一种带波形纵隔板的防滑索鞍结构
技术领域
本发明属于悬索桥技术领域，具体涉及一种带波形纵隔板的防滑索鞍结构。
背景技术
悬索桥利用主缆及吊索作为加劲梁的悬挂体系，将荷载作用传递到桥塔、锚碇的桥梁，其特点是桥梁的主要承重结构由桥塔和悬挂在桥塔上的高强度柔性缆索、吊索、加劲梁和锚碇结构组成。桥跨上的荷载由加劲梁承受，并通过吊索将其传至缆索，主缆索是主要承重结构，但其仅受拉力；缆索本身是几何可变体，但可通过桥塔、锚碇结构及作用的荷载相组合，在空间形成有一定几何形状的平衡受力结构体系。主缆索的拉力通过对桥塔的压力和锚碇结构的拉力传至基础和地基，这种桥型充分发挥了高强钢缆的抗拉性能，使其结构自重较轻，能以较小的建筑高度跨越其他任何桥型无法比拟的特大跨度。
在悬索桥的结构中，索鞍是设置在主塔顶部用于对主缆进行固定并支撑的重要受力构件，桥面的动、静载荷依次通过吊索和主缆传递给索鞍，再由索鞍传递给主塔。由于索鞍的功能特性，要求索鞍与主缆之间无相对位移，但是在实际的工程应用过程中，静载时，索鞍外两边上的主缆水平力相等，主缆与索鞍无位移趋势；动载时，索鞍外两边上的主缆拉力就会出现差异，从而造成主缆在索鞍内产生位移趋势，这种位移趋势的产生，会使主缆被悬索桥的其它构件划伤，破坏主缆的结构应力，进而影响主缆强度。
由于受建设条件限制，有时需要采用边中跨比例较小桥跨结构，有时需要采用多塔连跨悬索桥结构，这两种悬索桥结构有个共同特点是在运营过程中塔顶两侧主缆可能出现很大的不平衡力，而这种不平衡力足以使主缆在鞍槽内出现滑动，这对悬索桥来说是致命的。不让主缆在鞍槽内滑动主要以下几种方式：(1)直接将索股锚固在索鞍上；(2)减小两侧主缆的不平衡力；(3)提高主缆与鞍槽间的抗滑性能。对于第(1)种方式，只适用于小跨径悬索桥，大跨悬索桥由于主缆所受的力太大而无法直接锚固在索鞍处；第(2)种方式往往在多塔连跨悬索桥的中间塔处，采用减小中间塔的纵向刚度来减小塔顶两侧主缆的不平衡，但这种方式带来了桥梁整体刚度下降、桥梁抗风差以及中塔疲劳等问题；而第(3)种方式能够从根本上解决悬索桥塔顶两侧主缆不平衡力引起的滑移问题。
目前，为了防止主缆在索鞍上产生相对位移，现有技术有的通过在索鞍的鞍槽内壁和隔板壁面上设置锌层，以增加索鞍对主缆的摩擦系数；有的通过在索鞍内的设置较厚的平面纵隔板，以利用索股与纵隔板之间的侧向压力，从而增加摩擦力；有的通过在索鞍内的设置水平弧形夹板，以利用索股与夹板之间的压力，从而增加摩擦力。但以上方法均是在利用索股在鞍槽内存在竖直面内的圆弧，也就是索股向下有包角，索股受拉时会向下挤压，又因索股是由许多钢丝散体构成的，在向下挤压的同时会产生侧向挤压，这些方法本质上利用了索股竖向包角的特性，竖向包角的大小往往受悬索桥边中跨比例，主缆矢跨比的限制无法再增加，当主缆在索鞍两侧的不平衡力较大时，索鞍的抗滑移能力仍不足。
发明内容
鉴于上述，本发明提出了一种带波形纵隔板的防滑索鞍结构，能够大大提高索鞍防滑能力。
一种带波形纵隔板的防滑索鞍结构，包括鞍座，所述鞍座的鞍槽底部设有至少一道与槽壁平行的波形纵隔板，槽壁内侧面为波形结构。
进一步地，所述波形纵隔板表面沿顺桥向设计为平滑顺畅的波形状，该波形状由若干段折线以及与折线相切的若干段圆弧交错组合形成。
进一步地，所述波形纵隔板沿横桥向呈左右对称结构，且波形纵隔板两侧面为对称的波形状面。
进一步地，所述槽壁内侧面沿顺桥向设计为平滑顺畅的波形状，该槽壁波形内侧面与相邻的一块波形纵隔板相对的侧面平行，使得槽壁与该相邻波形纵隔板之间形成等宽的波形槽。
进一步地，相邻两块波形纵隔板相对的侧面平行，使得相邻两块波形纵隔板之间形成等宽的波形槽。
进一步地，所述波形槽的宽度与单根索股的宽度一致；使得索股沿波形分布，从而创造索股水平向包角，增加索股与鞍槽槽壁、波形纵隔板间的摩擦力，甚至可以在索股没有竖向包角的情况下保证主缆在鞍槽内不会滑动。
进一步地，所述波形纵隔板与鞍槽底部焊接成整体。
进一步地，所述鞍槽底部形状可以设计为与常规索鞍一致的圆弧面，也可以设计为平面。
进一步地，所述槽壁外侧沿顺桥向设有多排加劲肋。
进一步地，所述鞍座顶部沿顺桥向设有多排拉杆，所述拉杆贯穿波形纵隔板和槽壁且两端通过拧紧螺栓与两侧槽壁锁定；设置拉杆能够提高鞍座侧壁的刚度和受力性能，使侧壁能抵抗来自索股的巨大挤压力。
众所周知，摩擦力与正压力成正比，提高鞍槽与主缆索股接触面之间的正压力就能提高摩擦力，通常索鞍的抗滑能力取决于主缆在鞍槽内的向下包角，这是由欧拉公式得出的，类似的皮带传动、船舶系缆均是利用这一原理。
本发明带波形纵隔板的防滑索鞍结构与通常的悬索桥索鞍结构的区别在于设置了波形纵隔板，常规主缆在鞍槽内仅存在竖向向下包角，而本发明在索鞍内创造了水平向包角，通过带波形纵隔板以及波形鞍槽内侧壁形成水平向波形鞍槽，使索股沿鞍槽在水平向呈波形，其波形本质上为主缆创造水平向包角，主缆受拉时侧向会产生很大的压力；又因为沿纵向多个水平波形产生的包角叠加，使得总水平包角相当可观，这种带波形纵隔板防滑索鞍的抗滑能力巨大。由于波形纵隔板沿横桥对称结构，其两侧面的波形是一对对称面，因此两侧索股因水平包角引起的对纵隔板的横向压力可以相互抵消，纵隔板处于横向平衡状态。
综上所述，与通常的悬索桥索鞍结构相比，本发明防滑索鞍结构除利于索鞍竖向包角外，还创造了索鞍水平向包角，大大增加了索鞍抗滑性能，甚至可以在没有竖向包角的情况下保证主缆在鞍槽内不会滑动。
附图说明
图1为本发明带波形纵隔板防滑索鞍结构的侧视图。
图2为本发明带波形纵隔板防滑索鞍结构的俯视图。
图3为图2沿AA方向的截面图。
图4为波形纵隔板的结构示意图。
图中：1—鞍座，2—鞍槽，3—槽壁，4—波形纵隔板，5—波形纵隔板，6—拉杆，7—加劲肋，8—索股。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1～图3所示，本发明带波形纵隔板的防滑索鞍结构，包括鞍座1；鞍座1的鞍槽2底部设有多道与槽壁3平行的波形纵隔板4和5组合；槽壁3内侧为波形；纵隔板4和5与鞍槽2底部连接成整体。
如图4所示，波形纵隔板4和5表面沿顺桥向设计为平滑顺畅的波形状，波形状由几段折线和与其相切的几段圆弧组成；波形纵隔板4和5沿横桥向对称结构，其两侧面的波形是一对对称面。
槽壁3内侧面沿顺桥向设计为平滑顺畅的波形状，其波形表面与最近波形纵隔板4表面平行，且槽壁3内侧面与最近波形纵隔板4表面间形成等宽的波形槽。
同样地，相邻两块波形纵隔板4和5相对的侧面平行，波形纵隔板4可与其相邻的波形纵隔板5之间形成等宽的波形槽。
鞍槽槽壁3内侧、波形纵隔板4、波形纵隔板5组合形成等宽的波形槽，波形槽的宽度与单根索股8的宽度一致，可将单根索股8放置与槽内，并沿波形分布。
鞍槽2底部形状可以设计为与常规索鞍一致的圆弧面，也可以设计为平面。
槽壁3外侧沿顺桥向设有多排加劲肋7；鞍座1顶部纵向设有数根拉杆6，拉杆6贯穿槽壁3以及波形纵隔板4和5且两端通过拧紧螺栓与两侧槽壁3锁定。
众所周知，根据经典摩擦理论，物体间的摩擦力与它们之间的表面正压力成正比，这里的正压力指钢丝对鞍槽底板的径向应力、钢丝对索鞍侧壁的侧向压力以及钢丝对波形纵隔板的侧向压力总和。理论上，直线形的受拉钢丝不会对与其接触的物体产生正压力，如果想让直线形钢丝跟与其接触的物体产生摩擦力，必须要让物体箍紧钢丝，就像人们手中紧握的绳子不易被拉出，而松握的绳子容易被拉出是相同的原理。而曲线形的受拉钢丝跟与其接触的物体会产生正压力，这种压力可由力学平衡方程推导出，其公式为q＝T/R，其中q为钢丝与物体间的单位长度上的压力，T为钢丝所受的拉力，R为钢丝的弯曲半径。从公式可以看出，压力集度的大小与钢丝拉力成正比，与钢丝弯曲半径成反比，压力集度一定的情况下，总压力与接触长度成正比，如果能产生连续不断的弯曲，就会产生巨大的总压力，就像人们手中握着绳子，如果将绳子在手上多绕上几圈，这根绳子就不容易被拉出，是同样的道理；但是主缆由上万根钢丝组成，无法像软绳子一样在索鞍上绕圈，只能让钢丝在索鞍中弯曲通过。
为了实现钢丝与索鞍间具有优越的抗滑移性能，从上述力学分析可知，对于一座悬索桥，理论上从增加主缆拉力出发来提高摩擦力是能够实现的，但是其代价是巨大的，主缆拉力与用钢量成正比，增加主缆用钢量就会增加造价，而主缆占悬索桥总造价的比例约为10～20％，所以基于经济性考虑，实际工程中不存在依靠增加主缆拉力来提高摩擦力的案例。
索鞍是悬索桥的重要受力构件，但索鞍造价仅为悬索桥总造价的1～2％，依靠抗滑索鞍来提高主缆与索鞍间的摩擦力是可行的，其经济代价也是极小的。
本发明是在鞍槽内设计了曲线槽路，让钢丝在经过该索鞍时形成曲线形状，对普通索鞍而言，钢丝仅在竖向形成圆弧并向下弯曲(向下包角)，而在侧向是直线形的。本发明在鞍槽内设计了波形纵隔板，可以让钢丝上通过鞍槽时形成侧向连续弯曲(侧向包角)，像波浪形贯通整个索鞍，从而产生巨大的侧向挤压力，显著提高钢丝与索鞍间的正压力总和，达到改善索鞍抗滑移性能的目的。
鞍槽槽壁3内侧、波形纵隔板4、波形纵隔板5组合形成等宽的波形槽，该槽路限定了钢丝在通过索鞍时，必然形成侧向弯曲并与鞍槽槽壁3内侧、波形纵隔板4、波形纵隔板5产生侧向正压力，这样钢丝与索鞍间的总压力就能显著提高，从而索鞍的抗滑移能力就能显著提高。
通常索鞍的抗滑能力取决于主缆在鞍槽2内的向下包角，本实施方式结构与通常索鞍的区别在于鞍槽槽壁3内侧、波形纵隔板4、波形纵隔板5组合形成等宽的波形槽，可将单根索股8放置与槽内，并使索股8沿波形分布，从而创造索股8水平向包角，增加索股8与鞍槽槽壁3、波形纵隔板4和5间的摩擦力，甚至可以在索股8没有竖向包角的情况下保证主缆在鞍槽2内不会滑动，这是通常索鞍所无法达到的。
本实施方式防滑索鞍结构的具体施工过程为：首先，取几块厚钢板，其厚度略大于波形纵隔板4的最大厚度，便于将钢板加工成设计厚度，将钢板切割成扇形，利用数控机床对厚钢板进行加工，使钢板表面按要求形成波浪形，并对钢板波浪形表面进行打磨，使其形成光滑的波浪形表面；同样地，取几块厚钢板，其厚度略大于波形纵隔板5的最大厚度，将钢板切割成扇形，利用数控机床对厚钢板进行加工，使钢板表面按设计要求形成波浪形，并对波浪形表面进行打磨，使其形成光滑的波浪形表面，完成波形纵隔板4、波形纵隔板5部件的制造。然后铸造鞍槽2，先对鞍槽进行粗加工，上数控镗床粗加工索鞍鞍槽和两端面、精加工底部焊接部位坡口面，加工面超声波探伤、焊接坡口渗透探伤检验合格后进入组装焊接工序；采用厚钢板焊接鞍座1、加劲肋7，鞍座与鞍槽采用焊接工艺，焊接检验合格后，进入机械加工，对索鞍底平面进行半精加工、精加工；利用数控机床对鞍槽槽壁3内侧进行加工，使槽壁按要求形成波浪形，并对波浪形表面进行打磨，使其形成光滑的波浪形表面，加工另一侧槽壁，鞍槽槽壁3内侧加工完成。最后在鞍槽槽壁3钻出螺栓孔，将波形纵隔板4精确定位在鞍槽2内，从临近鞍槽槽壁3开始将波形纵隔板4焊接在鞍槽2上，对焊缝进行打磨，对焊缝进行超声波探伤，检验合格后将波形纵隔板5精确定位在鞍槽2内，从临近波形纵隔板4开始将波形纵隔板5焊接在鞍槽2上，对焊缝进行打磨，对焊缝进行超声波探伤，检验合格后依从安装完成所有波形纵隔板4、波形纵隔板5的焊接和焊缝检验、打磨，索鞍加工完成。
待索塔施工至塔顶时，预埋索鞍格栅和锚固钢筋，将索鞍精确定位在塔顶，安装索鞍，准备主缆架设，进行主缆架设，主缆索股8依次分仓分层安放在波形槽内，确保索股8安装到位，各层索股紧密叠放，直至索股8全部安装完毕，拧紧对拉杆6的螺栓，完成所有安装过程。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述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，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
