棋盤洲長江大橋貓道施工控制技術(shù)研究

劉長輝

(中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300)

1 引言

貓道是懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工的通道與工作平臺[1]，設(shè)置在主纜之下，與主纜空纜線形基本平行[2]。貓道成橋線形是貓道結(jié)構(gòu)一個重要的參數(shù)，決定著貓道的使用性能及結(jié)構(gòu)受力，通過貓道施工各階段的承重索標(biāo)高進(jìn)行嚴(yán)格控制。在貓道施工過程中，貓道承重索索力不斷發(fā)生變化，且邊跨索力與中跨索力的變化幅度不相同，由此產(chǎn)生的索力差將對貓道結(jié)構(gòu)、主塔產(chǎn)生一定不利影響，所以施工過程中貓道承重索索力計算分析十分必要。

2 貓道結(jié)構(gòu)

棋盤洲長江大橋?yàn)殡p塔單跨鋼箱梁懸索橋，纜跨布置為340 m＋1 038 m＋305 m＝1 683 m，中跨矢跨比1/9，主纜橫橋向中心距為34.5 m。貓道采用三跨連續(xù)式布置[3]，上、下游各1幅，相對橋中線對稱布置。貓道寬4.0 m，由貓道索、貓道面、錨固結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、下拉裝置、變位剛架、橫向天橋、貓道門架等組成[4]，如圖1所示。

圖1 貓道總體布置(單位:m)

貓道索由貓道承重索、門架支承索、扶手索和踢腳索組成，如圖2所示。每幅貓道承重索相對主纜對稱布置，承重索中心距主纜中心1.5 m[5-6]，采用8根直徑48 mm鋼絲繩，間距布置為3×0.45 m＋1.1 m＋3×0.45 m。

貓道面由承重網(wǎng)、步行網(wǎng)及防滑方木、中間橫梁、門架下橫梁等組成[7]，在中間橫梁、門架下橫梁上安裝欄桿。承重索與橫梁用U型螺栓連接，欄桿與橫梁用螺栓連接，方木與承重索、面網(wǎng)與木條用14＃鐵絲綁扎。

貓道在錨碇處設(shè)有錨碇門架、錨固預(yù)埋件、線形調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、承重索轉(zhuǎn)向支架及變位剛架等，如圖3所示。在錨碇處，貓道承重索依次經(jīng)變位剛架、轉(zhuǎn)向支架、線形調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，最后與前錨面上的錨固預(yù)埋件連接。變位剛架、轉(zhuǎn)向支架分別實(shí)現(xiàn)承重索橫向變位及豎向變位，線形調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)通過改變錨箱與拉桿的相對位置調(diào)整承重索線形[8]。

圖2 貓道斷面(單位:m)

圖3 貓道在錨碇處布置

貓道在塔頂布置有塔頂門架、承重索轉(zhuǎn)向鞍座、下拉裝置、變位剛架及工作平臺等[9]，如圖4所示。下拉裝置設(shè)置在中跨側(cè)，承重索通過轉(zhuǎn)向鞍座、下拉裝置轉(zhuǎn)向，避免與主塔干涉[10]，達(dá)到設(shè)計線形。變位剛架設(shè)置在主塔兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)貓道承重索橫向變位[11]。

圖4 貓道在主塔處布置

橫向天橋主要作用是提高貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性及便于兩幅貓道間人員通行，中跨設(shè)7道，間距為150 m，北、南邊跨各設(shè)1道，設(shè)在跨中。貓道門架用于支撐牽引索，間距為50 m。

3 承重索施工控制標(biāo)高計算

3.1 施工控制標(biāo)高的定義

貓道成橋線形是由主纜空纜線形下移一定距離得到，為實(shí)現(xiàn)貓道成橋線形，在貓道施工的各階段均應(yīng)對承重索各跨跨中標(biāo)高進(jìn)行控制，該標(biāo)高即為貓道承重索施工控制標(biāo)高。

貓道施工流程為:施工準(zhǔn)備→先導(dǎo)索架設(shè)→門架支承索安裝→承重索安裝→變位剛架、下拉裝置安裝→貓道面及橫向天橋安裝→貓道門架等安裝，完成貓道施工。根據(jù)施工流程，承重索施工控制標(biāo)高分為幾個工況:(1)承重索空索，未安裝變位剛架；(2)承重索空索，已安裝變位剛架；(3)貓道面安裝完成；(4)貓道施工完成。

3.2 施工控制標(biāo)高的計算原理

施工控制標(biāo)高計算基于如下假定[12]:(1)索為理想柔性，不考慮索截面的抗彎剛度；(2)索的無應(yīng)力長度在一定溫度下保持不變；(3)各局部坐標(biāo)原點(diǎn)滿足力的平衡條件；(4)貓道的成橋線形與主纜空纜線形平行。

施工控制標(biāo)高計算采用懸鏈線理論[13]，懸鏈線方程:

式中，K、a、b為懸鏈線參數(shù)，可通過懸鏈線上的已知3點(diǎn)坐標(biāo)確定。

索總長度計算公式:

索彈性伸長量計算公式:

式中，q為荷載；E為索的彈性模量；As為索的金屬截面積。

索的無應(yīng)力索長計算公式:

式中，l為索的跨度。

在計算承重索施工控制標(biāo)高時，首先根據(jù)貓道成橋線形計算公式(1)，確定貓道成橋狀態(tài)懸鏈線方程；然后根據(jù)公式(2)～(4)計算承重索無應(yīng)力長度；再以承重索在各工況下無應(yīng)力索長不變?yōu)闂l件，根據(jù)公式(1)～(4)確定承重索各狀態(tài)下的懸鏈線方程；最后根據(jù)承重索各狀態(tài)下的懸鏈線方程計算施工控制垂度。在計算過程中，方程組求解采用軟件Mathcad。

3.3 施工控制標(biāo)高計算結(jié)果

貓道成橋線形為主纜空纜線形下移1.5 m得到，為計算準(zhǔn)確，根據(jù)承重索轉(zhuǎn)向鞍座及下拉裝置轉(zhuǎn)向點(diǎn)的具體位置確定各跨承重索的參數(shù)，見表1。

表1 貓道承重索基本參數(shù) m

貓道承重索在各工況下，所承受荷載情況見表2。

表2 貓道承重索荷載

在計算承重索空索未安裝變位剛架狀態(tài)的施工控制標(biāo)高時，無應(yīng)力索長應(yīng)考慮變位剛架增加的索長。中跨空索狀態(tài)施工控制標(biāo)高為未安裝下拉裝置狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，所以無應(yīng)力索長應(yīng)考慮下拉裝置影響的索長，計算采用的跨度、高差、垂度不應(yīng)考慮下拉裝置。貓道承重索施工控制標(biāo)高計算結(jié)果見表3。

表3 貓道承重索施工控制標(biāo)高計算結(jié)果

4 施工過程承重索索力分析

4.1 索力計算原理

在貓道施工過程中，要根據(jù)各工況的設(shè)計要求調(diào)整承重索線形并鎖定，承重索的索力及傾角將不斷變化。

索力計算采用懸鏈線理論，并利用軟件Mathcad求解方程組。

索的水平分力計算公式:

索的豎向分力計算公式:

索力計算公式:

4.2 索力計算工況劃分

根據(jù)貓道施工流程并結(jié)合承重索索力變化情況，將貓道承重索索力計算分為以下幾個工況:

(1)貓道承重索空索狀態(tài)，變位剛架安裝。

(2)貓道面及橫向天橋安裝。

在貓道面安裝過程中，邊跨及中跨均為從塔頂向下滑移安裝。根據(jù)橫向天橋的設(shè)計位置，將貓道面滑移過程中其前端位置進(jìn)行標(biāo)記(見圖5)，并根據(jù)標(biāo)記對工況進(jìn)行詳細(xì)劃分。

圖5 貓道面前端位置標(biāo)記示意

(3)貓道安裝完成工況。

(4)索股架設(shè)工況。

4.3 索力計算結(jié)果

貓道承重索各跨的基本參數(shù)見表1，施工過程承重索索力見表4。分析表4承重索索力變化規(guī)律:在貓道施工過程中，承重索索力逐漸增加，邊跨增加幅度大，中跨增加幅度??；在空索狀態(tài)，邊跨索力較大，中跨索力較小；在貓道安裝完成及索股架設(shè)狀態(tài)邊跨索力與中跨索力接近。

表4 施工過程承重索索力統(tǒng)計

4.4 貓道施工順序

根據(jù)上述承重索索力變化規(guī)律，為減少邊跨索力與中跨索力不平衡對貓道結(jié)構(gòu)和主塔產(chǎn)生的不利影響，在貓道面施工過程中，應(yīng)先施工中跨貓道面，使中跨索力提升至與邊跨索力接近，之后同步施工邊跨貓道面及中跨剩余貓道面。具體施工流程:貓道承重索架設(shè)→中跨面網(wǎng)施工至位置3→中跨面網(wǎng)施工至位置4，同時邊跨面網(wǎng)施工至位置1→邊跨面網(wǎng)施工至位置2→完成貓道安裝→索股架設(shè)。按上述流程，貓道施工過程中邊跨與中跨承重索索力情況見表5。

表5 邊跨與中跨承重索索力差統(tǒng)計 kN

5 結(jié)束語

目前，棋盤洲長江大橋貓道已安裝完成，施工過程中貓道結(jié)構(gòu)安全，主塔變形在規(guī)范允許范圍內(nèi)，貓道成橋線形滿足設(shè)計要求。實(shí)踐證明，通過分析計算貓道施工各階段施工控制標(biāo)高，可有效保證貓道成橋線形；根據(jù)施工過程承重索索力變化情況確定貓道施工順序，保證了施工過程中貓道和主塔結(jié)構(gòu)安全，該方法可為其它類似工程施工提供參考。