座两端拉索最大不平衡索力名义值ΔT_max及相应的鞍座两端拉索索力F₁、F₂包括以下几个步骤：

(2.1)利用桥梁结构通用计算程序MIDAS CIVIL的施工模拟计算功能，对应桥梁施工阶段，划分桥梁计算阶段，并规定斜拉桥结构总体计算模型中所有单元、永久作用、施工荷载开始参与计算的阶段和可能退出计算的阶段，运行MIDAS CIVIL时，程序自动对每阶段建立阶段计算模型和阶段施加作用，进行计算，并进行各阶段计算结果的累加，以此，进行桥梁施工模拟计算，直至得到成桥永久作用下鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT⁰及相应的鞍座两端拉索索力F₁ ⁰、F₂ ⁰。

(2.2)利用桥梁结构通用计算程序MIDAS CIVIL的运营仿真计算功能，对应桥梁运营功能，选择包括汽车车道荷载(含冲击作用)、汽车制动力、均匀升温作用、梯度升温作用、均匀降温作用、梯度降温作用、风荷载的可变作用，并指定需要进行最不利状态(受力、变形)计算的单元，运行MIDAS CIVIL时，程序自动对运营阶段成桥模型的指定单元进行各种可变作用下的最不利状态计算，由此，通过桥梁运营状态计算，分别得到所述可变作用下鞍座两端拉索最大不平衡索力名义值ΔT_max ⁱ及相应的鞍座两端拉索索力F₁ ⁱ、F₂ ⁱ，其中，i表示第i个可变作用效应。

(2.3)利用MIDAS CIVIL进行作用效应最不利组合，鞍座两端拉索最大不平衡索力名义值ΔT_max及相应的鞍座两端拉索索力F₁、F₂按以下公式确定：

式中，j表示i个可变作用效应中符合相关标准的组合规定和最不利组合条件的第j个可变作用效应。

所述组合规定指永久作用效应必组合，升温与降温作用效应不同时组合，

所述最不利组合条件是指：具有相同的“±”号，可变作用效应方可进行相互组合，

所述最不利组合是指：永久作用效应分别与具有相同“±”号的可变作用效应进行组合，得到相同“±”号下的两个最不利组合，取用其中绝对值最大的最不利组合。

所述步骤(3)中，鞍座抗滑移安全系数k按以下公式计算：

所述步骤(4)中，判定是否及如何采用分丝夹持型鞍座按以下规则执行：

(4.1)当k＜2时，不可采用分丝夹持型鞍座；

(4.2)当k≥2时，可以采用分丝夹持型鞍座；

(4.3)当k≥4且V形分丝管的V形夹角α＝60°时，可以采用分丝夹持型鞍座，也可以通过进一步验证采用简化的分丝圆管型鞍座。

若采用分丝夹持型鞍座，所述分丝夹持型鞍座设置在索塔上，所述拉索中部连续穿过索塔上设置的分丝夹持型鞍座，所述分丝夹持型鞍座由外壳板、设置在外壳板内的V形分丝管及填充在外壳板内V形分丝管间的填充料组成，所述索股穿过V形分丝管。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

下述实施例以本发明技术方案为前提下进行，给出详细实施方式、具体操作过程和定量计算结果，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

实施例1

参见图1，双主跨190m独塔斜拉桥1由索塔2、主梁3、拉索4等组成。

参见图2、图3，拉索4由多股钢绞线索股5组成，中部连续穿过索塔2上设置的分丝夹持型鞍座6，两端锚固于主梁3。

参见图4，分丝夹持型鞍座6由外壳板、设置在外壳板内的V形分丝管7及填充在外壳板内V形分丝管7间的填充料组成，V形分丝管7的V形夹角α＝60°，索股5穿过V形分丝管7。按鞍座抗滑移安全的需要，设计使用于斜拉桥1。

参见图5、图6，图5中标号11表示单向支撑结构，标号12表示塔底固结结构，标号13表示塔梁固结结构，图6中，标号O表示鞍座圆心，标号F_内表示纵连杆内力，标号L表示θ平分线。

其中，斜拉桥第1号拉索4的鞍座设计过程为：

第一步，采用桥梁结构通用计算程序MIDAS CIVIL建立斜拉桥1的结构计算模型和鞍座两端拉索4不平衡索力名义值ΔT的计算模型。

(1)在鞍座轴线所在的平面内、拉索4轴线直线延长线的交点上，建立相互垂直、连接索塔2与拉索4的两个连杆单元；

(2)两个连杆单元中的纵连杆单元8沿拉索轴线直线延长线夹角θ的平分线方向设置，横连杆单元9沿所述平分线的垂线方向设置；

(3)横连杆单元9的内力即为鞍座两端拉索4不平衡索力名义值ΔT，ΔT与拉索4不平衡索力实际值F₁-F₂之间存在线性对应关系，即ΔT＝(F₁-F₂)×sin(θ/2)。

第二步，采用桥梁结构通用计算程序MIDAS CIVIL计算出鞍座两端拉索4最大不平衡索力名义值及相应的鞍座两端拉索4索力分别为ΔT_max＝195Mpa，F₁＝740Mpa，F₂＝545Mpa。

第三步，已知拉索4与鞍座间的摩擦系数μ＝0.4，拉索4轴线直线延长线夹角θ＝1.4835，鞍座在最大不平衡索力下的抗滑移安全系数k按公式k＝μ×(π-θ)/ln(F₁/F₂)计算为k＝2.2108。

第四步，按以下规则进行设计判定：

(1)当k＜2时，不可采用分丝夹持型鞍座；

(2)当k≥2时，可以采用分丝夹持型鞍座；

(3)当k≥4且V形分丝管的V形夹角α＝60°时，可以采用分丝夹持型鞍座，也可以通过进一步验证采用简化的分丝圆管型鞍座。

现k＝2.2108，分丝夹持型鞍座6可以直接设计使用于斜拉桥1的第1号拉索4。

采用本发明提出的对斜拉桥鞍座按承载要求进行设计的方法，有效提高了设计的科学性、安全性和合理性。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于斜拉桥分丝夹持型鞍座的设计方法，所述斜拉桥包括索塔、主梁以及穿过索塔连接主梁的拉索，所述拉索由多股钢绞线索股组成，所述拉索中部连续穿过索塔，两端锚固于主梁，其特征在于，所述分丝夹持型鞍座的设计是指根据鞍座抗滑移安全系数的计算结果判定是否及如何采用分丝夹持型鞍座，所述设计方法包括以下几个步骤：

(1)建立鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT的计算模型；

(2)采用桥梁结构通用计算程序MIDAS CIVIL计算鞍座两端拉索最大不平衡索力名义值ΔT_max及相应的鞍座两端拉索索力F₁、F₂；

(3)对已实测出拉索与鞍座间摩擦系数μ的鞍座进行最大不平衡索力下的抗滑移安全系数k的计算；

(4)根据抗滑移安全系数的计算结果判定是否及如何采用分丝夹持型鞍座；

所述步骤(3)中，鞍座抗滑移安全系数k按以下公式计算：

其中，θ为拉索轴线直线延长线夹角；

所述步骤(4)中，判定是否及如何采用分丝夹持型鞍座按以下规则执行：

(4.1)当k＜2时，不可采用分丝夹持型鞍座；

(4.2)当k≥2时，可以采用分丝夹持型鞍座；

(4.3)当k≥4且V形分丝管的V形夹角α＝60°时，可以采用分丝夹持型鞍座，也可以通过进一步验证采用简化的分丝圆管型鞍座。

2.根据权利要求1所述的一种用于斜拉桥分丝夹持型鞍座的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，建立鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT的计算模型采用以下方式：

(1.1)在鞍座轴线所在的平面内、拉索轴线直线延长线的交点上，建立相互垂直、连接索塔与拉索的两个连杆单元；

(1.2)两个连杆单元中的纵连杆单元沿拉索轴线直线延长线夹角θ的平分线方向设置，横连杆单元沿所述平分线的垂线方向设置；

(1.3)所述横连杆单元的内力即为鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT，ΔT与拉索不平衡索力实际值F₁-F₂之间存在线性对应关系，即ΔT＝(F₁-F₂)×sin(θ/2)。

3.根据权利要求1所述的一种用于斜拉桥分丝夹持型鞍座的设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用桥梁结构通用计算程序MIDAS CIVIL计算鞍座两端拉索最大不平衡索力名义值ΔT_max及相应的鞍座两端拉索索力F₁、F₂包括以下几个步骤：

(2.1)进行桥梁施工模拟计算，直至得到成桥永久作用下鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT⁰及相应的鞍座两端拉索索力F₁ ⁰、F₂ ⁰；

(2.2)进行桥梁运营状态计算，分别得到各种可变作用下鞍座两端拉索最大不平衡索力名义值ΔT_max ⁱ及相应的鞍座两端拉索索力F₁ ⁱ、F₂ ⁱ，其中，i表示第i个可变作用效应；

(2.3)利用MIDAS CIVIL进行作用效应最不利组合，鞍座两端拉索最大不平衡索力名义值ΔT_max及相应的鞍座两端拉索索力F₁、F₂按以下公式确定：

式中，j表示i个可变作用效应中符合相关标准的组合规定和最不利组合条件的第j个可变作用效应；

步骤(2.1)的具体方法为：

利用桥梁结构通用计算程序MIDAS CIVIL的施工模拟计算功能，对应桥梁施工阶段，划分桥梁计算阶段，并规定斜拉桥结构总体计算模型中所有单元、永久作用、施工荷载开始参与计算的阶段和可能退出计算的阶段，运行MIDAS CIVIL时，程序自动对每阶段建立阶段计算模型和阶段施加作用，进行计算，并进行各阶段计算结果的累加，以此，进行桥梁施工模拟计算，直至得到成桥永久作用下鞍座两端拉索不平衡索力名义值ΔT⁰及相应的鞍座两端拉索索力F₁ ⁰、F₂ ⁰；

步骤(2.2)的具体方法为：

利用桥梁结构通用计算程序MIDAS CIVIL的运营仿真计算功能，对应桥梁运营功能，选择包括汽车车道荷载、汽车制动力、均匀升温作用、梯度升温作用、均匀降温作用、梯度降温作用、风荷载的可变作用，并指定需要进行最不利状态计算的单元，运行MIDAS CIVIL时，程序自动对运营阶段成桥模型的指定单元进行各种可变作用下的最不利状态计算，由此，通过桥梁运营状态计算，分别得到所述可变作用下鞍座两端拉索最大不平衡索力名义值ΔT_max ⁱ及相应的鞍座两端拉索索力F₁ ⁱ、F₂ ⁱ，其中，i表示第i个可变作用效应；

步骤(2.3)中，

所述组合规定指永久作用效应必组合，升温与降温作用效应不同时组合，

所述最不利组合条件是指：具有相同的“±”号，可变作用效应方可进行相互组合，

所述最不利组合是指：永久作用效应分别与具有相同“±”号的可变作用效应进行组合，得到相同“±”号下的两个最不利组合，取用其中绝对值最大的最不利组合。

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