第二节 缆索系统设计
第二节 缆索系统设计
[A5-2.29]悬索桥的缆索系统主要包括主缆与吊索，主缆有时也被称为“缆索”或“大缆”，吊索也有的称之为“吊杆”。
[A5-2.30]主缆先后历经了钢结构眼杆式缆链、钢丝绳缆、封闭钢绞索缆，最终发展到现代的平行钢丝缆索。平行钢丝缆索由高强度镀锌平行钢丝束组成，为便于施工安装和锚固，缆索被分成若干束股（每根束股由若干钢丝组成）编制架设，并在两端锚碇处分别锚固，缆索的其余区段则挤紧成规则的圆形，然后缠以软质铜丝捆扎并进行外部涂装防腐。缆索在全桥的布置一般是每座桥2根，分别布置在加劲梁两侧吊点之上，也有采用4根缆索的布置形式，如图5-2-5。即在大桥每侧并排布置两根缆索，共用同一个吊点。缆索索股两端设置锚头或锚靴，并通过锚杆或拉杆、连接器与锚固系统连接。
图5-2-5 悬索桥缆索设置示意
[A5-2.31]一般是Φ5mm左右的镀锌钢丝组成钢丝束股，再由若干根钢丝束股构成一根缆索。每根缆索截面大小是由每座悬索桥缆索拉力大小确定的，一旦钢丝直径选定，缆索所含钢丝总数即随之而定。
[A5-2.32]采用AS法的钢丝束股（由空中纺线法现场曳拉单根钢丝组成的钢丝束股）较大，每根钢丝束股所含丝数多达300～500根。单股锚固吨位大，锚固空间相对集中。
[A5-2.33]采用PPWS法的钢丝束股（由高强镀锌钢丝预制组成的平行钢丝束股）通常按正六边形平行排列定型，每根钢丝束股的丝数通常取值为61、91、127、169，组成形状稳定的正六边形，如图5-2-6所示。 每缆钢丝束股数多达100～300束，缆索锚固空间大。多采用工厂预制，现场架索施工时间相对缩短，气候因素影响小，成缆施工效率髙。
a）PPWS-61；b）PPWS-91；c）PPWS-127；d）PPWS-169
图5-2-6 预制束股常用截面
[A5-2.34]缆索材料可为镀锌高强钢丝、镀锌钢丝绳。大跨径悬索桥宜采用弹性模量较高的镀锌高强钢丝，钢丝直径宜为5.0～5.5mm，钢丝公称抗拉强度不宜小于1570MPa，现在国内设计的悬索桥，主缆普遍采用1670MPa级别的高强度钢丝。
（1）空隙率
[A5-2.35]空隙率是主缆设计的重要参数之一，直接影响主缆在索夹内、外的直径，是索夹设计的重要依据。索夹内空隙率一般为18%，索夹外空隙率一般为20%。表 5-2-2列出了国内外几座悬索桥的空隙率。
| 桥 名 | 国家 | 主缆直径 （mm） |
施工方法 | 设计值（％） | 成桥实测值（％） | ||
| 一般部位 | 索夹部位 | 一般部位 | 索夹部位 | ||||
| 乔治・华盛顿桥 | 美国 | 914.4 | AS | — | — | 22. 7 | 21.2 |
| 金门大桥 | 美国 | 909.3 | AS | — | — | 19.4 | 17.4 |
| 福斯公路桥 | 英国 | 596 | AS | — | — | 21.7 | 18.9 |
| 关门大桥 | 日本 | 660 | PPWS | 20 | 19 + 2 | 19.5 | 16.8 |
| 南备赞瀨户桥 | 日本 | — | PPWS | 20 | 18+4 | 19.9 | 17.8 |
| 明石海峡大桥 | 日本 | 1.122 | PPWS | 20 | — | 20 | 16 |
| 江阴长江公路大桥 | 中国 | 897 | PPWS | 20 | 18+2 | 18 | 16 |
| 阳逻长江公路大桥 | 中国 | 837 | PPWS | 20 | 18+2 | — | — |
（2）安全系数
[A5-2.36]国内悬索桥通常要求在主要荷载作用下，对主缆抗拉强度至少保证不小于2.5的安全系数；包括次内力在内，至少不小于2.0的安全系数。随着施工水平的不断提高，主缆各钢丝受力的不均匀性进一步降低，以及更高强度钢丝的采用，可考虑适当降低安全系数，但不应小于2.2。表 5-2-3列出了国内外几座悬索桥的安全系数。
| 桥 名 | 国家 | 标准强度(MPa) | 容许应力(MPa) | 安全系数 |
| 乔治・华盛顿桥 | 美国 | 1 517 | 565 | 2.68 |
| 金门大桥 | 美国 | 1 517 | 565 | 2.68 |
| 福斯公路桥 | 英国 | 1 544 | 618 | 2. 50 |
| 塞文桥 | 英国 | 1 544 | 709 | 2. 30 |
| 博斯普鲁斯一桥 | 土耳其 | 1 570 | 680 | 2. 30 |
| 明石海峡大桥 | 日本 | 1 800 | 820 | 2. 20 |
| 江阴长江公路大桥 | 中国 | 1 600 | 640 | 2. 50 |
| 阳逻长江公路大桥 | 中国 | 1 670 | 668 | 2. 50 |
（3）设计基准温度
[A5-2.37]基准温度是进行结构计算及主缆线形计算的重要参数。根据我国的气候条件，通常取基准温度为20℃。
（4）钢丝的标准强度
[A5-2.38]现代悬索桥已普遍选用高强度钢丝作主缆材料，并进行热镀锌防腐。主缆用高强度钢丝（吊索与此相同）是以较粗的盘条为原材料通过冷拉工艺形成的，盘条的强度和品质直接决定了钢丝的强度。
[A5-2.39]随着钢铁冶炼水平的不断提高，盘条的标准强度已从20世纪30年代的1 500MPa提高到现在的1800MPa，并且还在研制更高强度等级的材料。目前我国所用的盘条部分依赖进口（冷拉钢丝的工艺已经成熟，形成行业标准的主缆用高强度钢丝的标准强度有1570MPa和l 670MPa两种），国内上海宝山钢铁公司发扬自主创新的精神，现已可以生产1770MPa级的盘条（已在舟山西缑门大桥应用）。现在国内设计的悬索桥，主缆普遍采用1 670MPa级别的高强度钢丝。
（5）主缆索股根数及钢丝直径
[A5-2.40]悬索桥主缆索股外形多按六角形配置，按此确定主缆索股的根数及排列。钢丝的直径一般在5.0～5.5mm之间选取。根据主缆受力情况，主缆索股的根数及钢丝直径统一考虑，选择合理的索股根数及钢丝直径。
[A5-2.41]悬索桥索鞍形式有设置于桥塔顶端的主索鞍（鞍座）、设置于锚跨与边跨间的散索鞍或散索套及为提供缆索转折需要设置于边跨的转索鞍。
（1）主索鞍
[A5-2.42]主索鞍置于塔顶用以支承缆索，并将缆索所受竖向力传向桥塔。塔顶鞍座的结构主要有鞍槽、座体和底板三大部分组成。根据吊装需要，主索鞍可设计成整体式或分体式，并可采用滑动式或滚动式等不同的摩擦副。
[A5-2.43]根据采用材料及成型方法的不同，主索鞍可分为全铸式[图5-2-7a）、图5-2-7b）]、铸焊组合式[图5-2-7b）、图5-2-7c）]及全焊式。
图5-2-7 主索鞍构造
（2）散索鞍或散索套
[A5-2.44]散索鞍或散索套置于锚碇前，起支承转向及分散束股便于缆索锚固的作用。与主鞍座不同的是，散索鞍在缆索受力或温度变化时要随缆索同步转动或移动，因而其结构形式上又有摆轴式（图5-2-8）和滚轴式（图5-2-9）两种基本类型。散索套常用于缆索直径较小又不需转向支承时，代替散索鞍分束锚固用，整体为喇叭形，为两半拼合的铸钢结构。
a）立面；b）平面
图5-2-8 摆轴式散索鞍构造
a）立面；b）平面
图5-2-9 滚轴式散索鞍构造
[A5-2.45]索鞍本体材料采用铸钢时，技术条件应符合现行国家标准《—般工程用铸造碳钢件》（GB/T 11352）、《焊接结构用铸钢件》（GB/T 7659）、《冶金设备制造通用技术条件铸钢件》（YB/T 036.3）的规定。
[A5-2.46]吊索是连接主缆与加劲梁并将加劲梁竖向力向缆索传递的构件，吊索上端通过索夹与缆索连接，下端通过锚头与梁体两侧的吊索点连接。
[A5-2.47]吊索与索夹的连接方式分为骑跨式[图5-2-10a）]和销接式[图5-2-10b）]两种。骑跨式吊索是用两根两端带锚头的钢丝绳索绕在索夹顶部的嵌索槽里，然后将四个锚头与加劲梁连接，需用水平方向的高强预应力杆将左右分成两半的索夹紧固在一起，利用摩阻力使吊索在主缆上固定位置。销接式吊索是用两根下端带锚头、上端带连结套筒的钢丝绳索或平行钢丝索，将吊索上端通过销接与索夹下方的耳板（吊板）连接，下端通过销头或同样的销接方式与加劲梁连接，需用竖向高强预应力杆将上下分成两半的索夹紧固在一起，耳板从下半部分的索夹伸出。吊索与加劲梁连接方式有锚头承压式[图5-2-11a）]和销接式[图5-2-11b）]两种。
图5-2-10 吊索与缆索连接
a）锚头承压式；b）销接式平面
图5-2-11 吊索与加劲梁连接
[A5-2.48]吊索通常采用镀锌扭绞钢丝绳、封闭锁口钢丝绳或平行镀锌钢丝束制作，表面涂装油漆或包裹HDPE护套防腐。通常按等间距和等截面布置。
[A5-2.49]吊索在立面布置上有常规的竖直吊索和英式斜向吊索两种形式。将加劲钢桁梁改变为加劲钢箱梁后，梁重减轻，结构阻尼值降低，为提高悬索桥整体振动时的结构阻尼值而采用斜吊索。斜吊索与直吊索相比，索力较大，可以提高振动能量的衰减率，但斜吊索的抗疲劳强度不如竖直吊索，因此，目前悬索桥已很少采用斜吊索形式。
（1）吊索安全系数
[A5-2.50]吊索承受的荷载包括：永久作用、汽车荷载（考虑冲击力）、温度作用、制造及架设误差的影响、吊索弯曲次内力的影响，对上述作用进行不同工况组合时，应相应选取不同的安全系数。骑跨式钢丝绳吊索的安全系数一般取4.0，销接式吊索采用平行钢丝吊索的安全系数取3.0。吊索是可更换的构件，设计时应考虑日后更换吊索时的情况，即在同一吊点两根吊索中更换（或断、缺）一根时，考虑在限制车辆通行时安全系数取1.7。表 5-2-4列出了国内外部分悬索桥吊索安全系数。
| 桥 名 | 国家 | 完成时间（年） | 吊索类型 | 安全系数 | 荷载组合 |
| 乔治・华盛顿桥 | 美国 | 1931 | 钢丝绳 | 4.3 | 恒+活+温度 |
| 旧金山一奥克兰海湾大桥 | 美国 | 1936 | 钢丝绳 | 3. 0 | |
| 关门大桥 | 日本 | 1973 | 钢丝绳 | 4.0 | 恒十活十温度 |
| 因岛大桥 | 日本 | 1983 | 钢丝绳 | 4.0 | 恒+活十温度 |
| 大鸣门桥 | 日本 | 1985 | 钢丝绳 | 3.0 | 恒+活+温度十制造误差+ 架设误差+弯曲应力 |
| 虎门大桥 | 中国 | 1997 | 钢丝绳 | 4.0 | 恒+活+温度 |
| 江阴长江公路大桥 | 中国 | 1997 | 平行钢丝 | 3.0 | 恒+活十温度 |
| 阳逻长江公路大桥 | 中国 | — | 平行钢丝 | 3.0 | 恒+活+温度 |
（2）设计基准温度
[A5-2.51]基准温度是进行结构计算及吊索无应力长度及线形计算的重要参数。根据我国的气候条件，通常取基准温度为20℃。
（3）钢丝的标准强度
[A5-2.52]为便于材料的采购，降低造价，同一座悬索桥的吊索通常采用与主缆相同强度的盘条制造钢丝，并同样进行热镀锌防腐。不同的是：吊索钢丝要求采用低松弛率的钢丝（主缆一般采用普通松弛率钢丝），两者的标准强度相同，吊索采用的钢丝屈服强度略大。现在国内设计的悬索桥吊索普遍采用标准强度为1670MPa级别的高强度钢丝。
（4）吊索钢丝数量及直径
[A5-2.53]根据单根吊索在控制工况下的拉力、吊索钢丝的标准强度、选用的安全系数，计算钢丝总面积。吊索为可更换构件，为减小日后更换的费用，建议采用5.0mm规格的钢丝。计算得到钢丝根数后，按照正六边形排列确定吊索截面尺寸。
[A5-2.54]对于中小跨径的悬索桥，由于索股数量不多，常排列成六边形截面，可采用六边形索夹。对于大跨径悬索桥，主缆常采用圆形截面的平行钢丝，索夹也采用圆形索夹。由于大跨径悬索桥的主缆直径较大，能保证吊索的弯曲半径，可选择骑跨式索夹，而销接式索夹的适用范围更广。
（1）安全系数
[A5-2.55]当螺杆拉力损失至安装拉力的70%时，索夹对主缆的抗滑安全系数应≥3.0。索夹材料受力安全系数≥3.0（考虑夹紧力及制造、安装误差引起的吊索力作用）。
[A5-2.56]在永存应力状态下（初始拉力损失至70%时），螺杆安全系数≥2.0；螺杆在初始张拉力作用下，安全系数≥1.4。
（2）空隙率
[A5-2.57]主缆在索夹内空隙率取18%（在全部荷载作用下）；两半索夹间的嵌口取4.0mm，使两半索夹的嵌合量能满足索夹内主缆的空隙率在≤±2%的误差范围内变化。
[A5-2.58]螺杆有效长度＞0.70D（D为索夹内主缆直径），使两半索夹的嵌合量能满足索夹内主缆的空隙率在≥±2%的误差范围内变化。
（3）摩阻系数
[A5-2.59]验算索夹对主缆抗滑时，摩阻系数取0.15。