0 引言

　　主索鞍作为悬索桥的重要组成构件，其固定方式、与主塔连接是否牢靠将对悬索体系的稳定性起到至关重要的作用;在太原市通达桥施工中，主索鞍底座板与钢塔的连接方式原设计为传统的销接方式，因主索鞍底座板、调平钢板、钢塔顶板总厚度过大，现场配钻打孔难度极大，加之钢塔横梁上安装主索鞍的平台为向主桥中线方向倾斜的斜面，如此更加增大现场配钻难度。考虑到配钻的诸多问题，在通达桥实际施工中经过与设计方沟通，将原设计的销接工艺改为限位卡板焊接工艺，通过简单易行的方法达到固定主索鞍的目的。

　　1 工程概况

　　通达桥位于太原市小店区，主桥横跨汾河，为独塔自锚式悬索桥，主桥长416m，桥面宽47.5m，跨径布置形式为36m+133m+208m+39m，设计为全漂浮体系;主塔设计为钢结构，呈空间拱形设计，寓意为“时代之门”，塔高123.471m，主体自下而上分为钢混结合段、钢塔柱段、钢横梁段、塔冠;主梁设计为钢箱梁，自锚梁设计为钢筋混凝土加劲梁;缆索体系由2根主缆+33组(共计84根)吊索组成，呈空间索面布置(见图1)。

　　

　　图1 通达桥效果 

　　 

　　主索鞍位于主塔钢横梁上部，共计2个，分别布置于横梁左、右两侧，吊装高度为104.158m，主索鞍总成自上而下主要由索鞍体、滑面组件、底座板、高程调节板等组成，高程调节板以下为主塔横梁承重板，承重板由3个主塔吊装节段组拼而成，考虑到整体平整度，在底座板与承重板之间设置调平钢板，其中索鞍底座板厚8cm，调平钢板厚4cm，横梁承重板厚6cm，共计18cm;主索鞍单侧总成重约82.6t，其中主索鞍单体重约55t;因2个主索鞍横桥向间距小于桥面宽度，主缆安装后呈外八字的空间缆型布置，主缆将对主索鞍产生一个向外的水平拉力，为保证主索鞍受力合理性、稳定性，将主索鞍设计为向主桥纵轴线方向倾斜，倾斜角度为7°，将主缆产生的作用力经主索鞍直接传递到主塔上，从而抵消向外的水平拉力(见图2)。

　　

　　图2 主索鞍总成 

　　 

　　主索鞍底座板纵桥向长6.124m，横桥向宽3.135m，原设计主索鞍底座板与横梁承重板之间通过现场配钻销轴连接，每个主索鞍底座板共设置28个销轴，沿纵桥向设置，分为2排，布置于主索鞍两侧，每侧14个，销轴长20cm，直径5cm，材质为未经热处理的45号钢，销轴孔深18cm，孔径要求为5cm，公差精度为0.03mm，精度要求极高(见图3)。

　　2 销轴连接与焊接连接

　　2.1 销轴连接

　　本桥销轴钻孔深度较深，为18cm，钻孔精度极高，公差精度仅为0.03mm，配钻时要连续穿透3块钢板，将销轴顺利插入孔中且满足设计要求，需保证钻孔与3块钢板板面的垂直度、孔径精度、孔壁的光滑程度、钻孔竖直无错台等条件，因现场钻孔条件与工厂加工相比相差悬殊，且主塔钻孔面为斜面，给现场实施带来极大困难;通常现场配钻施工采用磁力钻，经多方了解，目前市场上直径5cm磁力钻头最长为11cm，由于钻头长度不满足18cm，需分3次将销孔钻成，由于钻孔次数较多，第1次钻的孔在后续钻孔时，经过钻头多次摩擦，有可能扩孔，因此3块板销孔的竖直度、钻孔精度难以保证;为此曾在现场模拟塔上工况，使用磁力钻在现场试钻孔，试板选用与主塔同材质的Q345q E钢板，试钻时，将3块厚度与设计相同的钢板叠加到一起，试钻时试板与主塔底座板倾斜角度相同为7°，共计试钻3个孔，试钻后，发现钻孔均有不同程度倾斜，且孔壁相对粗糙，由于现场条件有限不能对钻孔进行打磨，故钻孔不满足设计要求。

　　

　　图3 主索鞍销轴平面布置 

　　 

　　为此曾考虑另外2种方案。

　　1)方案1主索鞍底座板、高程调节板在工厂内加工时，将销孔配钻完成，以保证垂直度和公差精度，然后将横梁承重板在现场打孔，由于3块板不是同时配钻完成，存在钻孔不同心的概率较大，有可能出现错台，故可行性较低。

　　2)方案2将主索鞍底座板、高程调节板、横梁承重板同时在工厂内配钻，如此则可保证竖直度、同心、公差精度、孔壁光滑等条件，但考虑到横梁承重板所在的主塔节段由3个主塔吊装节段在高空拼装而成，即3个节段在拼装、对接过程中相对位置可能会存在一定微调，而销轴孔径公差精度只有0.03mm，故该方案的实施仍存在较大风险。

　　综上不利条件分析，如钻孔不满足垂直度和同心条件，则销轴无法插入孔中，如钻孔过程中出现扩孔等不满足公差精度的情况，当主索鞍受到水平拉力作用时，很可能导致销轴不能同时受力，将对索鞍的稳定性造成一定影响。

　　2.2 主索鞍受力分析

　　由于现场配钻存在各种不利风险，导致销轴连接在现场实施相对困难，为此需找到一个相对易实施且满足受力要求的方法代替原设计，为此先对主索鞍与销轴的受力关系进行分析。

　　主索鞍主要承受主缆自重、吊索张拉后附加给主缆的拉力、桥梁使用过程中所附加给主缆的拉力，3个力总体合并为1个背离主塔方向的斜向拉力，根据静力学的平行四边形公理，可将这一斜向力分解为1个背离主塔方向的水平拉力F₁和1个垂直于主索鞍底座板方向的压力F₂，因整个桥梁在无外力施加时是一个平衡体系，故主索鞍两侧主缆所产生的水平力为大小相等、方向相反的水平力，由主缆所产生的2个竖向压力最终由主塔承受(见图4)。

　　

　　图4 主索鞍受力简图  

　　 

　　本桥主索鞍底座板、调平钢板与横梁连接方式原设计为销轴连接，当桥梁在外力作用下时平衡体系会被打破，水平力会随之增加，而竖向压力也会随之增大并产生一定的摩擦力抵消一部分水平拉力，剩余的水平力则由销轴的抗剪力抵消，故销轴的作用更多体现在通车后或在其他外力作用下(见图5)。

　　

　　图5 主索鞍底座板销轴连接设计  

　　 

　　2.3 焊接连接

　　主索鞍与销轴的受力关系已明确，考虑到销接的诸多不利因素，经咨询国内多位知名专家意见，并经设计方同意，最终将主索鞍销轴连接改为卡板焊接连接(见图6)，等强度代换。具体焊接工艺如下。

　　

　　图6 限位卡板连接示意  

　　 

　　在主索鞍底座板、高程调节板、横梁承重板上取消50销轴孔，在底座板、调平板侧面沿纵桥向增加半圆形卡槽，槽口直径100mm，每侧14个，卡口精度为0.03mm;卡板采用140mm厚钢板制作，卡板沿纵桥向每侧分为14个小块，长340mm、宽200mm，单侧突出直径为100mm半圆作为卡齿，卡板材质为Q390GJD，卡板精度与卡槽相同。为保证加工精度，卡槽、卡板均在工厂内加工完成(见图7)。

　　

　　图7 卡槽与卡板大样  

　　 

　　卡板分为奇数卡板(黄色)和偶数卡板(红色) 2类:奇数卡板在底角沿横桥向开焊接坡口，用于与横梁承重板焊接固定，坡口尺寸为5cm;偶数卡板是在顶角沿横桥向开焊接坡口，用于与奇数卡板连接，坡口尺寸与奇数卡板相同;然后在2种卡板侧面沿纵桥向开坡口，将卡板通长与横梁承重板焊接，坡口尺寸为3cm(见图8)。

　　

　　图8 卡板尺寸  

　　 

　　卡板总体安装思路为:先安装奇数板并与横梁承重板焊接，再安装偶数板并与奇数板在顶面焊接，最后将2种钢板在侧面沿纵桥向与横梁承重板通长焊接为整体加强结构连接;注意卡板仅与卡口密贴卡紧即可，无须焊接(见图9)。

　　

　　图9 卡板平面、立面焊接示意  

　　 

　　2.4 卡板焊接计算

　　采用卡板焊接代替销轴连接，须确保卡板焊接后的各项力学性能不小于原本销接的指标，在此主要考虑了卡板与横梁承重板焊缝纵桥向的抗剪力、卡齿截面纵桥向的抗剪力、卡齿与卡槽纵桥向接触面的承压力。具体计算如下。

　　2.4.1 销轴承压、抗剪计算

　　原设计销轴材质为未经热处理的45号钢，直径d=50mm，因规范未对45号钢抗压强度作要求，故按抗拉强度考虑，抗拉强度f_t^b=355MPa，抗剪强度f^b_v=178MPa。

　　根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》中式(11.2.2-1)、式(11.2.2-2)得:

　　1)销轴最大拉力

　　

　　 

　　2)销轴最大剪力

　　

　　 

　　2.4.2 卡板与横梁承重板焊缝纵桥向抗剪计算

　　卡板为Q390GJD钢，厚度为140mm，抗压强度f=295MPa，抗剪强度f_v=170MPa，角焊缝强度设计值f_f^w=200MPa，角焊缝长度l_w=20mm，限位块半圆直径d=100mm。

　　侧面角焊缝最大承载力如下。

　　1)短边焊缝抗侧力

　　

　　 

　　2)长边焊缝抗侧力

　　

　　 

　　3)焊缝总抗侧力

　　

　　 

　　卡板与横梁承重板焊缝纵桥向的抗剪强度满足要求。

　　2.4.3 卡齿纵桥向截面抗剪计算

　　

　　 

　　半圆卡齿截面的抗剪强度满足要求。

　　2.4.4 卡齿与卡槽纵桥向接触面承压计算

　　卡齿与卡槽纵桥向接触面按直径四分之一圆的周长×板厚考虑，具体如下:

　　

　　 

　　卡齿与卡槽纵桥向接触面的承压强度满足要求。

　　2.5 其他替代方案

　　在确定将卡板做成小块前，还考虑过另外几种方案，鉴于各具适用性，故未选用，在此仅做简单描述供大家参考，具体如下。

　　1)将主索鞍底座板、高程调节板与横梁承重板焊接因三者板材较厚，焊接时焊缝堆积较高，且纵向焊缝较长，焊接应力过于集中，将导致底座板和高程调节板产生一定程度的变形，影响索鞍受力，故未选用。

　　本桥虽未选用该方法，但该方法相较于卡板限位或销轴连接更直接、更经济;类似工程施工中，如主索鞍水平拉力较小时可采用此法，但注意在确保满足受力的情况下尽量减小焊缝高度。

　　2)将小块卡板合并为一块长条卡板直接与卡口焊接主索鞍与卡板分为2个厂家加工，为避免卡口间或卡齿间的加工间距出现较大偏差，导致卡齿与卡槽不能匹配，将长条卡板分为多个小块卡板，方便组拼。

　　3)在后续类似工程施工时，主索鞍底座板如在纵向有足够的施工空间，可在纵向直接增加限位装置，从受力角度考虑更直观，由于本桥主索鞍底座板与钢塔壁板间的距离较小，不满足纵向限位要求，故未采用该方法。

　　3 结语

　　目前本桥已完工通车，实施效果良好，总体而言，主索鞍总成与主塔横梁承重板采用卡板焊接固定比传统的销轴连接工艺更简单易行，节省了现场配钻时间，加快了施工进度，也避免了在现场对多块厚度较大的钢板进行配钻带来的诸多弊病，但在实施过程中保证卡板与卡槽的贴合精度是关键，尽管卡板、卡槽都是在工厂内加工，且加工精度较现场配钻都有了大幅度提升，但加工完成后一定要对其密贴性进行确认，方可更好地保证主索鞍与销轴受力合理。