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专利名称：一种骑跨式索夹的抗滑安全评估方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210024441.X

专利申请（专利权）人：云南大学
权利人地址：云南省昆明市五华区翠湖北路2号

专利发明（设计）人：苗如松,沈锐利,屈俊童

专利摘要：本发明公开了一种骑跨式索夹的抗滑安全评估方法，包括步骤：计算索夹的抗滑安全系数K；抗滑安全评估：如K＞1则索夹抗滑安全，如K＝1则索夹处于抗滑极限状态，如K＜1则索夹的抗滑摩阻力不足。本发明所公开的索夹抗滑安全评估方法，对索夹与主缆间的抗滑摩阻力计算考虑了吊索钢丝绳对索夹的箍紧作用、索夹与主缆间的环向摩擦系数，相对于现有规范方法，对骑跨式索夹摩擦抗力、抗滑安全系数的计算结果更加准确、可靠。本发明能够对索夹的抗滑安全性做出更为合理准确的评估，从而有利于结构维护计划和维护措施的制定。

主权利要求：
1.一种骑跨式索夹的抗滑安全评估方法，其特征在于，包括：步骤一、计算索夹的抗滑安全系数K，
其中，T为吊索钢丝绳的总竖向拉力，为索夹安装倾角；Ffr为索夹的抗滑摩阻力，bolt ropeFfr＝μa(Nr +γNr )；(2)式中，μa为索夹内壁与主缆表面的轴向摩擦系数；γ为径向压力传递系数，其物理意义是钢丝绳对索夹外壁产生的径向压力与索夹外壁在这种作用下对主缆表面产生的径向压力的比值，取值小于1；
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Nr 为索夹螺杆预紧力产生的索夹对主缆的径向接触压力，rope
Nr 为吊索钢丝绳箍紧作用对索夹外壁产生的径向接触压力，式中，Ptot为总的索夹螺杆预紧力，μθ为索夹内壁与主缆表面间的环向摩擦系数， 为吊索钢丝绳与索夹外壁承索槽表面间的摩擦系数，α为吊索钢丝绳对下半侧索夹壁形成的包角；
步骤二、抗滑安全评估：如K＞1则索夹抗滑安全，如K＝1则索夹处于抗滑极限状态，如K＜1则索夹的抗滑摩阻力不足。 说明书 : 一种骑跨式索夹的抗滑安全评估方法技术领域[0001] 本发明涉及悬索桥、建筑预应力弦支结构的缆索用夹具抗滑安全设计、评估领域，具体为一种骑跨式索夹的抗滑安全评估方法。背景技术[0002] 悬索桥、建筑预应力弦支结构的缆索用夹具，是连接和荷载传递的构件，必须满足抗滑承载力需求。结构设计时需要对索夹进行专门的抗滑承载力验算。当前国内外相关结构设计规范(以下统称“规范”)，如我国《公路悬索桥设计规范》(JTG/TD65?05?2015)(以下简称“悬索桥规范”)、欧洲规范BSEN1993?1?11Eurocode3:Design ofsteelstructures–Part1?11:Designofstructureswithtensioncomponents(以下简称“欧洲规范”)等，对索夹抗滑承载力给出的计算公式均带有很强的经验性质，没有考虑索夹结构形式以及吊索(或拉索)与索夹连接形式的不同对索夹受力和摩擦抗力的影响差异，然而这些因素对索夹摩擦抗力有重要影响，现有的规范方法不能准确地计算和评价索夹的摩擦抗力，详见发明人发表的论文Theoreticalandnumericalstudiesoftheslipresistanceofmaincableclampcomposedofanupperandalowerpart[J].AdvancesinStructuralEngineering,2021,24(4):691?705.该论文建立了缆索用销接式索夹的抗滑摩阻力计算方法，揭示了索夹结构形式、吊索连接形式、索夹与主缆环向摩擦系数对索夹摩擦抗力的显著影响。骑跨式索夹是缆索用索夹的重要结构形式，应用广泛，为提高该类型索夹抗滑设计和服役期间的维护水平，需要准确合理的抗滑安全评估方法。发明内容[0003] 本发明的目的是提供一种骑跨式索夹的抗滑安全评估方法。[0004] 实现本发明目的的技术方案为：[0005] 一种骑跨式索夹的抗滑安全评估方法，包括：[0006] 步骤一、计算索夹的抗滑安全系数K，[0007][0008] 其中，T为吊索钢丝绳的总竖向拉力，为索夹安装倾角；Ffr为索夹的抗滑摩阻力，[0009][0010] 式中，μa为索夹内壁与主缆表面的轴向摩擦系数；γ为径向压力传递系数，其物理意义是钢丝绳对索夹外壁产生的径向压力与索夹外壁在这种作用下对主缆表面产生的径向压力的比值，取值小于1；[0011] Nrbolt为索夹螺杆预紧力产生的索夹对主缆的径向接触压力，[0012][0013] Nrrope为吊索钢丝绳箍紧作用对索夹外壁产生的径向接触压力，[0014][0015] 式中，Ptot为总的索夹螺杆预紧力，μθ为索夹内壁与主缆表面间的环向摩擦系数，为吊索钢丝绳与索夹外壁承索槽表面间的摩擦系数，α为吊索钢丝绳对下半侧索夹壁形成的包角；步骤二、抗滑安全评估：如K>1则索夹抗滑安全，如K＝1则索夹处于抗滑极限状态，如K<1则索夹的抗滑摩阻力不足。[0016] 本发明所公开的索夹抗滑安全评估方法，对索夹与主缆间的抗滑摩阻力计算考虑了吊索钢丝绳对索夹的箍紧作用、索夹与主缆间的环向摩擦系数，相对于现有规范方法，对骑跨式索夹摩擦抗力、抗滑安全系数的计算结果更加准确、可靠。在结构设计阶段，基于该方法能够提高对骑跨式索夹抗滑设计的合理性，不至于因过分低估索夹实际的抗滑能力，而增加结构成本，如索夹长度过长，螺栓副的数量和尺寸过多和过大。螺栓副具有长期时效松弛效应，因此索夹的摩擦抗力在服役(结构运营)期间会不可避免地持续降低，需要定期检测螺栓松弛情况，据此计算索夹剩余摩擦抗力并对索夹的抗滑安全性做出评估，才能确定是否需要对索夹螺栓副进行补张拉紧固作业。这是该类结构运营管理维护的重要常规工作，贯穿于整个结构寿命期。现有悬索桥规范方法因为不考虑钢丝绳吊索对骑跨式索夹的箍紧作用，得到的索夹摩擦抗力小于实际情况，这样可能导致结构维护时过早、过于频繁地开展索夹螺栓补张拉工作，增加不必要的结构运营维护成本。本发明能够对索夹的抗滑安全性做出更为合理准确的评估，从而有利于结构维护计划和维护措施的制定。附图说明[0017] 图1为骑跨式索夹、吊索钢丝绳及主缆连接形式的三维示意图。[0018] 上图中，1?索夹；2?主缆；3?索夹螺栓；4?吊索钢丝绳；5?吊索夹具；6?锥形铸块。[0019] 图2为仅作用索夹螺栓预紧力时的受力状态图。[0020] 图3为吊索钢丝绳箍紧作用下的受力状态图。[0021] 图4为吊索钢丝绳微元体受力状态图。具体实施方式[0022] 下面结合附图对本发明进一步说明。[0023] 如图1所示，骑跨式索夹是悬索桥主缆与钢丝绳吊索连接的传力构件，两半块对合的索夹体在主缆上用预应力螺栓副紧固，钢丝绳吊索在索夹外壁的环向承索槽内包绕，骑跨在索夹上，吊索钢丝绳张拉后，其下部锚固于主梁。由于索夹具有一定倾角，吊索拉力会对索夹产生沿主缆轴向的下滑力，这一下滑力需要索夹与主缆间的摩擦抗力来平衡。抗滑摩阻力计算是索夹抗滑设计和抗滑安全评估的关键，本发明考虑了吊索钢丝绳对索夹的箍紧作用、索夹与主缆间的环向摩擦系数，相对现行规范方法评估结果更加准确可靠。[0024] 本发明中，骑跨式索夹抗滑安全评估以抗滑安全系数K作为指标，[0025][0026] 抗滑安全系数K表示为索夹的抗滑摩阻力Ffr与下滑力 的比值，即公式(1)。当K值大于1表明索夹抗滑安全，当K值为1表明索夹处于抗滑极限状态，当K值小于1表明索夹抗滑摩阻力不足，会出现索夹滑移失效。[0027] 骑跨式索夹的抗滑摩阻力基于库伦摩擦定律和静力平衡原理推导建立，抗滑摩阻力Ffr采用公式(2)计算：[0028] Ffr＝μa(Nrbolt+γNrrope)(2)[0029] 式中，μa为索夹内壁与主缆表面的轴向摩擦系数，悬索桥规范建议取值为0.15，bolt ropeNr 为索夹螺栓副预紧力产生的索夹对主缆的径向接触压力，Nr 为吊索钢丝绳箍紧作用对索夹外壁产生的径向接触压力，γ为径向压力传递系数，其物理意义是钢丝绳对索夹外壁产生的径向压力与索夹外壁在这种作用下对主缆表面产生的径向压力的比值。因为钢丝绳对索夹外壁产生的径向压力不会百分之百经索夹壁传递到主缆表面，所以γ取值小于1。[0030] Nrbolt采用公式(3)计算：[0031][0032] 式中，Ptot为总的索夹螺杆预紧力，结构运营期间，索夹螺杆预紧力可由超声波应力测量技术测量得到，μθ为索夹内壁与主缆表面间的环向摩擦系数，其取值可以参考钢材对钢材的摩擦系数统计资料确定，或者制作钢丝与索夹内壁摩擦副试件，通过试验测得摩擦系数。[0033] Nrrope采用公式(4)计算：[0034][0035] 式中，α为吊索钢丝绳对下半侧索夹壁形成的包角，T为吊索钢丝绳的总竖向拉力，为吊索钢丝绳与索夹外壁承索槽表面间的摩擦系数，其取值可以参考钢材对钢材的摩擦系数统计资料确定，或者制作钢丝绳与索夹外壁摩擦副试件，通过试验测得摩擦系数。[0036] 本发明的基本思想是针对骑跨式索夹与吊索钢丝绳的连接形式，通过力平衡原理分别得到螺栓预紧力和吊索钢丝绳对索夹及主缆产生的径向接触压力，然后根据库伦摩擦rope定律得到骑跨式索夹的抗滑摩阻力。Nr 的计算式(4)的推导过程如下：[0037] 图3示出钢丝绳对索夹外表面的接触力作用，包括径向压应力与环向切应力，钢丝绳对下半侧索夹壁形成的包角记作α，同时α也是索夹外壁相切的钢丝绳段与竖直方向的夹角。钢丝绳段微元体受力如图4所示。[0038] 在径向上，由微元体的力平衡可得[0039] FN＝qR[0040] 式中，q为吊索钢丝绳对索夹外壁的径向压应力，R为索夹外壁处的半径，FN为吊索钢丝绳拉力。[0041] 在环向上，由微元体的受力平衡，并结合边界条件可得[0042][0043] 式中，F为与索夹外壁相切的钢丝绳段的拉力， 为钢丝绳与索夹外壁承索槽表面间的摩擦系数，代入FN＝qR，可得钢丝绳对索夹壁的径向压应力q的方程为：[0044][0045] 在钢丝绳对索夹的包绕范围内对q(θ)积分，并考虑到对称性，可得钢丝绳对索夹rope外壁的总压力Nr 为[0046][0047] 因为作用于索夹的钢丝绳总的竖向拉力T＝2Fcosα，所以上式可进一步整理成[0048][0049] 即公式(4)。[0050] 然后，应用叠加原理，将骑跨式索夹与主缆间的总径向压力Nr表示为[0051] Nr＝Nrbolt+γNrrope[0052] 式中γ为径向压力传递系数，Nrbolt为吊索钢丝绳箍紧作用对索夹外壁产生的径向接触压力。因为钢丝绳对索夹外壁产生的径向压力不会百分之百经索夹壁传递到主缆表面，所以γ取值小于1，发明人基于有限元方法的理论研究结果表明，γ取值大约在0.8左右。[0053] 最后根据经典库伦摩擦定律，骑跨式索夹的抗滑摩阻力表示为[0054] Ffr＝μa(Nrbolt+γNrrope)[0055] 即公式(2)。[0056] 为了进一步阐明本发明的目的和优点，以下以某索夹抗滑承载力模型试验为例，分别用本发明公开的计算方法和悬索桥规范方法分析索夹的抗滑承载力(其分量就是抗滑摩阻力)，并将理论分析结果与试验结果作对比。[0057] 悬索桥规范方法给出的索夹抗滑摩阻力Ffr的计算公式为[0058] Ffr＝kμPtot[0059] 式中k为索夹紧固压力系数，取固定值2.8，μ为索夹与主缆间的摩擦系数，Ptot为总的索夹螺杆预紧力。对于销接式索夹和骑跨式索夹，规范均采用这种计算方法。[0060] 模型试验还原了骑跨式索夹和销接式索夹在悬索桥中的实际受力状态和滑移失效过程。骑跨式索夹和销接式索夹均采用4根螺杆预紧，并由双肢吊杆配合拉伸器对索夹施加竖向拉力。所有螺杆和吊杆的拉力均由单独的穿心式压力传感器测量，索夹相对主缆的滑动位移由位移计和千分表测量，因此在试验过程中可以准确判断索夹是否达到抗滑承载极限状态，并掌握各级加载状态下索夹的受力情况。索夹的实际倾角由倾角仪测得，加载过程中变化微。砺鄯治鍪卑23°考虑。此外针对试验装置，单独测试了索夹内壁和主缆索股间的最大静摩擦系数，20组测试结果表明试验索夹和主缆间的摩擦系数分布于0.22～0.35，平均值为0.30。[0061] 骑跨式索夹抗滑承载力理论和试验结果对照如表1所示，在各组测试中，索夹吊杆拉力均加载到610kN以上，索夹没有出现滑移失效行为，表明骑跨式索夹的抗滑承载力大于此加载值。根据总螺杆预紧力、摩擦系数、吊杆拉力及索夹倾角实测值，可以由悬索桥规范方法和本发明计算方法分别得到索夹的抗滑承载力理论值，计算结果分别列于表格中分号的前后。从表1中可以看到，因为悬索桥规范方法没有考虑吊索钢丝绳对索夹的箍紧作用，所以其对骑跨式索夹抗滑承载力的计算结果小于本发明方法的计算结果；本发明方法得到索夹抗滑承载力均大于试验吊杆拉力荷载值，所以可以得出索夹不会出现滑移失效的结论，与试验结果相符；然而采用悬索桥规范方法，对于总螺杆预紧力为212kN的测试组，即使按实测最大摩擦系数0.35计算，其抗滑承载力也仅为532kN，远小于试验吊杆拉力荷载值617kN，也即远小于索夹实际抗滑承载力。从对表1的分析中可以得出结论：本发明公开的骑跨式索夹摩擦抗力(抗滑承载力的分量)计算方法、索夹抗滑安全评估方法相对现有的规范方法，分析评价结果更加准确、可靠。[0062] 表1骑跨式索夹抗滑承载力理论与试验结果对照[0063][0064] 销接式索夹抗滑承载力按悬索桥规范法得到的理论值与试验结果对照如表2所示，各组测试索夹均加载至滑移失效，因此可以得出其实测抗滑承载力值。从表中可以看到，即使摩擦系数按悬索桥规范推荐值0.15考虑(小于实际情况)，按规范方法得到的索夹抗滑承载力仍可能大于实测结果。[0065] 表2销接式索夹抗滑承载力规范法结果与试验结果对照[0066][0067] 综合来看，不难得出结论，现有悬索桥规范方法低估了骑跨式索夹的抗滑承载力，高估了销接式索夹的抗滑承载力，原因在于规范方法没有考虑索夹结构形式以及相应的吊索与索夹连接形式不同对抗滑承载力的显著差异化影响。而试验结果已经表明这种差异是显著的。因此，本发明方法针对骑跨式索夹，在计算其摩擦抗力时，考虑吊索钢丝绳箍紧作用的影响是十分必要的，这亦是方法的先进性所在。[0068] 接下来讨论本发明方法的准确性问题。根据力平衡原理，索夹抗滑安全评估合理性的关键在于准确计算索夹的摩擦抗力Ffr，根据库伦摩擦定律，索夹摩擦抗力计算的关键在于准确计算索夹与主缆间的径向接触压力。当前尚没有实测这种表面接触压力的技术手段，因此采用有限元仿真方法来验证本发明方法的准确性。仍以模型试验为例，用有限元方法模拟试验模型的加载过程。两种方法计算结果对比如表3所示，可以看出二者的差异率很。5％以内。所以本发明方法的计算准确性得到验证。[0069] 表3试验骑跨式索夹与主缆径向接触压力计算结果对比[0070]

专利地区：云南

专利申请日期：2022-01-10

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN114358629B