董小亮，等：悬索桥索鞍设计制作主要问题及对策 悬索桥索鞍设计制作主要问题及对策 董小亮 叶觉明。 李汉梅 （１．武汉船用机械有限责任公司，武汉２．中铁大桥局武汉桥梁科学研究院，武汉４３００８４； ４３００３４） 摘要：索鞍是悬索桥主缆系的重要受力构件，索鞍主要分为主索鞍和散索鞍两种。结合南京四桥索鞍制作过程 和交通部行业标准ＪＴ／Ｔ ９０３—２０１４｛悬索桥索鞍索夹》，讨论特大悬索桥索鞍结构特点，探讨其制作加工的主要技 术及工艺重、难点问题，以及这些问题的处理经验，介绍索鞍行业标准应该重视的一些条款的具体内容。 关键词：悬索桥；主索鞍；散索鞍；制作；焊接；机加工；行业标准 ＤＯ１：１０．１３２０６／Ｊ．￣ｇ２０１５０１０１４ ＴＨＥ ＭＡＪｏＲ ＰＲｏＢＬＥＭＳ ＡＮＤ ＳＯＬＵＴＩｏＮＳ ＯＦ ＳＵＳＰＥＮＳＩｏＮ ＢＲＩＤＧＥ ＣＡＢＬＥ ＳＡＤＤＬＥ ＤＥＳＩＧＮ ＡＮＤ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ Ｄｏｎｇ Ｘｉａｏｌｉａｎｇ Ｙｅ Ｊｕｅｍｉｎｇ。Ｌｉ Ｈａｎｍｅｉ （１．Ｗｕｈａｎ Ｍａｒｉｎｅ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｐｌａｎｔ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ ４３００８４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｂｒｉｄｇｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｌｔｄ Ｃｈｉｎａ Ｚｈｏｎｇｔｉｅ Ｍａｊｏｒ Ｂｒｉｄｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ，Ｗｕｈａｎ ４３００３４，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ ｓａｄｄｌｅ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｌｏａｄｅｄ ｍｅｍｂｅｒ ｉｎ ｍａｉｎ ｃａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｂｒｉｄｇｅ，ａｎｄ ｃａｂｌｅ ｓａｄｄｌｅ ａｒｅ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｍａｉｎ ｃａｂｌｅ ｓａｄｄｌｅ ａｎｄ ｓｐｌａｙ ｓａｄｄｌｅ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓａｄｄｌｅｓ ｆｏｒ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｆｏｕｒｔｈ Ｙｏｕｎｇｚｉ Ｒｉｖｅｒ Ｂｒｉｄｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｓｔａｎｄａｒｄ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ Ｂｒｉｄｇｅ Ｃａｂｌｅ Ｓａｄｄｌｅ ａｎｄ Ｃａｂｌｅ Ｃｌａｍｐ（ＪＴ／Ｔ ９０３—２０１４），ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｕｐｐｅｒ ｌａｒｇｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｂｒｉｄｇｅ ｃａｂｌｅ ｓａｄｄｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕ ｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｉｎ ｄｅａｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅｓｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｗａｓ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｃａｂｌｅ ｓａｄｄｌｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｆｏｒ ｃａｂｌｅ ｓａｄｄｌｅ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ： ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｂｒｉｄｇｅ； ｍａｉｎ ｃａｂｌｅ ｓａｄｄｌｅ； ｓｐｌａｙ ｓａｄｄｌｅ； ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ； ｗｅｌｄｉｎｇ； ｍａｃｈｉｎｅ； ｊｎｄｌ】ｓｔｒｉａ】ｓｔａｎｄａｒｄ １概述 说》和英国ＢＳ ５４ＯＯ｛（钢桥、｝昆凝土桥及结合桥》等规 范进行。 索鞍是悬索桥主缆系的主要受力传力构件，特 大悬索桥索鞍主要分为主索鞍和散索鞍两种，索鞍 的主要作用是支承主缆、平顺改变主缆线型并将主 缆的载荷传递到主塔和支撑口］。与悬索桥主缆结构 一主索鞍一般由预埋格栅及反力架、上承板、下承 板、拉杆和鞍体组成，散索鞍一般由底板、底座、上承 板、下承板和鞍体组成，鞍体为主体结构。鞍体结构 传力方式主要有肋板间接传力和外壳直接传力两种 结构形式，前者主要用于混凝土索塔，后者主要用于 钢结构索塔 ］。索鞍鞍体一般有铸焊式和全铸式两 样，索鞍结构是不可更换的，目前悬索桥主缆和索 鞍设计安全使用寿命一般在１００年以上。特大悬索 桥索鞍有体积大、质量大，结构较复杂的特点，索鞍 制作涉及到铸造、组拼焊接、机加工等过程，制作加 工比较困难＿２］，本文结合国内多座特大悬索桥索鞍 制作实践，针对索鞍的结构特点进行分析，探讨悬索 桥索鞍结构设计和制作技术工艺问题。 ２ 既有悬索桥索鞍设计制作 种结构形式，铸焊式结构索鞍鞍头是采用铸钢铸造， 而鞍座部分采用钢板焊接而成。特大桥索鞍结构承 受压力非常大，因此，这类索鞍鞍座部分支撑钢板非 常厚，实际用到１２０ ｍｍ厚板。由于特大索鞍的鞍 头和鞍座的连接板厚，造成索鞍焊接难度非常大，通 常需要整体预热和保温焊接，焊接过程中还需要进 行多次退火处理，以消除焊接应力。 第一作者：董小亮，男，１９８３年出生，工程师。 Ｅｍａｉｌ：ｍｄｉｌｙ２９＠１６３．ｃｏｍ ２０年前，我国从汕头大桥开始悬索桥的设计和 建造，至今国内悬索桥索鞍设计主要是参考中交公 路规划设计院主编的《公路悬索桥设计规范》（报批 稿）、日本本四联络公团的《上部结构设计标准．同解 Ｓｔｅｅ１ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１５（１），Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．１９３ 收稿日期：２０１４—１０—１６ ５９ 加工制作 主索鞍在施工过程中有滑移要求，为此主索鞍 一１）工件质量和外形尺寸大（鞍体锁合后长度达 ６ ＩＴＩ，宽高超过３ ｍ，质量超过１２０ ｔ），因此，造成加 工时起吊、装夹、校正困难，该桥主鞍座如图１所示。 般设置有滑移结构，常规形式主要由不锈钢板和 聚四氟乙烯板组成。在工地主索鞍顶推过程中，普 遍存在顶推力较大的问题。针对一些项目的经验教 训进行改进，目前聚四氟乙烯板形式摩擦副技术＿４］ 相对比较成熟。 中铁大桥勘测设计院近年设计了一种简化形式 的主索鞍滑动摩擦副，主索鞍鞍体与预埋板之问直 接采用减磨材料滑动，这种形式摩擦副结构较简单， 制造难度较小，但目前减磨材料尚处于探索阶段。 散索鞍在应用过程中有适应摆动的要求，为此 图１南京长江四桥主索鞍鞍体结构不意 散索鞍一般采用摆轴式结构，散索鞍借助上承板和 下承板之间圆弧面而构成摆动轴，适应散索鞍结构 ２）两半鞍体锁合后，鞍槽长度和深度均非常 大，机床主轴在加工鞍槽时行程较大，造成机床主轴 的微量摆动。近年中铁大桥勘测设计院设计一种支 座形式的散索鞍，散索鞍鞍体底面与柱面支座连接， 柱面支座与预埋底板连接，通过柱面支座间设置的 圆柱和平面滑动副实现其微量摆动功能。 悬伸长，刚性因此降低，大大降低主轴加工工件的精 度和效率。 ３）因鞍体锁合后达１２０ ｔ，超过一半大型工作台 承载能力，鞍体无法装夹在回转工作台上加工；如采 用整体方法加工鞍体底面及鞍槽内表面，需采取二 次装夹的方法，工件两次装夹将加大误差，影响鞍体 的加工尺寸及形位精度，并且耗时较长。 ４）将两半鞍体锁合为整体加工，由于两半鞍体 采用摆轴式的特大散索鞍鞍体一般为铸焊结 构，为减小摆轴面的接触应力，一般鞍体鞍槽到摆轴 处接触面的高度较高，可达４ ｍ以上，制作过程中 鞍体底面到鞍槽的曲线角度和垂直度控制难度较 大，曾有先将散索鞍鞍头精加工，待焊接底座部分后 加工时存在不同步，将造成两半鞍体相互等待问题， 造成制作周期延长。 再精加工底槽的工法，但因焊接变形和装配校正误 差等，较难达到加工精度要求，目前要求焊接后整体 精加工鞍头和底槽部分。 ３ 索鞍设计制作主要问题及对策 针对以上问题，借用其他大型结构机加工的制 作经验，在确保加工质量的前提下，确定了分体机加 工、整体组拼检查的加工工艺。利用高性能数控设 备资源的有利条件，采用两半鞍体分开加工的方式， 且分开加工质量减轻，可以使用回转工作台一次装 夹，并且调整加工精度，加工完成后两半鞍体在大型 检验平台进行对拼检查，保证加工质量和精度符合 设计图纸要求。两半鞍体分开加工的优势如下： １）鞍体分开后，各部分质量较轻，可以利用数控 设备的回转工作台，在一次装夹的状态下完成单件 南京长江四桥为中国首座３跨悬索桥，主跨跨 度为（５７６＋１ ４１８＋４８２）ｍ，南京四桥主索鞍为铸焊 式结构鞍体，分两段制作，通过高强螺栓连接而成， 由上、下承板问的不锈钢和聚四氟乙烯板组成滑移 摩擦副；散索鞍为传统铸焊摆轴式结构，鞍体为铸造 焊接结构，鞍体与底座之间由上、下承板组成微动摆 动副。 ３．１ 主索鞍鞍体整体加工问题 鞍体的底平面、中分面、鞍槽的加工，减少由多次装 夹、校正带来的误差。 ２）鞍槽长度和深度减小，机床主轴悬深减小，更 随着悬索桥跨度和负载的逐渐增大，主索鞍尺 寸和质量也越来越大，为便于吊装，大型悬索桥主索 鞍鞍体一般纵向分块。由此产生了分体加工问题， 为保证索鞍鞍槽和底平面的光顺平整，一般要求分 体加工后，组合整体加工主素鞍的鞍槽和底面，但特 大型悬索桥主索鞍体积和质量的进一步增大，机加 好保证各个加工面之间的位置精度，主索鞍分体机 加工见图２。 为保证主索鞍两半分体加工后质量和精度满 足设计要求。注意采取以下措施加以控制： １）调整鞍体加工尺寸公差。主要调整鞍槽槽 工和吊装设备能力都受到限制。在此条件下，如继 续采用整体加工方法，将存在以下问题（南京四桥主 索鞍为例）： ６０ 宽、槽深、底面到中心索槽底的对接处尺寸公差要 求，保证对接后整体尺寸精度满足要求。 ２）严格控制两半鞍体结合面上对接定位销的加 钢结构 ２０１５年第１期第３Ｏ卷总第１９３期 董小亮，等：悬索桥索鞍设计制作主要问题及对策 ３．３．４索鞍尺寸精度 标均符合设计要求，表明其加工制作质量优良。在 行业规范制定时对鞍槽宽度和深度，鞍槽圆弧半径 南京四桥主、散索鞍制作后对其制造质量进行 了检验评定，实际评定数据见表１和表２。 偏差，底面到鞍槽高度等部分鞍槽尺寸公差提高了 控制要求，以提高整体制作质量。 通过表１、表２质量评定数据分析，各项加工指 表１ 主索鞍质量检验评定 注：实测数值为每套主索鞍取一个最大偏差值，共４套主索鞍。 表２散索鞍质量检验评定标准 注：实测数值为每套主索鞍取一个最大偏差值。 ３．４ 大型铸件铸造和铸件、厚板组焊问题 （板厚为６Ｏ～１２０ ｍｍ），大坡口全熔透对接和Ｔ接 焊缝，因此，结构刚性非常大，应力集中较突出，焊接 南京四桥主索鞍鞍体采用铸焊式结构，分鞍头 和底座两部分，鞍头为固定主缆的索槽部分，形状较 复杂，采用材质为ＺＧ２７５—４８５Ｈ的焊接结构用铸钢 时容易造成层状撕裂危害 ］。 在ＪＴ／Ｔ ９０３—２０１４行业规范中强调了铸件钢 水要进行精炼，在焊前整体进炉进行预热，减小焊接 接头加热时温度梯度，焊接过程要进行多次退火处 理，适当延长焊缝的冷却时间，控制冷却速度，从而 件铸造，座体部分材质为Ｑ３４５Ｒ的钢板组焊结 构料。 主索鞍鞍体从结构和材料两方面分析焊接均存 在较大难度，主要有：１）鞍头为铸钢件，其铸造组 织特点造成冷裂纹敏感指数相对较高，又是大坡口 焊缝焊接，因此鞍体焊后易产生冷裂纹缺陷。２）鞍 体为集中受力结构，钢板之间以及钢板与铸件之间 减少淬硬组织，控制焊接应力及变形，有利于焊缝中 氢的逸出，同时降低了冷裂纹敏感性，可有效地防止 冷裂纹的产生＿９ｊ。 主、散索鞍所有焊接构件主要焊缝焊后按规定 间距小，因此造成焊接操作空间较小，焊接作业操作 较困难。３）鞍体底座部分钢板较密集，均为厚板 要求进行外观检查和无损检测，焊接完成２４ ｈ后对 焊缝进行１００ 超声波探伤和１００ 渗透探伤，均要 ６３ 加工制作 求二级合格。鞍体所有主要焊缝焊后经自检１００ 拉杆和其他附件及细部防护成果得到了设计单位的 合格，经第三方检测１００ 合格。组拼焊接完成后 重视和认可，在ＪＴ／Ｔ ９０３—２０１４规范中规定了拉 经过划线检验，机加工余量满足工艺要求，外形尺寸 杆等紧固件要进行涂装或镀锌防腐处理。 满足设计要求。 根据该项目实际经验，在ＪＴ／Ｔ９０３—２０１４规范 ４ 结 语 中对铸钢件和焊接工艺规定如下：ｉ）铸钢件。ａ．钢 在国内悬索桥索鞍制作经验的基础上，通过南 水应充分精炼，冶炼时应尽量减少钢水中气体和非 京四桥项目实施过程中的实际数据收集、整理、研究 金属夹杂物。ｂ．铸钢件清砂后，应进行整体退火处 和总结，编写的ＪＴ／Ｔ ９０３—２０１４规范作为该产品 理，以消除铸造应力。２）焊接。ａ．焊接应在室内进 的行业标准目前已经发布，即将实施。统一行业规 行，环境温度不低于５℃，相对湿度小于８０ 。ｂ． 范对索鞍的设计和制作，对该产品的市场规范和引 鞍体焊前应进行整体预热，并进行保温焊接，预热和 导将起到积极的作用。 保温温度应通过焊接性能试验和焊接工艺评定确 ＪＴ／Ｔ９０３—２０１４规范集中了国内悬索桥索鞍 定。Ｃ．鞍体构件制作过程中，根据组装、焊接顺序 制作的经验和教训，经历了南京四桥的全程试验研 应进行两次以上中间消除应力处理，焊后应在退火 究。南京四桥是规范形成的基础和第一个成功案 炉中进行整体退火处理。 例，特别重视铸造、组焊、机加工三大加工环节质量 ３．５其他注意事项 控制。通过全面对鞍头铸件加工检查和抽样性能试 为了满足索鞍使用功能，给施工期问主索鞍顶 验，表明索鞍铸件质量非常优秀；外观和无损检测， 推提供参考，主索鞍出厂前需要进行顶推试验，测试 表明组焊焊缝质量优良；也证明了行业规范ＪＴ／Ｔ 摩擦副的摩擦系数；为检查散索鞍摆动副的摆动情 ９０３—２０１４的先进性和可操作性。 况，散索鞍出厂前需进行摆动副的微动摆动试验。 南京四桥主索鞍在出厂前进行了顶推试验，散索鞍 参考文献 在工地进行了摆动试验，测试摆动角度。南京四桥 ［ｉ］ 钱冬生，陈仁福．大跨悬索桥的设计与施工［Ｍ］．成都：西南交 的经验在行业规范ＪＴ／Ｔ ９０３—２０１４形成以下规 通大学出版社，１９９９． 定：１）主索鞍试装配检验合格后应进行顶推试验， ［２］钟建驰．润扬长江公路大桥建设悬索桥［Ｍ］．３版．北京：人民 计算滑动副静摩擦系数。静摩擦系数应符合设计要 交通出版社，２００６． 求。２）摆轴式散索鞍上、下承板机加工后应使用销 Ｅ３３常志军，张克．西堠门大桥主索鞍座没订’［Ｊ］．公路，２００９（１）： ８１—８５． 轴进行锁合检查。３）摆轴式散索鞍试装配合格后， ［４］董小亮，叶觉明．特大悬索桥主索鞍摩擦副制造技术［ｃ］∥ 应按设计图要求做偏摆试验，计算偏摆角度。试验 ２０１２年全国桥梁学术会议论文集．马鞍山：ｇＯＩ２：６２Ｉ一６２６． 测得偏摆角度应符合设计图要求。经产品使用单位 ［５］ＪＴ／Ｔ ９０３—２０１４悬索桥索鞍索夹［ｓ］． 和设计单位同意可在出厂前进行摆轴适配检验，在 Ｅ６］杨冬．悬索桥鞍座的制造工艺形式及其槽道的加工方法ＥＪ］． 工地安装时进行偏摆试验。 桥梁建设，Ｉ ９９５（４）：３１～３５． 紧固件作为索鞍和索夹的主要受力构件，防腐 ［７］董小亮，叶觉明．特大悬索桥主索鞍鞍体制造技术口］．钢结 问题一直是一个重点和难点问题，锈蚀问题不仅影 构，２０Ｉ ３，２８（６）：６７—６３． Ｅ８３柴昶．厚板钢材在钢结构钢材中的应用及其材性选用［Ｊ］．钢 响索鞍外观，而且影响构件的安全使用。在南京四 结构，２００４，ｉ９（５）：４７—６３． 桥制作过程中委托沈阳航达科技公司对索夹拉杆进 Ｅ９］张者昌．焊接应力变形原理若干问题的探讨（二）［Ｊ］．焊接学 行了防腐试验ｕ ，试验包括拉杆达克罗和锌铝基涂 报，２００８，２９（７）：６９—７２． 料防腐，达到了较好的防腐效果，该成果未能在南京 ［１ｏ］董小亮，叶觉明．特大悬索桥索鞍索夹表面防护方案的实践和 四桥全面应用，但部分成果得到应用。南京四桥的 探讨ｌ＿Ｊ］．现代涂料与涂装；２０Ｉ２（４）：６３—６６． 欢迎订阅 工业建筑 杂志，邮发代号：２—８ ２ ５ ６４ 钢结构 ２Ｏ１５年第ｉ期第３Ｏ卷总第１９３期
