AS法主纜架設(shè)用貓道施工控制計(jì)算方法

【摘 要】為確保貓道架設(shè)線形滿足施工要求，填補(bǔ)AS法施工技術(shù)方面的空白，文章以陽(yáng)寶山特大橋?yàn)檠芯勘尘敖⒂邢拊Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算分析，重點(diǎn)介紹了AS法主纜架設(shè)用貓道的特殊功能以及貓道施工空索階段的標(biāo)高控制方法，綜合考慮了承重索彈性模量、溫度、橋塔偏位及塔高對(duì)標(biāo)高的修正，能夠有效地提高承重索現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)精度。

【關(guān)鍵詞】AS法; 貓道; 施工控制; 線形調(diào)整; 有限元計(jì)算

【中圖分類號(hào)】U448.25【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

貓道是懸索橋施工過(guò)程中的臨時(shí)腳手架，架設(shè)于主纜之下，線形平行于主纜布置。在懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，貓道擔(dān)負(fù)著輸送索股、緊纜、安裝索夾及吊桿、吊裝加勁梁及纏絲防護(hù)等重要任務(wù)[1]。貓道系統(tǒng)組成構(gòu)件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，架設(shè)難度大，在施工過(guò)程中需通過(guò)計(jì)算進(jìn)行精確調(diào)整及轉(zhuǎn)換。

目前國(guó)內(nèi)已建成的大跨度懸索橋（除香港青馬大橋外）均采用預(yù)制平行索股法（PPWS法）進(jìn)行主纜架設(shè)，暫無(wú)空中紡絲法（AS法）相關(guān)參考經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)有關(guān)于懸索橋貓道的研究主要集中在優(yōu)化設(shè)計(jì)、抗風(fēng)穩(wěn)定性及貓道線形計(jì)算理論等方面，而基于有限元方法的貓道施工控制計(jì)算的研究還較少。本文主要總結(jié)了AS法主纜架設(shè)用貓道施工控制有限元計(jì)算分析的關(guān)鍵技術(shù)，為其它類似工程施工提供參考。

1 AS法主纜架設(shè)方法概述

AS法是懸索橋主纜架設(shè)方法之一，是將直徑5～7 mm的鍍鋅鋼絲掛在紡絲輪上，往返于橋梁兩側(cè)的錨碇之間，以鋼絲為單元架設(shè)主纜的工藝，流程示意如圖1所示。

紡絲輪重復(fù)工作，當(dāng)牽引鋼絲達(dá)到一股的設(shè)計(jì)數(shù)量時(shí)，利用圓形整形器整理成圓形索股，用強(qiáng)力纖維帶間隔3 m包扎定型，后續(xù)施工工序與PPWS法基本相同。

紡絲輪每一個(gè)來(lái)回過(guò)程為：兩個(gè)紡絲輪包括去程和回程，去程時(shí)死絲落入主纜索股成型器，活絲由牽引外側(cè)的滑輪支撐，此時(shí)另一個(gè)紡絲輪回程，紡絲輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，將去程時(shí)的活絲抬起，導(dǎo)入索股成型器。

目前國(guó)外普遍采用改進(jìn)后的恒張力AS法，其基本原理是將架設(shè)過(guò)程中的鋼絲張力限定為自由懸掛時(shí)所需張力的80 %～85 %，剩余部分的鋼絲重量通過(guò)安裝在門架上的索股成型器由貓道承受。因此在AS法架設(shè)主纜的施工過(guò)程中，貓道會(huì)因鋪設(shè)在其上的鋼絲重量的增大而逐漸下?lián)希枰皶r(shí)對(duì)貓道線形進(jìn)行調(diào)整，即在索股成型器下端安裝兩根垂度控制索，通過(guò)逐步張拉控制索，使貓道恢復(fù)到初始線形，保證紡絲完成后的同一索股內(nèi)的鋼絲張力誤差在允許范圍內(nèi)。

單層鋼絲架設(shè)時(shí)，按照上層鋼絲作用于下層鋼絲，下層鋼絲對(duì)整個(gè)貓道體系具有剛度貢獻(xiàn)考慮，即第一層鋼絲架設(shè)計(jì)算按照將鋼絲15 %～20 %的重量全部由貓道承擔(dān);第二層鋼絲架設(shè)時(shí)將15 %～20 %的重量作用在第一層鋼絲上，貓道與第一層鋼絲共同承擔(dān)第二層鋼絲重量;以此類推至鋼絲全部架設(shè)完成。這就表明隨著已完成紡絲數(shù)量的增加，貓道的變形會(huì)變得越來(lái)越小，線形調(diào)整頻率會(huì)逐漸下降直至不需要再進(jìn)行貓道線形恢復(fù)控制。

本文采用西南交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的軟件BNLAS進(jìn)行計(jì)算，BNLAS具有很強(qiáng)的索結(jié)構(gòu)分析功能，可以充分考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性的影響，完全能夠滿足計(jì)算需求[2]。以陽(yáng)寶山特大橋?yàn)楸尘敖⒇埖烙?jì)算模型，貓道承重索和門架承重索用空間懸鏈線索單元進(jìn)行模擬;橋塔和門架用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬;變位剛架、橫向通道等構(gòu)件以集中荷載的形式作用在貓道承重索上。

2 工程簡(jiǎn)介

陽(yáng)寶山特大橋主橋采用主跨650 m單跨鋼桁架懸索橋，中跨主纜矢跨比為1/10，2根主纜中心間距36.0 m。貓道采用三跨連續(xù)式布置，上下游各1幅，相對(duì)橋中心線對(duì)稱布置，主跨和邊跨貓道距主纜中心線鉛垂方向控制距離1.4 m，設(shè)計(jì)寬度4.0 m，主要由承重索、扶手索、貓道面層、塔頂轉(zhuǎn)索鞍及變位系統(tǒng)、橫向通道、錨固系統(tǒng)、貓道垂度調(diào)整系統(tǒng)等組成。貓道系統(tǒng)總體布置圖如圖2所示。

（1）單幅貓道布置6根48 mm貓道承重索和2根48 mm門架承重索，彈性模量取1.19×105 kPa，貓道承重索總面積為6.51×10-3 m2，門架承重索總面積為2.17×10-3 m2。

（2）貓道門架是主纜架設(shè)的關(guān)鍵構(gòu)件，底橫梁上裝有AS法門架特有構(gòu)件——索股成型器，考慮貓道承重索與門架承重索的錨固點(diǎn)差異，線形不完全平行，貓道門架立柱設(shè)計(jì)為可調(diào)式。全橋共布置門架44道，單個(gè)門架重量為1 445.26 kg，門架示意圖如圖3所示。

（3）橫向通道主要作用是提高貓道整體穩(wěn)定性和抗風(fēng)穩(wěn)定性，同時(shí)考慮施工人員通行便利，貓道在兩側(cè)邊跨各設(shè)置1個(gè)橫向通道，在中跨設(shè)置3個(gè)橫向通道，間隔160 m，單個(gè)橫向通道的重量為6 409.74 kg。

（4）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[3]，單個(gè)變位架重量1 508.78 kg，單個(gè)下壓架重量3 304.55 kg。

3 承重索施工控制計(jì)算分析

AS法主纜架設(shè)用貓道的施工過(guò)程大致可分為空索架設(shè)、變位下拉裝置安裝、面網(wǎng)及橫向通道安裝、門架承重索架設(shè)、門架安裝、索股成型器高度調(diào)整等幾個(gè)階段。承重索作為貓道結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，其施工線形的精確控制是至關(guān)重要的一環(huán)，它關(guān)系到主纜架設(shè)的施工質(zhì)量和工期[4]?？刂瓶账鳡顟B(tài)下的每一根承重索的標(biāo)高最為關(guān)鍵，其重要程度與懸索橋基準(zhǔn)索架設(shè)相當(dāng)[5]。貓道施工控制計(jì)算的主要內(nèi)容就是得到恒載狀態(tài)下的承重索無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度及每一個(gè)施工階段中的承重索標(biāo)高。

3.1 承重索無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度

根據(jù)貓道恒載狀態(tài)下各類荷載的布置情況在BNLAS中計(jì)算得到承重索中心線各跨的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度如表1所示。

理論上，按照由貓道設(shè)計(jì)線形計(jì)算得到的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度下料的貓道承重索進(jìn)行架設(shè)，則架設(shè)完成后的線形即為設(shè)計(jì)線形，而實(shí)際上由于鋼絲繩計(jì)算彈性模量與實(shí)際彈性模量不一致會(huì)導(dǎo)致承重索的線形誤差，往往需要施工單位對(duì)承重索進(jìn)行試驗(yàn)得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。通過(guò)改變彈性模量計(jì)算出各跨貓道承重索的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度變化量，可擬合出彈模修正系數(shù)，其結(jié)果如表2所示，承重索中心線的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

l=L+E×K+E×K

式中：l為實(shí)測(cè)彈性模量下的承重索無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度;L0為設(shè)計(jì)彈性模量下的承重索無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度;E為彈性模量變化量，增加為正，減小為負(fù);K1、K2為彈模修正系數(shù)。

3.2 空索標(biāo)高控制

在空索架設(shè)階段，變位剛架尚未安裝，每一根貓道承重索的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度存在差異，需要利用幾何關(guān)系對(duì)各根承重索的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)進(jìn)行修正，得到標(biāo)準(zhǔn)橋塔狀態(tài)（無(wú)塔偏、設(shè)計(jì)塔高）和設(shè)計(jì)溫度（20 ℃）下的各根承重索控制標(biāo)高結(jié)果如表3所示，圖4為變位剛架處承重索編號(hào)示意圖。

在貓道施工過(guò)程中，橋塔發(fā)生的偏位、現(xiàn)場(chǎng)溫度的變化、橋塔高度等因素都會(huì)對(duì)承重索的線形產(chǎn)生影響，為了保證架設(shè)的精度，需要將各種因素進(jìn)行修正才能得到滿足設(shè)計(jì)要求的空索標(biāo)高。為計(jì)算出各類影響因素的修正系數(shù)，可采用單一變量的控制原則：

（1）溫度修正系數(shù)：約束塔頂縱向、豎向自由度，進(jìn)行整體升降溫。

（2）跨度修正系數(shù)：約束塔頂縱向、豎向自由度，通過(guò)施加塔頂縱向強(qiáng)迫位移來(lái)改變每一跨的跨度。

（3）塔高修正系數(shù)：約束塔頂縱向、豎向自由度，通過(guò)施加塔頂豎向強(qiáng)迫位移來(lái)改變橋塔高度。

依據(jù)上述方法計(jì)算可得到不同溫度、跨度及塔高下的承重索各跨跨中標(biāo)高變化量，根據(jù)數(shù)據(jù)變化規(guī)律可判斷各跨貓道承重索的標(biāo)高變化量與溫度變化量、跨度變化量及塔高變化量均成線性關(guān)系，擬合得到的各根承重索的溫度、跨度、塔高修正系數(shù)結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

貓道承重索中心線的標(biāo)高控制點(diǎn)位置及標(biāo)高計(jì)算公式為：

x=X+D·K

y=Y+K·（T-20）+D·K+（H+H）×K

式中：x為考慮各種影響時(shí)控制點(diǎn)到橋塔中心線的距離;y為考慮各種影響時(shí)控制點(diǎn)的標(biāo)高;KyT為溫度修正系數(shù);KxD、KyD為跨度修正系數(shù);KyH為塔高修正系數(shù);T為實(shí)測(cè)溫度（℃）;D為相對(duì)設(shè)計(jì)位置的跨度變化量（m），跨度增加為正，跨度減小為負(fù);H1、H2：貴陽(yáng)岸（H1）橋塔、黃平岸（H2）橋塔相對(duì)于設(shè)計(jì)位置的塔高變化量（m），塔高增加為正，塔高減小為負(fù)，計(jì)算貴陽(yáng)跨時(shí)H2=0，計(jì)算黃平跨時(shí)H1=0。

利用上式和各項(xiàng)修正系數(shù)可以方便且較精確地根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)溫度、跨度、塔高的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)貓道承重索線形作出調(diào)整。

3.3 后續(xù)施工階段標(biāo)高控制

調(diào)整好空索階段的貓道承重索標(biāo)高后，方可進(jìn)行后續(xù)面層鋪設(shè)、變位剛架、橫向通道和門架等構(gòu)件的安裝工作，在每一個(gè)施工階段承重索的線形都會(huì)發(fā)生變化。一般來(lái)說(shuō)，空索階段的承重索標(biāo)高確定后，后續(xù)施工階段的實(shí)測(cè)線形與計(jì)算值相差不大，僅需提供不同溫度下貓道承重索各跨跨中控制點(diǎn)的標(biāo)高及塔偏結(jié)果給施工單位即可。下面僅以變位剛架安裝后的貓道承重索線形結(jié)果為例，如表6所示。AS法對(duì)貓道的架設(shè)線形精度要求較高，若有必要可在每一個(gè)施工階段對(duì)承重索標(biāo)高進(jìn)行修正計(jì)算。

4 門架安裝

門架高度由貓道承重索和門架承重索恒載狀態(tài)下的高差決定，計(jì)算結(jié)果如表7所示（僅給出部分位置）。陽(yáng)寶山特大橋設(shè)計(jì)門架高度調(diào)節(jié)范圍為6.6～7.4 m，最小調(diào)節(jié)刻度5 cm，因此計(jì)算的門架高度結(jié)果能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。

5 成型器高度調(diào)整

索股成型器是AS法主纜架設(shè)用貓道特有的結(jié)構(gòu)，作為主纜架設(shè)過(guò)程中與鋼絲直接接觸的構(gòu)件，是紡絲輪往返工作時(shí)死絲和活絲的重要支承結(jié)構(gòu)，更是鋼絲傳遞重量到貓道的重要中間結(jié)構(gòu)，它的高度會(huì)直接影響到架設(shè)鋼絲的線形精度，因此成型器的高度調(diào)整也是非常重要的施工控制內(nèi)容。索股成型器構(gòu)造示意如圖5所示。

根據(jù)施工方案，成型器理論安裝高度的計(jì)算公式為：

H=ΔH+H

式中：H為成型器理論安裝高度;△H為向上調(diào)整距離;H0為貓道承重索中心到索股成型器受力梁頂部距離，由成型器的型號(hào)尺寸決定。

索股成型器理論安裝高度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7（僅給出部分位置）。由于貓道架設(shè)誤差、成型器安裝位置誤差、基準(zhǔn)絲架設(shè)誤差等都會(huì)影響成型器最終高度，因此待基準(zhǔn)絲架設(shè)完成后，需要根據(jù)基準(zhǔn)絲線形對(duì)成型器高度進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）介紹了AS法主纜架設(shè)用貓道的特殊功能以及改進(jìn)后的恒張力AS法的基本原理。

（2）以陽(yáng)寶山特大橋?yàn)檠芯勘尘?，基于有限元分析軟件BNLAS介紹了貓道施工過(guò)程中的主要控制計(jì)算分析內(nèi)容，重點(diǎn)介紹了如何考慮承重索無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度的修正、綜合考慮溫度、跨度及塔高對(duì)空索標(biāo)高的影響并給出了修正計(jì)算公式。

（3）以陽(yáng)寶山特大橋貓道為例給出了無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度結(jié)果、各項(xiàng)修正系數(shù)、施工階段對(duì)應(yīng)的承重索線形、門架理論安裝高度以及索股成型器調(diào)整高度。

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[定稿日期]2021-01-13

[作者簡(jiǎn)介]王冠青（1995～），女，碩士，研究方向?yàn)闃蛄号c隧道工程。