大跨悬索桥猫道设计与结构验算

徐 阳

(1.长沙理工大学, 湖南 长沙 410076； 2. 张花高速公路连接线项目部， 湖南 保靖 416500)

大跨悬索桥猫道设计与结构验算

徐 阳1,2

(1.长沙理工大学, 湖南 长沙 410076； 2. 张花高速公路连接线项目部， 湖南 保靖 416500)

岳阳洞庭湖大桥为双塔双跨钢桁架梁悬索桥，缆跨径布置为460 m+1480 m+491 m，主梁跨径布置为1480 m+453.6 m，主缆矢跨比为1∶10。其猫道的设计与结构稳定性直接影响大桥的施工安全。从猫道总体布置、猫道承重索及扶手索、猫道承重索锚固体系、塔顶转索鞍及变位系统、猫道面层及门架等方面介绍了该大桥的猫道设计，并建立猫道结构计算模型，对恒载状态下的承重索线形及张力进行了验算，验算结果满足施工要求；通过验算组合状态下猫道承重索和门架承重索结构，得到其安全系数均大于3，证明猫道设计合理，有足够的安全储备。

悬索桥； 猫道设计； 结构验算

0 概述

在桥梁施工中，猫道的设计至关重要。猫道设计应遵循构造简捷、施工方便、安全可靠、经济合理的原则。猫道面层的线形应平行于主缆空载线形，并与其保持一定的间距，尽量减轻自重、减少受风面积。具有操作安全可靠，并能满足索股牵引、主缆箍紧等机械作业所需要的工作面和净空，以及强度和刚度的要求。同时，要求安装和拆卸方便快捷，选材经济且利于防火。另外，猫道不能对塔、锚碇和主缆产生附加的影响。

1 猫道设计

1.1 总体布置

岳阳洞庭湖大桥为双塔双跨钢桁架梁悬索桥，其主缆跨径布置为460 m+1 480 m+491 m，主梁跨径布置为1 480 m+453.6 m，主缆矢跨比为1∶10，在左右幅对应于主缆中心线下方各设置一幅猫道，左、右幅猫道中心距35.4 m，单幅猫道宽度设置4.2 m，侧网间净宽4 m，中跨猫道面层距主缆中心线为1.5 m，边跨猫道面层距主缆中心线为1.7 m。洞庭湖大桥的猫道为3跨连续，在塔顶增设下拉装置以尽量保持猫道线形与主缆中心线一致。猫道由猫道承重索及扶手索、猫道门架及门架承重索、塔顶转索鞍及变位系统、猫道面层、横向通道和锚固体系组成。如图1。

图1 大桥猫道布置图(单位： m)

1.2 猫道承重索及扶手索

每条猫道设置10根Φ54钢芯镀锌钢丝绳作为猫道承重索(图2)，采用3跨连续布置，在塔顶设置支撑转索鞍，在塔顶两侧附近设置变位刚架，并在塔顶设置下拉装置，尽量使猫道线形与主缆中心线线形保持一致，并满足主缆紧缆与缠丝机械设备空间的需要。

图2 猫道承重索布置图(单位： mm)

猫道每侧每6 m设置1道栏杆立柱，用以固定上下3根扶手索(图3)。扶手索上层采用Φ26镀锌钢丝绳，下层分别采用Φ22、Φ16镀锌钢丝绳。

图3 猫道扶手绳布置图(单位： mm)

1.3 猫道承重索锚固体系(图4)

1)猫道承重索通过在锚碇散索鞍支墩上预埋型钢耳座锚固。每幅猫道在锚碇各设置4根大锚固拉杆，每根锚固拉杆通过销栓将猫道承重索力传递到锚碇散索鞍支墩。

2)猫道调整系统采用大小拉杆及锚梁组合结构。每幅猫道在两岸分别有4根大锚固拉杆，用以猫道整体线形调整，并与锚固横梁相连。在锚固梁上设置槽孔，承重索短拉杆穿过锚固横梁的槽孔后依靠锚固垫板进行锚固。锚固垫板采用球面结构，满足风力作用下猫道的横向摆动。

3)大、小拉杆组合调整承重索线形，小拉杆前期用于消除承重索制作误差，使猫道承重索垂度保持一致，后期猫道拆除时也可以用于放松猫道。大拉杆用于猫道线形整体调整和猫道改吊期间的放松。

图4 猫道承重绳锚固体系布置图(单位: mm)

1.4 塔顶转索鞍及变位系统

转索鞍设计为整体箱型构件，采用加劲板焊接成箱，边跨转索鞍设计高度为1.47 m，中跨转索鞍设计高度为1.33 m，上、下底板板厚为40 mm，其余加劲板为20 mm，钢板采用Q345 材料，索槽采用铸件。具体结构尺寸见图5。

图5 转索鞍构造示意图(单位: mm)

变位钢架采用一体化设计形式，在2号变位梁下面设置挂篮，作为变位梁操作平台，1号变位梁与2号变位梁之间采用钢架连接，变位钢架采用Q345钢材，各构件尺寸如图6。

图6 变位梁构造示意图(单位: mm)

1.5 猫道面层

猫道面网考虑双层网，下层为菱形钢板网，钢板网厚度5 mm，网格80 mm×120 mm，上层考虑钢丝网，网格15 mm×15 mm，钢丝直径2 mm。猫道面层的2层钢丝网上，每6 m交替设置面层小横梁(60×60×3方钢管)和大横梁(80×80×6)方钢管，每隔0.5 m绑扎1根防滑木条。

1.6 猫道横向通道

根据猫道风洞模型试验及抗风稳定性非线性计算结果，同时考虑施工需要，猫道共设置11个横向通道，主跨设7个横向通道，岳阳侧边跨设2个横向通道，君山侧边跨设2个横向通道。除满足左右幅猫道之间人员的通行外，横向通道还起到提高猫道自身的整体稳定性，使猫道具备足够的抗风能力的作用。

1.7 猫道门架承重索及猫道门架

猫道门架是门架拽拉式索股架设的关键构件(图7)，考虑猫道承重索与门架承重索的锚固点差异，二者线形不完全平行。每隔42.5 m或50 m设置一道猫道门架，猫道门架由2×Φ60门架承重索固定，并与猫道共同形成空间结构。

图7 猫道门架布置图(单位: mm)

2 猫道结构计算模型

2.1 猫道设计荷载

根据设计资料提供的主缆线形，考虑边跨侧背索的影响，设计计算采用理论单股空缆线形。

1)猫道均布恒载。

猫道的均布恒载见表1所示。

表1 猫道恒载均布荷载

2)猫道集中荷载。

门架单个质量871.807 kg，门架导轮组单个质量300 kg，合计1 471.807 kg(门架及导轮组荷载由门架承重索承担)；横通道单个质量11 718.7 kg(包括横通道处索梁连接刚架、横通道附属结构、横通道滑索及扣索装置等)； 1号变位刚架977.164 kg；下拉变位刚架1 146.219 kg。

3) 猫道活载。

主缆索股3根(单根索股每延米重22.4 kg/m)；单幅猫道考虑25 m承重1人，为均布载荷；施工机具：单点500 kg，单幅猫道考虑2 000 kg。

4) 风荷载。

根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60 — 01 — 2004)，在横桥向风作用下猫道承重索及门架承重索单位长度上的横向静阵风荷载可按下列公式计算：

FH=ρCHH

Vg=GVVZ

其中：FH为作用在主梁单位长度上的静阵风荷载，N/m；ρ为空气密度，kg/m3，取为1.25；Vg为静阵风风速，m/s；GV为静阵风系数，对猫道及门架承重索取1.2；VZ为基准高Z处的风速，m/s；CH为阻力系数，对猫道承重索，索间距大于4倍索直径，取0.70，各索独立考虑风荷载；对门架承重索，索间距大于4倍索直径，取0.70，各索独立考虑风荷载；H为阻风高度。

将猫道扶手索及防护网的阻风高度计入到猫道承重索，则对于猫道承重索：

h1= (20×5+26+22+16+80)mm×2+

54×10 mm=1 028 mm;

对门架承重索：

h2=2×60 mm=120 mm。

根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60 — 01 — 2004)的规定，悬索桥的缆、吊杆、索的基准高度可取跨中主梁底面到塔顶的平均高度处，得到猫道承重索及门架承重索H=(76.087+235.088)m/2=155.588 m，又底面高程为30 m，则猫道承重索及门架承重索基准高度为：Z=155.588 m-30 m=125.588 m。

根据以上公式可计算作用于结构每个单元上的风载如下：

极限风荷载下，猫道承重索延米荷载：1.219 kN/m；门架承重索延米荷载：0.142 kN/m。工作风荷载下，猫道承重索延米荷载：0.209 kN/m；门架承重索延米荷载：0.024 kN/m。

5) 温度作用。

根据施工图设计说明，主桥设计中取基准温度为20 ℃，温度变化：钢结构升温26 ℃，降温31 ℃。

2.2 猫道材料参数

结构主要的材料参数见表2。

表2 结构主要的材料参数

2.3 猫道模型

在软件BNLAS中，计算模型(图8)根据实际结构进行空间杆系离散。承重索及连接：猫道承重索和门架承重索采用线形计算系统得到两者的合理线形，在此基础上将计算得到的各点的坐标输入到空间计算系统中，在线形计算系统中，为了精确计算猫道承重索和门架承重索线形，在划分节点位置时，以大小横梁、门架、横向通道等集中荷载加载点划分，以这些点将猫道承重索和门架承重索进行离散化，根据猫道系统的实际组成，将10根猫道承重索和2根门架承重索组成的空间结构建成1根猫道承重索单元和1根门架承重索单元，形成平面模型。

猫道承重索、门架承重索以分段悬链线单元将节点连接进行模拟，桥塔用空间梁单元进行模拟。模型真实地反映了结构的实际情况。两侧猫道承重索之间的横向通道以集中荷载的形式分别加在猫道承重索的两侧，在门架位置处建立门架，如图9所示。

图8 猫道BNLAS计算模型

图9 门架处结构示意图

2.4 猫道模型边界条件

猫道承重索在散索鞍支墩处固结，门架承重索在锚碇处固结，此处，暂将门架承重索固结于散索鞍支架锚固位置处，猫道承重索和门架承重索通过刚臂与桥塔连接，塔底固结。

2.5 计算阶段划分

根据实际施工过程在软件BNLAS中分别对猫道安装各阶段的单元进行安装，在施工过程计算完成后，检查各点标高是否满足要求，如果不满足，则适当调整分配于猫道承重索，门架承重索中门架处的荷载，由BNLAS重新计算，反复进行上述过程，最后得到最终的恒载状态(恒载线形、内力)。根据实际的施工过程，猫道的施工阶段及BNLAS计算阶段划分如表3所示。

表3 计算阶段划分表

2.6 荷载及荷载组合

猫道承重索上作用的荷载分为两类：一类是沿索长分布的均布荷载，如猫道承重索自重、猫道面层、扶手索等结构；另一类作为集中荷载简化，如横向通道、门架横梁、变位刚架。门架承重索上作用的荷载也分为两类：一类是沿索长分布的均布荷载，如门架承重索，另一类是作为集中荷载简化，如门架的重量。猫道计算主要考虑以下5种荷载组合进行计算，见表4所示。

表4 计算考虑的荷载组合

3 计算结果

3.1 恒载状态计算结果

3.1.1 承重索恒载线形计算结果

猫道平行于主缆，对于猫道初始线形设计，以跨中标记点相同纵坐标的高程，确定同样位置猫道的初始高程，此初始线形为目标线形。计算过程中调整猫道特征点坐标，得出索塔处水平力平衡、线形满足施工要求的猫道设计线形。

利用BNLAS，通过施工过程计算与调整可以得到结构最终的恒载状态。恒载下猫道承重索及门架承重索的线形计算结果显示，中跨猫道承重索与主缆中心线标高差在1.5 m左右波动；君山侧猫道承重索与主缆中心线标高差在1.7 m左右波动；岳阳侧猫道承重索与主缆中心线标高差在1.7～2 m左右波动，其中2 m范围大约为边跨侧1/3跨长，考虑岳阳边侧无吊索，作业相对较少，认为满足要求；门架高度在6.887～7.466 m间，门架设计高度范围：7.0～7.5 m，上述计算结果均满足施工要求。图10为猫道承重索与主缆空缆中心标高差值图。

图10 猫道承重索与主缆空缆中心标高差值

由计算可以看出：边跨处不设置下拉装置即可以满足1.5 m的工作高度要求，则取消边跨下拉装置可行。

3.1.2 承重索恒载张力计算结果

在恒载状态下，单幅猫道承重索(10根)张力结果如图11所示。各锚固点猫道承重索张力值见表5所示。

图11 恒载状态猫道承重索张力示意图(10根)

表5 恒载状态猫道承重索张力(10根) kN

在恒载状态下，单幅猫道门架承重索(2根)张力结果如图12所示。各锚固点猫道承重索张力值见表6所示。

图12 恒载状态门架承重索张力示意图(2根)

3.2 荷载组合状态计算结果

3.2.1 猫道承重索计算结果

利用软件计算了各荷载组合情况下，猫道承重索最大张力结果，并且给出了安全系数，见表7，从结果看出安全系数均大于3。

表8为各荷载组合情况下，猫道承重索各锚点最大拉力结果，用于设计计算预埋件。

表6 恒载状态门架承重索张力(2根) kN

表7 荷载组合下猫道承重索最大张力

表8 荷载组合下猫道承重索锚固点最大拉力(10根) kN

3.2.2 门架承重索计算结果

本文给出了各荷载组合情况下，门架承重索最大张力及拉力结果，并且给出了安全系数，见表9和表10，从结果看出安全系数均大于3。

表9 荷载组合下门架承重索最大张力

表10 荷载组合下门架承重索锚固点最大拉力(2根) kN

4 结论

1)本文从猫道总体布置、猫道承重索及扶手索、猫道承重索锚固体系、塔顶转索鞍及变位系统、猫道面层及门架等方面详细介绍了岳阳洞庭湖大桥的猫道设计。

2)通过建立模型验算恒载状态下的猫道承重索线型，得出中跨猫道承重索与主缆中心线标高差在1.5 m左右波动；君山侧猫道承重索与主缆中心线标高差在1.7 m左右波动；岳阳侧猫道承重索与主缆中心线标高差在1.7～2 m左右波动，其中2 m范围大约为边跨侧1/3跨长，考虑岳阳边侧无吊索，作业相对较少，认为满足要求；且通过计算结果得出边跨处不设置下拉装置即可以满足1.5 m的工作高度要求，建议取消边跨下拉装置。

3)通过验算组合荷载状态下的猫道承重索和门架承重索，得出两者的安全系数均大于3，说明结构有足够的安全储备，完全可以满足施工要求。

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