海峽懸索橋貓道設(shè)計(jì)與靜力穩(wěn)定性分析

摘要：貓道為大跨徑懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工必備的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)架設(shè)質(zhì)量對(duì)主纜最終線性有著決定性的影響。本文重點(diǎn)系統(tǒng)介紹空間主纜形式貓道的設(shè)計(jì)，利用有限元分析軟件對(duì)貓道整體靜力穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為同類海峽大跨度懸索橋貓道設(shè)計(jì)施工提供借鑒參考。

關(guān)鍵詞：懸索橋；貓道設(shè)計(jì)；仿真分析文章編號(hào)：2095-4085（2024）05-0123-03

0引言

哈羅格蘭德特大懸索橋位于挪威北部納爾維克的奧福特峽灣，全長(zhǎng)1 621.2m，主跨1 145m，主橋?yàn)殇撓淞簶蛎?，橋面寬?5.42m，索塔呈“A”字形，兩側(cè)主塔分別高172m和175m，懸索橋主纜首次采用空間纜形式，平面投影呈“外八字+卵型+外八字”，兩岸分別設(shè)有一對(duì)隧道式錨碇。

結(jié)合本項(xiàng)目特大懸索橋具體特點(diǎn)及業(yè)主指定主纜架設(shè)工藝，尤其針對(duì)塔頂凈寬尺寸的限制，經(jīng)綜合比較，確定哈羅格蘭德特大懸索橋采用三跨分離式貓道結(jié)構(gòu)形式，以靈活調(diào)整中邊跨貓道線性，減少轉(zhuǎn)索鞍等臨時(shí)錨固設(shè)施，保證主索鞍安裝、頂推施工所需空間。

1重難點(diǎn)分析

1.1貓道形式布設(shè)分析

針對(duì)雙塔懸索橋，貓道設(shè)計(jì)通常分為連續(xù)式布設(shè)和分離式布設(shè)兩種形式。本項(xiàng)目主跨達(dá)1 145m，考慮到承重索的架設(shè)難度以及便于調(diào)整稱重索在空纜和稱重受力情況下的線形，本項(xiàng)目采用三跨分離式貓道設(shè)計(jì)。

1.2貓道門架設(shè)計(jì)分析

門架作為貓道設(shè)計(jì)中重要的結(jié)構(gòu)，為貓道承重索和門架稱重索提供整體受力剛度，其結(jié)構(gòu)形式的選擇對(duì)后期貓道受力分析及施工均有著重要的影響。

門架設(shè)計(jì)之初必須要考慮緊纜機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、施工人員的操作空間、主纜拖輪布設(shè)及安全防護(hù)設(shè)施等因素，同時(shí)要結(jié)合貓道整體剛度及穩(wěn)定性。本項(xiàng)目跨中主纜在頂推到設(shè)計(jì)位置之前，呈平行狀態(tài)，其中心間距為3.16m，而南北邊跨主纜則呈“外八字布設(shè)”，從而產(chǎn)生中邊跨門架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式不能統(tǒng)一的問(wèn)題。若將中跨貓道設(shè)計(jì)為與邊跨結(jié)構(gòu)尺寸一致的獨(dú)立門架，貓道整體剛度和抗風(fēng)剛度不能得到最佳效果，主跨貓道整體穩(wěn)定性也將受到影響。

為了使貓道門架受力更加均勻，增加主跨貓道的整體剛度，提升主跨貓道的整體穩(wěn)定性，減少機(jī)械連接件，本項(xiàng)目考慮將跨中貓道門架設(shè)計(jì)為寬度為7.6m的整體式門架，可同時(shí)為上下游主纜施工提供操作平臺(tái)。

1.3特殊荷載分析

本項(xiàng)目地處北極圈，每年11月到第二年4月份為雪季，因此在貓道設(shè)計(jì)之初需要特別考慮雪荷載所帶來(lái)的影響。

查閱當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)類似項(xiàng)目的資料，可知雪季較長(zhǎng)，當(dāng)?shù)亟?jīng)常采用人工加大型機(jī)械設(shè)備清除地面積雪及結(jié)冰。而雪季期將處于停工狀態(tài)，需要人員定期清除積雪及結(jié)冰，而貓道屬于高空作業(yè)，不適于用大型機(jī)械對(duì)處于基本滿荷狀態(tài)的積雪進(jìn)行清掃，因此需要結(jié)合積雪特征，從貓道面網(wǎng)材料特性、面網(wǎng)網(wǎng)格間距、側(cè)網(wǎng)雪阻系數(shù)及融雪措施等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。

2貓道整體設(shè)計(jì)

哈羅格蘭德懸索橋貓道設(shè)計(jì)采取三跨分離式貓道，跨徑布置形式：（250.94+1 145.00+225.26）m。由于本橋主纜線性呈空間狀態(tài)：即主纜平面線性投影在兩側(cè)邊跨呈“外八字”形布設(shè)，而在中跨平面投影呈卵形布設(shè)。

南北岸邊跨主纜平面投影線性呈“外八字形”布設(shè)，因此從主塔開(kāi)始將貓道按照主纜平面線性設(shè)置為獨(dú)立式貓道，并在各自中央部位設(shè)置橫向通道及制振系統(tǒng)，保證其整體剛度及靜力穩(wěn)定性，同時(shí)減小貓道在活荷載作用下的振動(dòng)。

2.1貓道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1貓道承重索及扶手索

中跨貓道采用12根φ54的鍍鋅鋼絲繩作為承重繩，布置間距：（2×0.525m+1.1m+5×0.525m+1.1m+2×0.525m）；邊跨貓道采用6根φ54的鍍鋅鋼絲繩作為承重繩，布置間距：（2×0.525m+0.9m+2×0.525m）。扶手繩為2根φ32的鋼絲繩，欄桿繩為2根φ16的鋼絲繩。

2.1.2貓道面層

貓道面層由承重網(wǎng)、步行網(wǎng)及防滑方木組成。承重網(wǎng)為Φ7直徑，50mm×70mm；步行網(wǎng)為Φ2直徑，25mm×25mm；側(cè)網(wǎng)為Φ5直徑，50mm×100mm。方木加勁條30mm×50mm×1 200mm，間距50cm。面網(wǎng)與方木用騎馬釘連接，方木與沉重繩用14#鐵絲綁扎，相鄰面網(wǎng)及欄桿網(wǎng)之間搭接用14#鐵絲纏繞并焊接，面網(wǎng)與欄桿網(wǎng)之間用14#鐵絲連接。

2.1.3貓道門架

根據(jù)貓道線性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，現(xiàn)將中跨門架擬定為整體門架，中跨門架高7.0m， 寬度7.6m，采用4根φ54的鍍鋅鋼絲繩作為承重繩。

南北邊跨門架高7.0m， 寬4.2m，采用2根φ54的鍍鋅鋼絲繩作為承重繩；每間隔50m設(shè)置一道門架，門架型鋼采用國(guó)內(nèi)鋼材型號(hào)：Q235方鋼。

2.1.4橫向通道

邊跨橫向通道采用矩形截面形式，分兩節(jié)拼裝。在中跨位置設(shè)置雙銷鋼，總長(zhǎng)14.584m、 高1.120m、 寬1.320m。上下弦桿均采用120×120×4mm方鋼，走道鋼管采用50×50×2.5mm方鋼，其余桿件均采用┖70×6mm角鋼。

2.1.5貓道錨固體系

（1）貓道錨固。塔頂施工牛腿采用預(yù)埋精軋螺紋鋼對(duì)拉，錨固梁采用28mmQ345C鋼板焊接為方口鋼，其尺寸為650mm×550mm，采用φ85mm40Cr拉桿進(jìn)行連接；限位架采用440mm雙槽鋼。南北岸錨碇為隧道錨，因此采用橫向約束裝置和定向滑輪將6根平行稱重索均勻分散至隧道錨內(nèi)側(cè)，連接預(yù)埋在隧道錨底部的錨固裝置。

（2）貓道錨固梁設(shè)計(jì)計(jì)算。根據(jù)貓道錨固系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖，利用midas/civil進(jìn)行三維實(shí)體模擬分析，經(jīng)驗(yàn)算貓道錨固梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足要求。

2.2貓道抗風(fēng)設(shè)計(jì)

根據(jù)前期收集的相關(guān)資料可知，本項(xiàng)目處于奧福特峽灣，每年4～7月份風(fēng)力達(dá)8～9級(jí)，因此必須對(duì)貓道進(jìn)行靜力纜索設(shè)計(jì)，以提高其自身剛度及靜力穩(wěn)定性。經(jīng)多種靜力纜索布設(shè)方案對(duì)比后，現(xiàn)確定將靜力纜索平面投影設(shè)計(jì)為由跨中向主塔漸變寬的對(duì)稱弧線形，靜力纜索端部錨固于主塔承臺(tái)，參照門架間距布設(shè)，用下拉索與靜力纜索垂直連接，靜力纜索及下拉索分別采用Ф36和Ф14鍍鋅鋼絲繩［1］。

2.3貓道整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

2.3.1貓道整體穩(wěn)定性計(jì)算原則

（1）貓道垂度要符合主纜在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的施工作業(yè)要求，即貓道面的線性應(yīng)符合主纜在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下的線性，以確保主纜最終的成形質(zhì)量。

（2）由于貓道貫穿于整個(gè)上部結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程，因此在安全上應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度和靜力穩(wěn)定性。

（3）作為施工臨時(shí)措施，應(yīng)最大限度減小對(duì)其它結(jié)構(gòu)產(chǎn)生（如塔頂偏移）的附加變形或者影響，應(yīng)最大限度減輕自重及減小迎風(fēng)面積。

（4）貓道系統(tǒng)本身要盡量做到構(gòu)造簡(jiǎn)單，架設(shè)調(diào)整和拆除方便，節(jié)約臨時(shí)工程的作業(yè)時(shí)間及機(jī)械材料的周轉(zhuǎn)費(fèi)用。

（5）貓道面層與主纜中心絲股的高差≥1.4m，以保證絲股在滾筒之上［2］。

2.3.2貓道整體重要參數(shù)（見(jiàn)表1）

貓道整體重要參數(shù)如表1所示。

2.3.3設(shè)計(jì)荷載種類

（1）靜荷載計(jì)算項(xiàng)目（見(jiàn)表2）。

（2）活載計(jì)算項(xiàng)目

a.主纜索股重量，按照每副貓道放置一根絲股計(jì)算，單位長(zhǎng)度重量=28.27kg/m。

b.每70kg/人20m=3.5kg/m。

c.橫向通道活荷載，橫向通道每條考慮堆放施工機(jī)具等按1 000kg計(jì)。

（3）雪荷載

考慮到本項(xiàng)目地處北極圈，每年11月到第二年4月份為雪季，因此需要特別予以考慮雪荷載。地面雪荷載特征值sk：基于隨機(jī)理論求得的年超越概率為2%的作用在地面上的雪荷載（已考慮特殊雪荷載），單位為：kN/m2。地面雪荷載的特征值sk的取值應(yīng)該根據(jù)EN1990：2002，4-1，2（P7）P確定和地面雪荷載特征值定義確定［3-4］。

（4）溫度荷載

設(shè)計(jì)溫度20℃，依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T多年統(tǒng)計(jì)資料，橋位極端最高溫度為30℃，極端最低氣溫為-9℃，在此基礎(chǔ)上考慮ΔT降=-29℃，ΔT升=+10℃［5-6］。

2.3.4設(shè)計(jì)荷載組合（見(jiàn)表3）

工況荷載組合安全系數(shù)備注

1恒載+橫風(fēng)荷載3.0貓道架設(shè)完成

2橫風(fēng)荷載+溫度荷載3.0主纜架設(shè)

3活載+橫風(fēng)荷載+冰雪荷載2.0冰雪凍融

2.3.5貓道整體仿真分析計(jì)算

本工程中利用Midas/civil有限元軟件建立有限元計(jì)算模型，將貓道承重繩按照下拉索位置離散等效為桿件單元，抗風(fēng)纜索也按相同原理進(jìn)行等效轉(zhuǎn)化。由于貓道結(jié)構(gòu)主要為纜索結(jié)構(gòu)，其受力變形形態(tài)具有很強(qiáng)的非線性特征，因此應(yīng)力等效梁的模型應(yīng)考慮幾何非線性的影響［7-9］。

由于中邊跨比最大為5，中跨在結(jié)構(gòu)整體剛度、強(qiáng)度及非線性特征等方面均弱于邊跨，因此；為簡(jiǎn)化模型，選取中跨進(jìn)行建模分析。貓道整體仿真分析模型如圖1所示。

由最終計(jì)算結(jié)果可知，錨定與抗風(fēng)系統(tǒng)在各個(gè)工況作用下，各項(xiàng)安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠作為安全的施工平臺(tái)。

3結(jié)語(yǔ)

（1）大跨徑懸索橋貓道在抗風(fēng)纜索和橫向制動(dòng)系統(tǒng)共同作用下，具有良好的整體穩(wěn)定性和抗風(fēng)穩(wěn)定性。

（2）整體式貓道門架對(duì)貓道承重索和門架承重索橫向位移約束效果明顯，其能夠很好地參與整體受力，能夠有效改善整體剛度的分配，對(duì)多工況荷載作用下的貓道整體穩(wěn)定性具有重要的影響。

（3）橫風(fēng)和冰雪荷載共同作用下，將對(duì)貓道的橫向位移產(chǎn)生較大的不利影響，貓道在此工況作用下剛度將重新分配，原抗風(fēng)布設(shè)和制動(dòng)系統(tǒng)將產(chǎn)生不均勻受力。因此在此類地區(qū)的雪季冬閑期，應(yīng)該定期清理積雪和結(jié)冰。

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