懸索橋索鞍、索夾設計、施工、維護

懸索橋因造型美觀、跨越能力大在現代橋梁中得以迅速發展，特別在大跨徑橋梁中占有絕對優勢。我國的現代懸索橋建設經歷了從技術引進到自主設計、制造、施工的快速發展，當之無愧成為世界懸索橋大國，但我們也應清醒認識到，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成本中比例小，作為核心受力構件，其質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、結構形式和受力特點：

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。

按結構形式分為：肋傳力結構、殼傳力結構。肋傳力結構用于砼基礎支撐，殼傳力結構用于鋼結構支撐。

按成型方式分為：鑄造結構、焊接結構、鑄焊結構。 按位移方式分為：滑動式、滾動式、擺動式、滑轉式。

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。 按結構形式分為：銷接式、騎跨式。

按成型方式分為：鑄造結構、焊接結構、鑄焊結構。

二、結構計算：

索鞍、索夾是懸索橋主要受力構件，具有“一橋一型”的特點，其結構計算按現行的《懸索橋設計規范》（報批稿），采用手工計算和有限元分析相結合，以空間有限元分析結果為判定依據。

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面的水平力。

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

有限元空間分析將豎向力和水平力輸入索鞍模型，計算綜合應力。

2. 索夾

索夾設計重點是強度和抗滑安全系數，索夾與主纜摩擦力必須大于吊索拉力產生的下滑力。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，下滑力除摩阻系數得到最小夾緊力。

手工計算用夾緊力計算螺栓應力、索夾環向拉應力、彎曲應力。 有限元空間分析將夾緊力輸入索夾模型，計算綜合應力。 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計算帶來了困難。

三、材料選擇：

1.鑄 鋼

索鞍鞍槽、索夾結構復雜，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） 研發耐低溫鑄造材料及其鑄造技術； （2） 采用耐低溫鋼板焊接成型；

由于耐低溫鑄造材料的研發周期長，同時耐低溫鋼板材料技術成熟，因此采用耐低溫鋼板材料焊接成型是近一段時間內解決寒冷地區索鞍、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，在后續的缺陷修補、外觀精整工序都需要火焰加熱，很容易出現延遲裂紋而影響其安全，應該引起重視。如結構需要高的強度，宜采用增加截面尺寸保證強度，或采用中低碳鋼、合金鋼進行調質處理以增加材料的容許應力。

2.鋼 板

索鞍產品鋼板使用量相對較小，鋼板的規格、型號應適當合并，以便于組織生產，降低成本。

隨著材料技術的進步，橋梁結構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境條件的要求，且焊接性能優異，宜統一選用橋梁結構鋼。

四、結構及尺寸：

1.索 鞍

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

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

鑄造時應保證鋼水充型順利，盡量減少結構壁厚差異以達到順序

凝固，索鞍鑄件主肋厚度不應小于鞍體外形尺寸的7%，加勁肋厚度不應小于主肋厚度的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，索夾內孔直徑大于300mm的銷接式，應選用上下半結構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，其長度尺寸應小于壁厚的50倍，否則應分段。

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，這是國際上近幾年的先進技術，其具體方法是采用低合金鑄鋼調質提高材料強度，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：

國家現行標準規定，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品的澆注難度，代表性不夠。歐盟標準是在產品上遠離澆注口的位置，附注試樣尺寸不小于產品最大截面的試樣，這樣代表性就足夠了，值得我們借鑒、引用。

六、焊 接：

為保證產品的強度，結構焊縫采用熔透，并控制焊縫內的氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，無可厚非。因熔透焊縫填充金屬多、焊接收縮應力大、結構變形大，對諸如連接焊縫就不需要再選用熔透焊縫了。

現行熔透焊縫的質量控制，采用探傷檢查內部有無超標缺陷，用焊評試樣代替產品焊縫力學性能。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。 關于焊接工藝評定，除非重要工藝要素發生改變，如選用新材料、新方法，應該允許用有效期內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，硬性規定每個項目都做，就沒有什么意義了。

七、探 傷：

現行行業標準或通用做法是對加工面及焊縫進行探傷，但通過應力有限元分析知道，其實危險截面或應力最大往往不在這些位置，因此探傷部位應根據應力分析結果進行選擇，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、索夾的質量控制中，適用性不高。射線探傷利用射線穿透產品成像，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下降，可能造成主纜鋼絲在索鞍內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、水等介質容易滲入鑄件內部，噴砂及其他除油、除銹作業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部油、水徹底蒸發。

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

九、現場安裝

索鞍、索夾現場安裝周期長，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、底板等預埋件，外形大、板薄，吊裝時應保證合理的吊點布置，防止變形。壓漿前應準確定位、有效固定，防止壓漿時產生位移和板的變形。

十、運營維護

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

如下內容。

（1） 設計階段：

從設計上應增加系統、科學的維護技術要求及方法。

（2）懸索橋營運階段應：

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緊力。

定期檢查結構、材料、焊縫的應力及疲勞情況，對輕微疲勞應及時進行焊補，防止擴大。對重大缺陷應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件，使用周期長、涉及專業多、工藝復雜，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。