懸索橋貓道計(jì)算及測(cè)量施工方法研究

郝軍峰

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧 大連 116083）

1 概述

重慶油溪長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)橹骺?60 m單跨懸索橋，主纜矢高80 m，矢跨比為1∶9.5，主梁采用正交異性橋面板鋼箱梁、梁高為3.0 m，每片鋼箱梁重約210噸，全橋共51片鋼箱梁；主纜共2根，主跨及南岸邊跨在平面上呈平行布置，橫橋向間距27.5 m；北岸邊跨水平向外偏0.8°。主纜由平行鋼絲索股（PPWS）組成，采用強(qiáng)度1 770 MPa的鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，鋼絲直徑為5.0 mm，每根主纜為112股，每股含91根鋼絲，排列成近似正六邊形；吊桿標(biāo)準(zhǔn)間距15 m；橋塔采用門式框架結(jié)構(gòu)；南岸采用重力式錨，北岸采用隧道錨。在整個(gè)上部施工期間，貓道作為懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工最重要的高空作業(yè)通道和臨時(shí)運(yùn)輸作業(yè)場(chǎng)地，會(huì)在貓道上進(jìn)行索股牽引、索股線形調(diào)整、主纜緊固、索夾及吊桿安裝、主梁吊裝、主纜纏絲、主纜檢修繩安裝等施工工序，因此貓道的安全與線形準(zhǔn)確性直接影響后續(xù)施工作業(yè)的情況。

上部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，由于主纜是柔性結(jié)構(gòu)，主纜的線形會(huì)隨著安裝吊索、纜載吊機(jī)行走、起吊鋼箱梁等荷載的分別施加發(fā)生大幅度的變形，貓道作為施工平臺(tái)，在緊纜完成后需要將貓道進(jìn)行改掛以保證其線形平行于主纜線形即需發(fā)生同樣程度的變形?？傊?，貓道的使用貫穿于整個(gè)懸索橋上部結(jié)構(gòu)安裝工程的全過(guò)程，其線形、結(jié)構(gòu)安全、將影響整個(gè)上部結(jié)構(gòu)施工各個(gè)主要工序的質(zhì)量、進(jìn)度與施工安全，因此對(duì)貓道線形、索力進(jìn)行精確的計(jì)算對(duì)懸索橋施工而言具有極其重要的意義。

2 貓道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前實(shí)際使用的貓道結(jié)構(gòu)一般分為分離式和連續(xù)式，其中“分離式貓道”是將貓道承重索根據(jù)主跨和邊跨分段各自進(jìn)行錨固，邊跨的承重索兩端分別錨于錨碇與索塔之上，中跨承重索分別錨于兩個(gè)塔上。分離式貓道的優(yōu)點(diǎn)在于施工簡(jiǎn)單，架設(shè)速度快；受溫度、下料長(zhǎng)度等影響??；可進(jìn)行單根索的調(diào)整，垂度調(diào)整方便；錨固相對(duì)較簡(jiǎn)單。但在使用實(shí)踐過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，如在塔頂預(yù)埋設(shè)備較多，例如需要在塔頂預(yù)裝錨固設(shè)備；由于主、邊跨承重索分離，水平分力不易平衡，會(huì)對(duì)索塔產(chǎn)生不平衡水平力，引起索塔偏位，施工時(shí)需要嚴(yán)格測(cè)量其塔頂偏位以保證主纜的施工精度。

重慶油溪長(zhǎng)江大橋的兩根主纜橫向中心距為27.5 m。在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與避免貓道架設(shè)過(guò)程中對(duì)主塔產(chǎn)生不平衡水平力的施工安全性，采用“連續(xù)式貓道”，該形式的貓道在主塔頂處的設(shè)置轉(zhuǎn)向器和變位剛架，以保證其平順地通過(guò)主塔。與分離式相比，連續(xù)式貓道雖然多了塔頂轉(zhuǎn)索鞍和變位剛架，但省了不少預(yù)埋設(shè)備和減少了調(diào)節(jié)設(shè)備數(shù)量，另外對(duì)索塔偏位影響比較小，在貓道安裝過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生塔偏，可以有效保證主纜施工的精度。

為方便上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)具有足夠的操作空間，貓道距主纜中心線初始控制距離1.5 m，為保證上部結(jié)構(gòu)施工中貓道的抗風(fēng)穩(wěn)定性和上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的運(yùn)輸安全性，單幅貓道設(shè)計(jì)寬度為4.0 m。

貓道的結(jié)構(gòu)主要由貓道承重索、貓道門架承重索、扶手索、貓道面層、貓道門架、塔頂轉(zhuǎn)索鞍及變位系統(tǒng)、橫向通道、錨固體系等組成。各個(gè)部件相關(guān)作用如下：（1）承重索結(jié)構(gòu)。貓道承重索是貓道結(jié)構(gòu)的最直接和主要受力結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算和參考以往工程經(jīng)驗(yàn)油溪長(zhǎng)江大橋左、右幅貓道各使用了6根貓道承重索。承重索選用強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐疲勞性、柔韌性能優(yōu)越、蠕變小的材料。（2）貓道面層。作為承載人員和設(shè)備的受力構(gòu)件，貓道面層布置不僅具有便于安全作業(yè)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，還應(yīng)在選材時(shí)考慮貓道整體有足夠的剛度，同時(shí)滿足透風(fēng)要求，一般在承重索上鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，上面再布置橫梁，將施工人員作業(yè)及作業(yè)機(jī)具的荷載傳遞給貓道承重索。作為承重索的傳力構(gòu)件，貓道面層的構(gòu)造形式?jīng)Q定了其荷載大小，其荷載值與承重索的線形相關(guān)。（3）橫向通道及抗風(fēng)穩(wěn)定措施。為滿足施工時(shí)左、右幅貓道之間的人員與設(shè)備聯(lián)系，在左、右貓道之間布設(shè)橫向通道，可以使左右兩貓道得到溝通。在2條貓道縱向之間每隔150 m設(shè)置1道橫向通道。全橋共布置7道，中跨5道，北邊跨1道，南邊跨1道。（4）貓道門架。貓道門架是貓道系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵構(gòu)件主要作用為：把貓道承重索與門架承重索聯(lián)系起來(lái)共同受力；先期作為索股牽引的支承結(jié)構(gòu)；后期作為門架纜索小吊車的支承結(jié)構(gòu)。門架荷載在門架承重索與貓道承重索間存在荷載分配的比例，計(jì)算線形是需要確定比例值以保證承載索的荷載大小。（5）貓道底梁。貓道承重索需要形成體系共同受力，因此貓道底梁的作用：把橫向6根貓道承重索連成整體共同受力；作為門架及橫向通道的支承連接結(jié)構(gòu)；把貓道面層固定在承重索上防止面層滑動(dòng)。

貓道作為懸索結(jié)構(gòu)，其恒載及活載全部轉(zhuǎn)化為承重索的張力，再由錨固系統(tǒng)將張力傳遞到主塔、錨碇等結(jié)構(gòu)。因此，錨固系統(tǒng)的可靠性對(duì)貓道的使用安全具有重要作用。為使貓道適應(yīng)施工過(guò)程中主纜的線形變化，保證施工人員和機(jī)械設(shè)備能進(jìn)行正常的操作，在塔頂兩端及錨碇根據(jù)貓道的受力要求設(shè)計(jì)貓道承重索的錨固和調(diào)節(jié)裝置。因此需要根據(jù)幾何、力學(xué)、荷載參數(shù)計(jì)算出承重索的總長(zhǎng)度、工作長(zhǎng)度以及釋放長(zhǎng)度與高程的關(guān)系。

3 貓道結(jié)構(gòu)計(jì)算

貓道線形直接受到貓道承重索控制，因此精確的承重索線形是十分必要的。從貓道承重繩架設(shè)，到最后的承重繩拆除為止，貓道承重索會(huì)經(jīng)歷數(shù)個(gè)不同的受力階段，每個(gè)階段由于所受的荷載大小不同，其線形都不一樣，線形環(huán)環(huán)相扣，正確的分析貓道承重繩各個(gè)施工階段的線形，是整個(gè)貓道使用前必不可少的環(huán)節(jié)。

3.1 貓道計(jì)算理論

貓道承重索為典型的柔性索結(jié)構(gòu)，滿足索結(jié)構(gòu)理論的三個(gè)假定：（1）索是理想柔性的，只承受拉力，既不能受壓也不能受彎。（2）索的材料符合胡克定律，相對(duì)于承重索所受荷載而言，承重索鋼絞線的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系；（3）承重索面積在外荷載作用下變化量十分微小，在計(jì)算時(shí)索的變形時(shí)的索抗拉剛度可以忽略這種變化的影響。

3.2 貓道荷載統(tǒng)計(jì)

由于貓道為柔性受力結(jié)構(gòu)，貓道線形與其所受荷載直接相關(guān)。貓道荷載是計(jì)算結(jié)果精度重要保證。貓道荷載主要報(bào)告自重荷載及其作用在其上的其他荷載，貓道施工前，施工方對(duì)各個(gè)荷載進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)承重統(tǒng)計(jì)并做好記錄以保證荷載的準(zhǔn)確性。承重索自重和其他荷載如表1~表2所示。

表1 貓道承重索材料參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表2 單幅面層以及橫向通道荷載

3.3 貓道有限元計(jì)算方法

懸鏈線方程為隱式方程，不能通過(guò)解方程得到其顯示表達(dá)，一般使用數(shù)值解法。因此為保證計(jì)算結(jié)果的精確性與可驗(yàn)證性，文章采用Midas/Civil軟件進(jìn)行貓道承重索計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可以得到承重索的線形、索長(zhǎng)、索力方便為施工方提供測(cè)量控制的依據(jù)，計(jì)算中除承重索自重以外其他的荷載可以按照均布荷載均勻的施加在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

針對(duì)重慶油溪長(zhǎng)江大橋?qū)嶋H情況，對(duì)貓道單根承重索進(jìn)行了計(jì)算分析，得到貓道成橋和空纜狀態(tài)下的線形和受力情況。在建立模型時(shí)，根據(jù)承重索實(shí)際情況確定其塔頂和錨碇錨固點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果給出的各跨垂點(diǎn)位置為控制高程，計(jì)算貓道完成時(shí)承重索線形和承重索空索狀態(tài)。計(jì)算得到承重索的在貓道架設(shè)完成階段的線形及裸塔空纜線形，表3為部分節(jié)點(diǎn)列出其縱向坐標(biāo)與標(biāo)高進(jìn)行對(duì)比。

從表中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著施加諸如貓道面層、大小橫梁，貓道門架系統(tǒng)及橫向通道等荷載，貓道承重索的線形產(chǎn)生下?lián)?，且跨中部分下?lián)嫌葹槊黠@，最大達(dá)2.1 m，證明貓道承受的荷載對(duì)貓道自身線形有較大的影響。承重索各單元形狀長(zhǎng)度、無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度相加，就能得到各跨的承重索的形狀長(zhǎng)度和無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度，各跨索長(zhǎng)如表4所示。

表3 承重索空纜與成橋線形對(duì)比

表4 各跨承重索長(zhǎng)度（單位：m）

可以得到單根承重索的無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度為1 250.20 m，由于此計(jì)算值北錨點(diǎn)-南錨點(diǎn)的長(zhǎng)度，因此需扣除兩端錨固調(diào)節(jié)裝置的長(zhǎng)度，并且需要考慮南北塔塔頂轉(zhuǎn)索鞍之間的承重索長(zhǎng)度。實(shí)際進(jìn)行承重索下料長(zhǎng)度時(shí)需要考慮后期主纜的變形量以保證貓道可以與主纜一同變形。

4 貓道施工測(cè)量

與懸索橋主纜施工不同，貓道承重索施工時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量人員到達(dá)以測(cè)量相關(guān)控制點(diǎn)的坐標(biāo)。只能使用特定的測(cè)量裝置布置在已經(jīng)過(guò)江的承重索上以通過(guò)全站儀讀取該點(diǎn)的坐標(biāo)信息并與計(jì)算值對(duì)比以實(shí)現(xiàn)承重索線形控制，因此，在計(jì)算時(shí)需要求有限元模型中節(jié)點(diǎn)足夠的密以保證測(cè)量裝置位置與理論結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)比分析。本文在進(jìn)行計(jì)算時(shí)節(jié)點(diǎn)縱向間距為5 m，保證了計(jì)算精度以實(shí)現(xiàn)線形控制。測(cè)量施工時(shí)需要考慮實(shí)際的溫度與理論溫度的差異，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

5 結(jié)論

貓道承重索計(jì)算與施工測(cè)量是懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工的關(guān)鍵步驟，需要嚴(yán)格保證其計(jì)算與施工精度，本文來(lái)自是在實(shí)際工程項(xiàng)目的貓道計(jì)算和施工，完成了貓道施工各個(gè)階段的計(jì)算與施工，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工，目前油溪長(zhǎng)江大橋已經(jīng)高精度合龍，貓道的施工為其提供了有效的保證。