一种悬索桥主缆组合式楔形隔离板抗滑装置安装与调整方法与流程

本发明涉及一种悬索桥主缆组合式楔形隔离板抗滑装置安装与调整方法，属于大跨径悬索桥。

背景技术：

1、大跨径悬索桥发展对抗滑安全提出更高要求。悬索桥凭借跨越能力强、结构受力合理、造型优美等优势，是大跨径桥梁的首选桥型。随着我国交通基础设施向西部山区和跨江越海方向持续推进，主跨记录不断刷新。主跨的增大直接带来两个力学后果：一是主缆在塔顶索鞍处的包角减小，索股对鞍槽的正压力下降，抗滑摩擦力储备降低；二是活载、风载和温度梯度引起的索力不平衡量增大，主缆在索鞍处的顺桥向滑移驱动力显著增加。两者叠加，使得超大跨径悬索桥的索鞍抗滑安全成为控制性技术难题。

2、主缆在塔顶索鞍处经历由倾斜段向水平段的弯折过渡。在恒载状态下，两侧主缆的水平分力基本平衡，主缆与鞍槽之间以静摩擦力维持稳定。然而在以下典型工况下，主缆两侧产生顺桥向不平衡力，形成滑移驱动力：（1）非对称活载：当仅一侧桥跨通行重载车辆时，该侧主缆索力增大，另一侧不变，索鞍处产生顺桥向不平衡力差。对于公路铁路两用桥，列车集中荷载更加剧了这一效应的幅值和频次。（2）风荷载：横向风荷载引起主缆横向位移，同时通过主缆-加劲梁系统的耦合效应改变两侧索力的纵向分量，产生附加不平衡力。（3）温度梯度：日照温差使塔两侧主缆温度分布不均，热胀冷缩差异导致索力重新分配，在索鞍处产生周期性滑移趋势。（4）地震作用：地震动输入引起主缆大幅往复振动，索鞍处的主缆在反复不平衡力作用下发生累积滑移，严重时突破摩擦极限产生宏观位移。上述工况中，活载和风载为高频循环作用，温度梯度为周期性慢变作用，地震为低频偶发强作用。多因素叠加使得索鞍处主缆长期处于微动-滑移交替的复杂受力状态。

3、主缆在索鞍处一旦发生不可控滑移，将引发一系列连锁反应：①主缆线形改变，塔顶偏位增大，桥面标高偏移，影响行车舒适性和结构外观；②主缆与鞍槽的反复微动磨损导致钢丝表面防护层破损，加速腐蚀，降低主缆使用寿命；③严重滑移使主缆在鞍槽内的有效嵌固长度缩短，抗滑安全储备进一步降低，形成"滑移-磨损-承载力下降-加速滑移"的恶性循环；④极端工况下主缆整体滑出索鞍，将导致灾难性结构失效。工程实践中，国内外多座大跨径悬索桥在运营期均出现过索鞍处主缆滑移量超限的案例。部分桥梁不得不采取增设辅助索、加固鞍槽或限制通行荷载等被动补救措施，不仅耗费大量资金，也影响了桥梁的正常运营功能。

4、传统索鞍抗滑措施主要包括：加大索鞍包角、增加鞍槽内摩擦衬垫、设置固定式隔板等。这些措施存在明显局限：加大包角需增大鞍体尺寸，增加恒载和造价；摩擦衬垫在长期荷载下易蠕变松弛，摩擦系数退化且不可调节；固定式隔板在制造安装阶段即锁定位置，无法适应运营期温度、荷载变化引起的夹紧力需求变化，且拆装维护困难。随着悬索桥跨度突破2000m级，传统方案的抗滑安全措施已难以满足设计要求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种一种悬索桥主缆组合式楔形隔离板抗滑装置安装与调整方法，拆装便捷，能够根据温度与荷载变化动态调整夹紧力，精确施加夹紧力，提高抗滑性能且对钢丝无损伤。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种悬索桥主缆组合式楔形隔离板抗滑装置，设置于主缆索鞍内每三列或四列索股之间，包括双面楔形钢板和两对称布置的单面楔形板，所述单面楔形板对称插入目标索股列两侧间隙内，所述双面楔形板沿索股轴向方向楔入单面楔形板之间。

3、所述单面楔形板一侧面设有摩擦层，所述单面楔形板摩擦层与索股相接触，所述单面楔形板另一侧面为光滑面，所述单面楔形板光滑面与双面楔形板相配合。

4、所述摩擦层为热喷锌层，厚度大于100μm。

5、一种悬索桥主缆组合式楔形隔离板抗滑装置的设计方法，包括如下步骤：

6、步骤一：根据主缆索股总数和索鞍区长度，确定每个抗滑装置覆盖的索股列数为m及全桥抗滑装置总数为n；

7、步骤二：确定双面楔形板的楔形半角θ、单面楔形板的楔形半角β、单面楔形板与索股接触面间的摩擦系数μ1、双面楔形板与单面楔形板配合面间的摩擦系数μ2，且双面楔形板满足自锁条件θ≤ arctan(μ2)；

8、步骤三：建立楔形增压力学模型：

9、双面楔形板两侧面对单面楔形板产生的法向推力为n，

10、

11、单面楔形板对索股的横向压力为plat，

12、

13、横向压力与楔入力之比为楔形增压比kw：

14、

15、其中：fd为轴向锤击力，

16、单面楔形板与索股间的摩擦角为φ1，

17、双面楔形板与单面楔形板间的摩擦角为φ2；

18、步骤四：计算抗滑承载力rs与抗滑安全系数ks，

19、

20、整根主缆总抗滑力为fanti，

21、

22、抗滑安全系数为ks：

23、

24、其中，fcable为主缆对索鞍槽底的总正压力，

25、μ0为索股与鞍槽底面间的原始摩擦系数；

26、fslide为设计工况下主缆在索鞍处的最大滑移力，

27、[ks]为容许安全系数；

28、步骤五：尺寸偏差补偿，索股设计间隙为go，安装前实测每组装置位置处的索股间隙实际值gactual，计算偏差δg = gactual- go，根据δg将装置位置分为三组并分别确定补偿策略：

29、a组：δg > +3mm，增大单面楔形板厚度；

30、b组：3mm≤δg≤+3mm，按标准流程安装；

31、c组：δg < -3mm，减小单面楔形板厚度并控制楔入深度；

32、步骤六：温度补偿，确定设计基准温度为tdesign，施工时实测安装温度为tinstall，计算温度偏差δt = tinstall - tdesign，

33、温度变化δt引起的索股直径变化量为：

34、

35、对应的楔入深度计算公式为：

36、

37、其中，αt为钢丝热膨胀系数，lsaddle 为n个索股的宽度；d为n排主缆索股的宽度，ec为等效弹性模量，ac为n排主缆的索股横截面积；

38、步骤七：主缆孔隙率补偿，计算孔隙率从no降至nf时，对应的楔形补偿行程为：

39、

40、其中，δd为孔隙率变化引起的主缆直径变化量，mcables为每组装置覆盖的索股列数；

41、步骤八：确定安装阶段的初始目标楔入深度

42、

43、其中，δdesign为设计夹紧力对应的理论楔入深度，k为孔隙率压实的分期补偿系数。

44、所述步骤七中主缆直径变化量δd按下式计算：

45、

46、其中，d0为主缆初始直径，n0为初始孔隙率，nf为目标孔隙率。

47、所述单面楔形板与索股钢丝接触面之间的摩擦系数μ1为0.5~0.7；所述双面楔形板与单面楔形板的配合面之间的摩擦系数μ2为0.08~0.15。

48、所述单面楔形板的楔形半角β为0.5°~2°，所述双面楔形板的楔形半角θ为0.5°~2°。

49、一种悬索桥主缆组合式楔形隔离板抗滑装置安装与调整方法，所述方法包括如下步骤：

50、步骤一：检验双面楔形板的楔形面角度精度、配合面粗糙度及外形尺寸公差，检验单面楔形板的表面状态和厚度均匀性，清洁索股表面，确认索股排列状态；

51、步骤二：先将两块单面楔形板对称插入目标索股列的两侧间隙，沿索股轴向推入至设计深度，再将双面楔形板对准两侧单面楔形板的配合面，沿索股轴向方向施加锤击力使双面楔形板楔入，采用轻锤多击、渐进加压方式，双面楔形板楔入深度δ与单面楔形板横向位移δ满足δ = δ·tanθ；

52、步骤三：采用楔入深度直接测量法或应变监测法或索股位移监测法实时监测横向夹紧力或楔入深度，控制楔入深度满足δ ≤ δcable +δgap，

53、其中，δcable为索股弹性压缩量，δgap为装配间隙；

54、

55、其中，d为n排主缆索股的宽度，ec为等效弹性模量，ac为n排主缆的索股横截面积；

56、步骤四：当安装温度与设计基准温度存在偏差时，根据补偿量δcomp通过追加或退出锤击即可调整楔入深度，从而实时修正夹紧力；退出双面楔形板时，在楔形配合面间注入油脂拔出；

57、步骤五：成桥验收时记录每组装置的实际楔入深度、夹紧力读数及环境温度形成安装档案，运营期按以下阶段进行检测与补偿维护：成桥后1~2年每季度检测一次，成桥后3~10年每半年至一年检测一次，成桥10年后每2~3年检测一次；每次补偿调整后稳压观测不少于15分钟并记录数据，建立全寿命周期夹紧力演化档案。

58、所述双面楔形板为45钢以上材料制成件，所述单面楔形板为纯锌板或其他软质材料制成件。

59、与现有技术相比，本发明的优点在于：一种悬索桥主缆组合式楔形隔离板抗滑装置及设计方法，通过双面楔形板的斜面增压机制，以较小的轴向锤击力即可获得数倍至数十倍的横向夹紧力，且通过控制楔入深度实现对夹紧力的精确施加和分级调控。单面楔形板与索股接触面之间的摩擦系数μ1为0.5~0.7，确保夹持效果；双面楔形板与单面板配合面之间摩擦系数μ2为0.08~0.15，确保楔入顺畅和施工后快速拔出，实现抗滑性与施工便利性。单面楔形板利用锌的软质特性通过塑性变形自适应贴合钢丝表面微观凹凸，避免应力集中和钢丝损伤；同时利用锌的牺牲阳极效应为主缆提供阴极防腐保护。通过反复楔入和退出调整夹紧力，解决了传统固定式隔板无法适应温度变化和孔隙率演化的技术难题。孔隙率与温度耦合补偿设计将抗滑设计从静态截面验算推进至全寿命时变可靠性分析，填补了大跨径悬索桥主缆抗滑全寿命设计理论的空白。运营期维护仅需定期检测夹紧力并追加少量锤击，无需拆除更换或大规模施工干预，维护作业不影响桥梁正常运营，维护成本相比传统方案降低一个数量级以上。