大跨徑懸索橋貓道設(shè)計及架設(shè)技術(shù)

邵子璐，楊曉鵬，史 洋，付丙年，張 禹

1中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

2中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

1.引言

橋面由懸索支撐的橋梁稱為懸索橋。貓道是懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工中重要的空中作業(yè)通道和施工平臺，其架設(shè)精度直接關(guān)系到懸索橋后期的施工精度和橋梁的竣工狀態(tài)。隨著時代的進步和科學技術(shù)的發(fā)展，隨著懸索橋的發(fā)展，貓道材料和結(jié)構(gòu)形式也在不斷的改進。在整個施工過程中，貓道主要提供主纜牽引、調(diào)整、收緊、保護、索夾和吊索的安裝等用途。貓道施工工藝復雜，貫穿整個懸索橋上部結(jié)構(gòu)安裝工程，有針對性地對貓道設(shè)計及架設(shè)技術(shù)進行研究，是很有必要的。

2.貓道設(shè)計

2.1.貓道設(shè)計原則

貓道設(shè)計應遵循簡單便利，安全可靠，經(jīng)濟合理的原則。貓道面的設(shè)計線形應平行于主纜空載線型，并與其發(fā)展保持一定的間距，盡量可以減輕結(jié)構(gòu)自重、減少受風面積[1]。運行安全可靠，并能為索股牽引，主纜纏繞等機械操作提供所需的工作面，以及滿足強度和剛度要求。同時，進行安裝和拆除方便簡單快捷，以及選材經(jīng)濟且利于防火。此外，貓道不能對塔、錨固墩和主纜產(chǎn)生附加的影響。

2.2.貓道的結(jié)構(gòu)形式

貓道主要由承重索、扶手索、剛性吊架、層面板和鋼絲網(wǎng)材料組成。

主纜下方于1.5 米為貓道面，面寬3.5 米，對稱于南北塔中心線布置。為便于進行施工及垂度調(diào)整，使用連續(xù)式貓道結(jié)構(gòu)，由北岸錨固墩經(jīng)兩座主塔到南岸錨固墩，并在南北兩岸錨固墩設(shè)調(diào)節(jié)裝置。

通過兩岸主塔和主索錨固墩，在主纜下方1.5 m 左右設(shè)置8 根Φ42 mm 的貓道承重索(可根據(jù)主纜空載和承重情況下調(diào)整)，貓道兩側(cè)各設(shè)2 根扶手索，使用Φ20 mm 扶手繩。貓道寬3.5 m，在兩塔中心線位置進行布置。

貓道面層鋪設(shè)兩層面層鋼絲網(wǎng)，底層采用Φ5-50 × 70 mm 普通鋼絲網(wǎng)，上層采用Φ3-30 × 20 mm 普通鋼絲網(wǎng)，邊網(wǎng)采用Φ2-50 × 50 mm 普通鋼絲網(wǎng)[2]。

貓道承重索兩端分別錨固在兩岸的主索錨固墩的預埋調(diào)節(jié)螺栓上，因此已在南北兩岸各預埋調(diào)節(jié)螺栓16 根(8 對)和預埋錨點7 個。貓道承重索經(jīng)過塔頂設(shè)置的臨時分索裝置來調(diào)整承重索的間距，通過錨固墩調(diào)節(jié)螺栓，來調(diào)整承重索的線形和貓道距主纜的高度，經(jīng)過計算，主纜在空載情況下和最大承重狀態(tài)下其線形上下高度變化在1.775 m，貓道承重索根據(jù)此高度的變化需調(diào)整的索長為880 mm，因此承重索兩端錨桿設(shè)置的調(diào)節(jié)長度各550 mm，調(diào)節(jié)最大長度可為1.1 m。承重索在下料時，需考慮調(diào)整長度，按最長狀態(tài)下下料灌注錨頭。

為滿足貓道架設(shè)和施工需求，需要利用現(xiàn)有塔架通過塔頂架設(shè)三道施工索，其線形高于主纜，斷面呈在三角形布置。其中一根設(shè)置在塔頂高架平臺支架上，另外兩根平行架設(shè)在塔頂預埋塔耳牛腿處。

2.3.貓道線形有限元分析

2.3.1.貓道承重索平衡狀態(tài)分析

根據(jù)設(shè)計要求，貓道線形與主纜線形平行且應與主纜保持1.5 米的高差。按照貓道設(shè)計實際圖紙，建立貓道的空間有限元模型，并對貓道進行計算[3]。計算主要荷載如下：貓道承重索以及橫向貓道兩側(cè)欄桿等按0.072 KN/m 計算；面網(wǎng)、方木、托架等按1 KN/m 計算；施工人群荷載、部分器具等按0.4 KN/m計算；索股按0.315 KN/m 計算[4]。

有限元模型如圖1 所示。本模型建立簡化為1 條貓道承重索[5]。索由midas 桁架單元中的輔助單元索單元模擬。

Figure 1.Finite element model diagram圖1.有限元模型圖

按照以上模型，迭代計算，以獲得電纜在空狀態(tài)下，即不考慮施工人員、索股等荷載的情況下，貓道承重索的平衡位置如圖2 所示。

Figure 2.Location map of catwalk load-bearing cable balance state圖2.貓道承重索平衡狀態(tài)位置圖

Figure 3.The equilibrium state of catwalk load-bearing cable should be attempted圖3.貓道承重索平衡狀態(tài)應力圖

由圖2、圖3 所示計算結(jié)果可以得知，貓道承重索在拉索自重和面層鋪裝作用狀態(tài)下，貓道的平衡位置與模型初設(shè)值相差不大，且貓道承重索的應力處于一個較低的水平上。貓道承重索的矢高為29.2 米，位于主橋主纜下方約1.5 米處。貓道承重索應力的最大應力值為98.6 MPa。

2.3.2.貓道承重索安裝過程計算

貓道承重索在所有的欄桿和面層等荷載作用下的平衡位置與主橋主纜的高差為1.5 米。在貓道面層安裝前，貓道承重索的位置在平衡位置之上，通過計算得到貓道空索的位置如圖4 所示，空索狀態(tài)相應于平衡位置的變形為0.7 米，其空索的垂度為28.5 米?？账鳡顟B(tài)下的貓道承重索的應力如圖5 所示，最大應力為37.7 MPa。

Figure 4.Cat lane empty rope location map圖4.貓道空索位置圖

Figure 5.Cat lane cable should try hard圖5.貓道空索應力圖

3.貓道施工流程

先導索過江→施工索架設(shè)→承重索架設(shè)→扶手索架設(shè)→面層及邊網(wǎng)敷設(shè)→承重索垂度調(diào)整→抗風索架設(shè)。

3.1.先導索過江

某懸索跨越懸索橋斜跨200 m 深切峽谷，兩岸岸坡陡峭。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采取飛機拖送法進行先導索過江。選擇在晴朗、風力小的天氣進行。在北岸先用用遙控飛機模型把直徑為1 毫米的尼龍繩牽引過江，用細繩拖粗繩的方式把直徑為8 mm 的細鋼絲繩牽引過江，直徑為8 mm 的細鋼絲繩把卷揚機跑繩牽引過江。卷揚機跑繩在南岸通過導向滑輪后再利用8 mm 細鋼絲繩牽引回北岸，通過兩臺5 t 卷揚機將卷揚機跑繩形成閉合回路。航模牽引先導繩過江見圖6 所示。

Figure 6.Model drawing pilot rope across the river圖6.航模牽引先導繩過江

3.2.施工索和輔助施工索架設(shè)

3.2.1.輔助施工索的架設(shè)

選用Φ36-6 × 37-1670 的鋼絲繩作為輔助施工索，成盤放置在北岸主索錨固墩附近的放索架上，將輔助施工索的一端牽引到主塔附近，由塔頂?shù)鯇⑤o助施工索的繩端吊至塔頂過塔，輔助施工索架設(shè)在中間的自制簡易索鞍上。然后通過卷揚機跑繩回路將輔助施工索牽引到南岸，再經(jīng)塔頂?shù)踹^塔，牽引至南岸主索錨固墩錨點錨固。

3.2.2.施工索架設(shè)

通過輔助施工索架設(shè)3 條Φ50-6 × 19IWS-1870 型號的高架施工索，3 條施工索單根分別架設(shè)。先將一根施工索放置在主索錨固墩附近的放索架上，將施工索的一端牽引到主塔底部，由塔頂?shù)醯踔了?，然后通過輔助施工索牽引過江。施工索在塔頂放置在中間的自制簡易索鞍上。將施工索的一端通過鋼絲繩吊環(huán)吊在輔助施工索上，施工索的繩端可沿輔助施工索進行滑動，通過對岸的卷揚機將施工索沿輔助施工索牽引到南岸。通過塔頂簡易自制索鞍牽引至南岸主索錨固墩，先將南岸施工索錨固在主索錨固墩上，調(diào)節(jié)施工索的垂度，調(diào)好后將北岸施工索的繩端錨固在主索錨固端上[6]。然后再架兩側(cè)施工索，架設(shè)方法同于中間施工索架設(shè)方法，施工索的兩端分別錨固在兩岸主索錨固段的Φ80 錨點上。

3.3.貓道承重索架設(shè)

該懸索結(jié)構(gòu)跨越懸索橋邊跨利用水平地面上的托滾向索塔方向進行牽拉承重索試驗，當承重索繩頭到達塔底后，利用控制塔頂?shù)鯇⒊兄厮骼K頭提拉至塔頂，使其與卷揚機跑繩相聯(lián)接。

通過4 臺卷揚機，兩兩成對使用，分別起到牽引發(fā)送走線滑車和提升貓道承重索的作用。通過兩臺卷揚機牽引卷揚機跑繩，使卷揚機跑繩通過發(fā)送走線滑車提升貓道承重索，使得施工索線形與貓道承重

索線形基本相同。再通過兩臺卷揚機牽引發(fā)送走線滑車，使走線滑車沿施工索帶動貓道承重索由一岸發(fā)送到另一岸[7]。

3.4.貓道扶手索架設(shè)

貓道兩側(cè)各敷設(shè)2 根Φ19.5-6 × 37-1670 的鍍鋅扶手索，間距600 mm，與底部貓道承重索形成1.2 m的側(cè)面封擋。貓道扶手索發(fā)送方式與貓道承重索相同，貓道上采用方鋼支架對扶手索進行定位。

3.5.貓道面層及邊網(wǎng)敷設(shè)

貓道兩層面板鋪設(shè)兩層鋼絲網(wǎng)。底層采用Φ5-50 × 70 普通鋼絲網(wǎng)，上層采用Φ3-30 × 20 普通鋼絲網(wǎng)，邊網(wǎng)采用Φ2-50 × 50 普通鋼絲網(wǎng)[8]。貓道防滑木采用3.5 m 木方，規(guī)格40 × 50，間距布置為500 mm。貓道剛性支架布置間距30 m。采用8#線鐵絲綁扎固定。貓道面層斷面結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

Figure 7.Cat path surface section structure圖7.貓道面層斷面結(jié)構(gòu)

貓道層敷設(shè)應從主索錨固墩到主塔逐漸推進敷設(shè)，然后再進行主塔到兩塔中間段敷設(shè)，在塔吊附近可借助塔吊進行敷設(shè)。

3.6.貓道承重索調(diào)整

貓道面層及邊網(wǎng)敷設(shè)施工完畢后，貓道的恒載已基本加載完備，需進行貓道線形的調(diào)整，調(diào)整順序按照上下游對稱的原則進行，利用全站儀測量承重索最低點的高程，通過改變承重索的長度來調(diào)整承重索的垂度，通過在調(diào)節(jié)螺栓錨固頭的位置對承重索的長度進行調(diào)整。

承重索測量，可用全站儀的懸高測量方法進行，同一貓道面8 根承重索應在同一弧面上，其相對高差值控制在≤30 mm [9]。在貓道承重索調(diào)整過程中，為了能夠保證塔頂水平力的平衡，要求施工中對上下游貓道承重索對稱調(diào)整，并隨時監(jiān)測線路和主塔位移。

3.7.抗風索架設(shè)

由于貓道跨度較大，又為單條貓道形式，抗風能力較差，因此，采用臨時抗風措施。采用四根長100 m，Φ22 的臨時風索鋼絲繩與貓道相連接，通過四臺卷揚機同時牽引，與四個風索錨固墩的錨點進行連接，起到對貓道抗風的作用[10]。

4.結(jié)語

在本文中，本文以某跨越懸索橋施工貓道為背景，介紹了貓道的設(shè)計與架設(shè)方式。該懸索跨越貓道采用鋼絲網(wǎng)作工作面和側(cè)網(wǎng)，既減輕了貓道自重，又有利于材料的回收，同時也杜絕了火災隱患。在懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工過程中，貓道使用狀態(tài)良好，保證了施工的質(zhì)量與進度。