貓道線形計(jì)算實(shí)用方法及偏差分析

何 偉

（1.西安公路研究院，陜西西安 710065；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710054）

0 引言

隨著橋梁施工技術(shù)、施工水平的提高，交通領(lǐng)域的發(fā)展，大跨徑的跨江、跨海橋梁逐步增多。懸索橋這一大跨徑橋型也越來(lái)越多地被應(yīng)用使用。貓道是懸索橋上部結(jié)構(gòu)中重要的高空作業(yè)平臺(tái)，雖然為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，但它的使用幾乎貫穿懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工的始終。它承擔(dān)著懸索橋索股架設(shè)、調(diào)索、緊纜、索夾及吊索安裝、鋼箱梁吊裝和主纜纏絲等一系列重要工作，因此貓道的線形計(jì)算準(zhǔn)確與否對(duì)懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工起了至關(guān)重要的作用。

1 貓道構(gòu)造

貓道由承重索、扶手索、轉(zhuǎn)索鞍、錨固裝置、門架、門架支承索、貓道面層、橫向天橋等主要部件組成。從結(jié)構(gòu)上看主要分為分離式和連續(xù)式兩類[1]。兩種形式各有優(yōu)劣，其各自特點(diǎn)如下。

1.1 分離式結(jié)構(gòu)

分離式貓道承重索分為三段，每跨各自架設(shè)，邊跨承重索分別在錨錠處與主塔上錨固，中跨承重索在兩主塔上錨固。這種形式結(jié)構(gòu)比較輕便，承重索長(zhǎng)度短，省去了變位剛架等結(jié)構(gòu)，但也存在線形調(diào)節(jié)時(shí)復(fù)雜，塔頂預(yù)埋件較多，人員操作方面不便，以及對(duì)主塔受力影響較大等方面的問(wèn)題。

1.2 連續(xù)式結(jié)構(gòu)

連續(xù)式貓道承重索與主纜類似，為通長(zhǎng)索，兩端分別在兩錨錠處錨固，在主塔頂部設(shè)置轉(zhuǎn)索鞍以便轉(zhuǎn)向。連續(xù)式貓道雖然承重索長(zhǎng)度長(zhǎng)，且多了變位剛架等裝置，但方便線形的調(diào)整，同時(shí)節(jié)約了預(yù)埋件與調(diào)節(jié)設(shè)備的數(shù)量，而且在貓道改掛之后線形保持優(yōu)于分離式貓道，人員通行方便，便于施工操作，對(duì)主塔受力影響也較小。

兩種形式各有優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行選用。

2 實(shí)例分析

采用通用軟件Midas Civil對(duì)某三跨懸索橋連續(xù)式貓道進(jìn)行承重索線形計(jì)算。該橋兩塔等高，矢跨比為1/10。貓道采用連續(xù)式結(jié)構(gòu)，在塔頂處設(shè)轉(zhuǎn)向鞍座。貓道（見(jiàn)圖1）低于主纜中心線1.5 m，貓道面寬4.0 m，每條貓道由6根φ48 mm鋼絲繩支承，設(shè)置2根φ40門架支承索，2根φ22扶手索。貓道面網(wǎng)底層用大方眼焊接鋼絲網(wǎng)，面層用小方眼鐵絲網(wǎng)。扶手索采用φ22 mm的鋼絲繩，側(cè)網(wǎng)采用高1.1 m的大方眼鋼絲網(wǎng)。

貓道門架由門架支承索固定，保證貓道索相對(duì)位置，增強(qiáng)整體穩(wěn)定性，同時(shí)其橫梁下方安裝導(dǎo)輪組，用于主纜索股架設(shè)。貓道不設(shè)抗風(fēng)纜，為了增加貓道的抗風(fēng)穩(wěn)定性，用7道橫向天橋增加上下游貓道剛度。

貓道橫向天橋按照150 m一道，貓道門架按照50 m一個(gè)布置。全橋共布置橫向天橋7道，貓道門架共54個(gè)。一側(cè)貓道承重索6φ48，扶手索2φ22，門架支承索2φ40。索股托輪6 m一個(gè)。

2.1 模型建立

單幅承重索共6根，按照僅受拉索單元進(jìn)行模擬，因只進(jìn)行線形計(jì)算，故橫向天橋，變位剛架等設(shè)施均采用集中荷載的形式添加，不會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響。承重索的索力的水平向分力可以通過(guò)塔頂?shù)恼{(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以保持主塔水平分力基本均勻[4]，因此可忽略主塔水平向的位移，為一中心受壓結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。根據(jù)貓道建成后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，此模擬方法精度可以達(dá)到要求。

圖1 貓道構(gòu)造平、立面圖（單位：mm）

圖2 Midas模型

2.2 邊界條件

連續(xù)式貓道承重索在錨錠處通過(guò)錨固體系錨固于底面上，而在主塔上，承重索通過(guò)轉(zhuǎn)索鞍處也要進(jìn)行錨固（見(jiàn)圖3），因此連續(xù)式貓道承重索的邊界條件與三跨分離式類似，分別在錨錠處與塔頂固結(jié)，可以看作為三跨分離式體系[2]。

2.3 荷載

單幅貓道橫向天橋荷載按節(jié)點(diǎn)荷載施加。除自重外，其它荷載按照均布荷載方式均勻地施加于各節(jié)點(diǎn)，也可加于承重索容重中。以下為各項(xiàng)荷載值。

（1）貓道面層荷載：q1=38.3 kg/m

（2）貓道欄桿荷載：q2=9.6 kg/m

（3）貓道承重索φ48自重荷載：q3=6×9.63=57.78 kg/m

（4）門架支承索φ40自重荷載：q4=2×6.69=13.38 kg/m

（5）PPWS導(dǎo)向輪及支架：q5=8.5 kg/m

（6）電纜及燈具：q6=2 kg/m

（7）門架及導(dǎo)向滑車：q7=31.0 kg/m

（8）牽引索φ36自重荷載：q8=2×5.42＝10.84 kg/m

（9）扶手索 φ22自重荷載：q9=2×2.02=4.04 kg/m

（10）單根主纜索股自重荷載：q10=21.2 kg/m

（11）橫向天橋單側(cè)集中荷載：P=2 207.2 kg

單根承重索所受均布荷載：

其中門架支撐索也承受一定比例門架荷載，根據(jù)各橋梁實(shí)際情況確定，該橋?yàn)?/2。

2.4 線形計(jì)算

2.4.1 貓道形成后線形

貓道形成后線形與主纜中心線距離過(guò)大，會(huì)造成調(diào)索時(shí)施工不便，不得不采取加立小凳等措施，而距離過(guò)小又可能會(huì)影響后期緊纜機(jī)的行走，故貓道形成后線形距主纜中心線距離取為1.5 m，因此貓道形成后線形為確定的，可用形成后線形反推承重索空纜線形。但主纜中心線形為懸鏈線，但貓道由于橫向天橋，門架等集中荷載的存在，貓道線形不可能與主纜線形完全平行[3]，在線形計(jì)算中，可近似以三跨跨中標(biāo)高低于主纜中心線1.5 m考慮，由此可以方便地計(jì)算出承重索無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)（見(jiàn)表1）。根據(jù)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，精確度可以達(dá)到預(yù)期的要求。另外，貓道形成線形為恒荷載作用下的線形，因此貓道受到的風(fēng)荷載，施工臨時(shí)荷載等都不予考慮[1,4]。

表1 承重索無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)值(單位：m)

2.4.2 貓道空索線形

貓道空索狀態(tài)為6根承重索架設(shè)完成后未安裝變位剛架前的狀態(tài)，承受荷載僅為本身自重。通過(guò)形成后線形得到的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng)值，即可簡(jiǎn)單求得貓道空索線形。求得空索線形如表2。

2.5 溫度

該懸索橋貓道設(shè)計(jì)溫度為20℃，但實(shí)際架設(shè)過(guò)程中溫度不可能穩(wěn)定為20℃，故需計(jì)算20℃周圍溫度下的線形。具體計(jì)算值見(jiàn)表3（只列出1#承重索的線形）和表4（標(biāo)高升高為正，降低為負(fù)）。

表2 貓道承重索空索線形（南側(cè)主塔中心里程樁號(hào)為2K+005.000）

根據(jù)該橋貓道空索時(shí)與架成時(shí)貓道實(shí)測(cè)線形和計(jì)算線形進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)此種計(jì)算方法精度可以滿足設(shè)計(jì)和施工要求，兩者差距極小。

3 產(chǎn)生偏差原因及分析

貓道架設(shè)過(guò)程中，線形與計(jì)算線形難免產(chǎn)生偏差，產(chǎn)生誤差的原因主要為以下幾方面。

（1）承重索彈性模量計(jì)算時(shí)取定值，但實(shí)際中由于承重索為鋼絲繩材料，其彈性模量會(huì)隨力的大小而產(chǎn)生一定的變化，因此會(huì)造成線形偏差的現(xiàn)象[5]。此種原因產(chǎn)生的誤差可以通過(guò)預(yù)張拉時(shí)消除鋼絲繩非彈性變形后的實(shí)測(cè)值作為計(jì)算值的方法來(lái)減小。

（2）在設(shè)計(jì)中，門架支撐索承受部分門架荷載，在模擬計(jì)算中此部分荷載可以精確地施加于門架支撐索之上，但在實(shí)際操作中，門架支撐索承受的荷載比例很難十分精確，會(huì)造成貓道形成后與計(jì)算線形不吻合，即使跨中線形匹配，但四分點(diǎn)處標(biāo)高也會(huì)與計(jì)算值產(chǎn)生偏差。這也是造成很多貓道線形偏差的原因。

表3 溫度對(duì)1#承重索空索線形變化影響(單位：mm)

（3）在測(cè)量貓道線形時(shí)，如果在白天測(cè)量，貓道承重索溫度不均勻，即使考慮溫度荷載的影響，但也很難考慮如此復(fù)雜的溫度場(chǎng)，給出一個(gè)理想的線形，因此建議貓道線形測(cè)量時(shí)也按照基準(zhǔn)索股測(cè)量的方法，在夜間溫度穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行測(cè)量，以消減承重索通長(zhǎng)溫度變化造成的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

表4 溫度對(duì)貓道形成后線形變化影響(單位：mm)

經(jīng)過(guò)對(duì)某懸索橋貓道線形計(jì)算模擬，提出了模型模擬和貓道線形、下料長(zhǎng)度計(jì)算的實(shí)用方法。經(jīng)過(guò)與實(shí)際線形比對(duì)，發(fā)現(xiàn)精度可以達(dá)到要求，提出了貓道線形產(chǎn)生偏差的原因并進(jìn)行分析，其結(jié)果可以在實(shí)際工程施工中使用。

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