大跨懸索橋貓道設計與結(jié)構(gòu)驗算

徐 陽

(1.長沙理工大學, 湖南 長沙 410076； 2. 張花高速公路連接線項目部， 湖南 保靖 416500)

大跨懸索橋貓道設計與結(jié)構(gòu)驗算

徐 陽1,2

(1.長沙理工大學, 湖南 長沙 410076； 2. 張花高速公路連接線項目部， 湖南 保靖 416500)

岳陽洞庭湖大橋為雙塔雙跨鋼桁架梁懸索橋，纜跨徑布置為460 m+1480 m+491 m，主梁跨徑布置為1480 m+453.6 m，主纜矢跨比為1∶10。其貓道的設計與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接影響大橋的施工安全。從貓道總體布置、貓道承重索及扶手索、貓道承重索錨固體系、塔頂轉(zhuǎn)索鞍及變位系統(tǒng)、貓道面層及門架等方面介紹了該大橋的貓道設計，并建立貓道結(jié)構(gòu)計算模型，對恒載狀態(tài)下的承重索線形及張力進行了驗算，驗算結(jié)果滿足施工要求；通過驗算組合狀態(tài)下貓道承重索和門架承重索結(jié)構(gòu)，得到其安全系數(shù)均大于3，證明貓道設計合理，有足夠的安全儲備。

懸索橋； 貓道設計； 結(jié)構(gòu)驗算

0 概述

在橋梁施工中，貓道的設計至關重要。貓道設計應遵循構(gòu)造簡捷、施工方便、安全可靠、經(jīng)濟合理的原則。貓道面層的線形應平行于主纜空載線形，并與其保持一定的間距，盡量減輕自重、減少受風面積。具有操作安全可靠，并能滿足索股牽引、主纜箍緊等機械作業(yè)所需要的工作面和凈空，以及強度和剛度的要求。同時，要求安裝和拆卸方便快捷，選材經(jīng)濟且利于防火。另外，貓道不能對塔、錨碇和主纜產(chǎn)生附加的影響。

1 貓道設計

1.1 總體布置

岳陽洞庭湖大橋為雙塔雙跨鋼桁架梁懸索橋，其主纜跨徑布置為460 m+1 480 m+491 m，主梁跨徑布置為1 480 m+453.6 m，主纜矢跨比為1∶10，在左右幅對應于主纜中心線下方各設置一幅貓道，左、右幅貓道中心距35.4 m，單幅貓道寬度設置4.2 m，側(cè)網(wǎng)間凈寬4 m，中跨貓道面層距主纜中心線為1.5 m，邊跨貓道面層距主纜中心線為1.7 m。洞庭湖大橋的貓道為3跨連續(xù)，在塔頂增設下拉裝置以盡量保持貓道線形與主纜中心線一致。貓道由貓道承重索及扶手索、貓道門架及門架承重索、塔頂轉(zhuǎn)索鞍及變位系統(tǒng)、貓道面層、橫向通道和錨固體系組成。如圖1。

圖1 大橋貓道布置圖(單位： m)

1.2 貓道承重索及扶手索

每條貓道設置10根Φ54鋼芯鍍鋅鋼絲繩作為貓道承重索(圖2)，采用3跨連續(xù)布置，在塔頂設置支撐轉(zhuǎn)索鞍，在塔頂兩側(cè)附近設置變位剛架，并在塔頂設置下拉裝置，盡量使貓道線形與主纜中心線線形保持一致，并滿足主纜緊纜與纏絲機械設備空間的需要。

圖2 貓道承重索布置圖(單位： mm)

貓道每側(cè)每6 m設置1道欄桿立柱，用以固定上下3根扶手索(圖3)。扶手索上層采用Φ26鍍鋅鋼絲繩，下層分別采用Φ22、Φ16鍍鋅鋼絲繩。

圖3 貓道扶手繩布置圖(單位： mm)

1.3 貓道承重索錨固體系(圖4)

1)貓道承重索通過在錨碇散索鞍支墩上預埋型鋼耳座錨固。每幅貓道在錨碇各設置4根大錨固拉桿，每根錨固拉桿通過銷栓將貓道承重索力傳遞到錨碇散索鞍支墩。

2)貓道調(diào)整系統(tǒng)采用大小拉桿及錨梁組合結(jié)構(gòu)。每幅貓道在兩岸分別有4根大錨固拉桿，用以貓道整體線形調(diào)整，并與錨固橫梁相連。在錨固梁上設置槽孔，承重索短拉桿穿過錨固橫梁的槽孔后依靠錨固墊板進行錨固。錨固墊板采用球面結(jié)構(gòu)，滿足風力作用下貓道的橫向擺動。

3)大、小拉桿組合調(diào)整承重索線形，小拉桿前期用于消除承重索制作誤差，使貓道承重索垂度保持一致，后期貓道拆除時也可以用于放松貓道。大拉桿用于貓道線形整體調(diào)整和貓道改吊期間的放松。

圖4 貓道承重繩錨固體系布置圖(單位: mm)

1.4 塔頂轉(zhuǎn)索鞍及變位系統(tǒng)

轉(zhuǎn)索鞍設計為整體箱型構(gòu)件，采用加勁板焊接成箱，邊跨轉(zhuǎn)索鞍設計高度為1.47 m，中跨轉(zhuǎn)索鞍設計高度為1.33 m，上、下底板板厚為40 mm，其余加勁板為20 mm，鋼板采用Q345 材料，索槽采用鑄件。具體結(jié)構(gòu)尺寸見圖5。

圖5 轉(zhuǎn)索鞍構(gòu)造示意圖(單位: mm)

變位鋼架采用一體化設計形式，在2號變位梁下面設置掛籃，作為變位梁操作平臺，1號變位梁與2號變位梁之間采用鋼架連接，變位鋼架采用Q345鋼材，各構(gòu)件尺寸如圖6。

圖6 變位梁構(gòu)造示意圖(單位: mm)

1.5 貓道面層

貓道面網(wǎng)考慮雙層網(wǎng)，下層為菱形鋼板網(wǎng)，鋼板網(wǎng)厚度5 mm，網(wǎng)格80 mm×120 mm，上層考慮鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)格15 mm×15 mm，鋼絲直徑2 mm。貓道面層的2層鋼絲網(wǎng)上，每6 m交替設置面層小橫梁(60×60×3方鋼管)和大橫梁(80×80×6)方鋼管，每隔0.5 m綁扎1根防滑木條。

1.6 貓道橫向通道

根據(jù)貓道風洞模型試驗及抗風穩(wěn)定性非線性計算結(jié)果，同時考慮施工需要，貓道共設置11個橫向通道，主跨設7個橫向通道，岳陽側(cè)邊跨設2個橫向通道，君山側(cè)邊跨設2個橫向通道。除滿足左右幅貓道之間人員的通行外，橫向通道還起到提高貓道自身的整體穩(wěn)定性，使貓道具備足夠的抗風能力的作用。

1.7 貓道門架承重索及貓道門架

貓道門架是門架拽拉式索股架設的關鍵構(gòu)件(圖7)，考慮貓道承重索與門架承重索的錨固點差異，二者線形不完全平行。每隔42.5 m或50 m設置一道貓道門架，貓道門架由2×Φ60門架承重索固定，并與貓道共同形成空間結(jié)構(gòu)。

圖7 貓道門架布置圖(單位: mm)

2 貓道結(jié)構(gòu)計算模型

2.1 貓道設計荷載

根據(jù)設計資料提供的主纜線形，考慮邊跨側(cè)背索的影響，設計計算采用理論單股空纜線形。

1)貓道均布恒載。

貓道的均布恒載見表1所示。

表1 貓道恒載均布荷載

2)貓道集中荷載。

門架單個質(zhì)量871.807 kg，門架導輪組單個質(zhì)量300 kg，合計1 471.807 kg(門架及導輪組荷載由門架承重索承擔)；橫通道單個質(zhì)量11 718.7 kg(包括橫通道處索梁連接剛架、橫通道附屬結(jié)構(gòu)、橫通道滑索及扣索裝置等)； 1號變位剛架977.164 kg；下拉變位剛架1 146.219 kg。

3) 貓道活載。

主纜索股3根(單根索股每延米重22.4 kg/m)；單幅貓道考慮25 m承重1人，為均布載荷；施工機具：單點500 kg，單幅貓道考慮2 000 kg。

4) 風荷載。

根據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》(JTG/T D60 — 01 — 2004)，在橫橋向風作用下貓道承重索及門架承重索單位長度上的橫向靜陣風荷載可按下列公式計算：

FH=ρCHH

Vg=GVVZ

其中：FH為作用在主梁單位長度上的靜陣風荷載，N/m；ρ為空氣密度，kg/m3，取為1.25；Vg為靜陣風風速，m/s；GV為靜陣風系數(shù)，對貓道及門架承重索取1.2；VZ為基準高Z處的風速，m/s；CH為阻力系數(shù)，對貓道承重索，索間距大于4倍索直徑，取0.70，各索獨立考慮風荷載；對門架承重索，索間距大于4倍索直徑，取0.70，各索獨立考慮風荷載；H為阻風高度。

將貓道扶手索及防護網(wǎng)的阻風高度計入到貓道承重索，則對于貓道承重索：

h1= (20×5+26+22+16+80)mm×2+

54×10 mm=1 028 mm;

對門架承重索：

h2=2×60 mm=120 mm。

根據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》(JTG/T D60 — 01 — 2004)的規(guī)定，懸索橋的纜、吊桿、索的基準高度可取跨中主梁底面到塔頂?shù)钠骄叨忍?，得到貓道承重索及門架承重索H=(76.087+235.088)m/2=155.588 m，又底面高程為30 m，則貓道承重索及門架承重索基準高度為：Z=155.588 m-30 m=125.588 m。

根據(jù)以上公式可計算作用于結(jié)構(gòu)每個單元上的風載如下：

極限風荷載下，貓道承重索延米荷載：1.219 kN/m；門架承重索延米荷載：0.142 kN/m。工作風荷載下，貓道承重索延米荷載：0.209 kN/m；門架承重索延米荷載：0.024 kN/m。

5) 溫度作用。

根據(jù)施工圖設計說明，主橋設計中取基準溫度為20 ℃，溫度變化：鋼結(jié)構(gòu)升溫26 ℃，降溫31 ℃。

2.2 貓道材料參數(shù)

結(jié)構(gòu)主要的材料參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)主要的材料參數(shù)

2.3 貓道模型

在軟件BNLAS中，計算模型(圖8)根據(jù)實際結(jié)構(gòu)進行空間桿系離散。承重索及連接：貓道承重索和門架承重索采用線形計算系統(tǒng)得到兩者的合理線形，在此基礎上將計算得到的各點的坐標輸入到空間計算系統(tǒng)中，在線形計算系統(tǒng)中，為了精確計算貓道承重索和門架承重索線形，在劃分節(jié)點位置時，以大小橫梁、門架、橫向通道等集中荷載加載點劃分，以這些點將貓道承重索和門架承重索進行離散化，根據(jù)貓道系統(tǒng)的實際組成，將10根貓道承重索和2根門架承重索組成的空間結(jié)構(gòu)建成1根貓道承重索單元和1根門架承重索單元，形成平面模型。

貓道承重索、門架承重索以分段懸鏈線單元將節(jié)點連接進行模擬，橋塔用空間梁單元進行模擬。模型真實地反映了結(jié)構(gòu)的實際情況。兩側(cè)貓道承重索之間的橫向通道以集中荷載的形式分別加在貓道承重索的兩側(cè)，在門架位置處建立門架，如圖9所示。

圖8 貓道BNLAS計算模型

圖9 門架處結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 貓道模型邊界條件

貓道承重索在散索鞍支墩處固結(jié)，門架承重索在錨碇處固結(jié)，此處，暫將門架承重索固結(jié)于散索鞍支架錨固位置處，貓道承重索和門架承重索通過剛臂與橋塔連接，塔底固結(jié)。

2.5 計算階段劃分

根據(jù)實際施工過程在軟件BNLAS中分別對貓道安裝各階段的單元進行安裝，在施工過程計算完成后，檢查各點標高是否滿足要求，如果不滿足，則適當調(diào)整分配于貓道承重索，門架承重索中門架處的荷載，由BNLAS重新計算，反復進行上述過程，最后得到最終的恒載狀態(tài)(恒載線形、內(nèi)力)。根據(jù)實際的施工過程，貓道的施工階段及BNLAS計算階段劃分如表3所示。

表3 計算階段劃分表

2.6 荷載及荷載組合

貓道承重索上作用的荷載分為兩類：一類是沿索長分布的均布荷載，如貓道承重索自重、貓道面層、扶手索等結(jié)構(gòu)；另一類作為集中荷載簡化，如橫向通道、門架橫梁、變位剛架。門架承重索上作用的荷載也分為兩類：一類是沿索長分布的均布荷載，如門架承重索，另一類是作為集中荷載簡化，如門架的重量。貓道計算主要考慮以下5種荷載組合進行計算，見表4所示。

表4 計算考慮的荷載組合

3 計算結(jié)果

3.1 恒載狀態(tài)計算結(jié)果

3.1.1 承重索恒載線形計算結(jié)果

貓道平行于主纜，對于貓道初始線形設計，以跨中標記點相同縱坐標的高程，確定同樣位置貓道的初始高程，此初始線形為目標線形。計算過程中調(diào)整貓道特征點坐標，得出索塔處水平力平衡、線形滿足施工要求的貓道設計線形。

利用BNLAS，通過施工過程計算與調(diào)整可以得到結(jié)構(gòu)最終的恒載狀態(tài)。恒載下貓道承重索及門架承重索的線形計算結(jié)果顯示，中跨貓道承重索與主纜中心線標高差在1.5 m左右波動；君山側(cè)貓道承重索與主纜中心線標高差在1.7 m左右波動；岳陽側(cè)貓道承重索與主纜中心線標高差在1.7～2 m左右波動，其中2 m范圍大約為邊跨側(cè)1/3跨長，考慮岳陽邊側(cè)無吊索，作業(yè)相對較少，認為滿足要求；門架高度在6.887～7.466 m間，門架設計高度范圍：7.0～7.5 m，上述計算結(jié)果均滿足施工要求。圖10為貓道承重索與主纜空纜中心標高差值圖。

圖10 貓道承重索與主纜空纜中心標高差值

由計算可以看出：邊跨處不設置下拉裝置即可以滿足1.5 m的工作高度要求，則取消邊跨下拉裝置可行。

3.1.2 承重索恒載張力計算結(jié)果

在恒載狀態(tài)下，單幅貓道承重索(10根)張力結(jié)果如圖11所示。各錨固點貓道承重索張力值見表5所示。

圖11 恒載狀態(tài)貓道承重索張力示意圖(10根)

表5 恒載狀態(tài)貓道承重索張力(10根) kN

在恒載狀態(tài)下，單幅貓道門架承重索(2根)張力結(jié)果如圖12所示。各錨固點貓道承重索張力值見表6所示。

圖12 恒載狀態(tài)門架承重索張力示意圖(2根)

3.2 荷載組合狀態(tài)計算結(jié)果

3.2.1 貓道承重索計算結(jié)果

利用軟件計算了各荷載組合情況下，貓道承重索最大張力結(jié)果，并且給出了安全系數(shù)，見表7，從結(jié)果看出安全系數(shù)均大于3。

表8為各荷載組合情況下，貓道承重索各錨點最大拉力結(jié)果，用于設計計算預埋件。

表6 恒載狀態(tài)門架承重索張力(2根) kN

表7 荷載組合下貓道承重索最大張力

表8 荷載組合下貓道承重索錨固點最大拉力(10根) kN

3.2.2 門架承重索計算結(jié)果

本文給出了各荷載組合情況下，門架承重索最大張力及拉力結(jié)果，并且給出了安全系數(shù)，見表9和表10，從結(jié)果看出安全系數(shù)均大于3。

表9 荷載組合下門架承重索最大張力

表10 荷載組合下門架承重索錨固點最大拉力(2根) kN

4 結(jié)論

1)本文從貓道總體布置、貓道承重索及扶手索、貓道承重索錨固體系、塔頂轉(zhuǎn)索鞍及變位系統(tǒng)、貓道面層及門架等方面詳細介紹了岳陽洞庭湖大橋的貓道設計。

2)通過建立模型驗算恒載狀態(tài)下的貓道承重索線型，得出中跨貓道承重索與主纜中心線標高差在1.5 m左右波動；君山側(cè)貓道承重索與主纜中心線標高差在1.7 m左右波動；岳陽側(cè)貓道承重索與主纜中心線標高差在1.7～2 m左右波動，其中2 m范圍大約為邊跨側(cè)1/3跨長，考慮岳陽邊側(cè)無吊索，作業(yè)相對較少，認為滿足要求；且通過計算結(jié)果得出邊跨處不設置下拉裝置即可以滿足1.5 m的工作高度要求，建議取消邊跨下拉裝置。

3)通過驗算組合荷載狀態(tài)下的貓道承重索和門架承重索，得出兩者的安全系數(shù)均大于3，說明結(jié)構(gòu)有足夠的安全儲備，完全可以滿足施工要求。

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