大桥悬索桥无抗风缆猫道设计及其施工关键技术
2017-06-19
0 引言
自建国以来，我国在大桥方面积累了不少经验，比如，长江大桥、珠江黄埔江大桥等都是非常著名的工程案例；猫道作为这种大跨度悬索桥上部结构施工方面的重要高空作用平台，既是临时承重的承担者，又是主要的工作通道，而且担任着对索股、索缆的输送与调整，还有诸如吊装、防腐等作用。因此，虽然属于临时性的结构，但在实际的施工中却自始至终都起着至关重要的作用。因此，本文就以此作为探讨对象，展开相关的具体讨论。
1 概述
以某工程为例，它的主桥是290m+1108m+350m，为单跨悬索桥，矢跨比是1/10；要求其猫道为大跨径悬索桥临时结构，贯穿全部悬索桥上部构造安装施工过程；在使用方面，周期长、对自然环境适应性强、结构设计方面的抗风稳定性强、结构安全；整个结构包括施工操作平台、材料与工具运输通道；具体如主缆架设、索夹、吊索安装、钢箱梁吊装、主缆防护等。
2 施工猫道参数
所设计的猫道面层距离主缆空载中心线形下方1.5m，宽度设置为4m，应用3跨连续性结构，并且跨径与桥型保持一致性，总的猫道面长值大致为1790m，其猫道布置图如图1所示。
从承重结构方面分析，要求面层陌生钢丝绳、门架支承钢丝绳共同构成，前者选择48mm（8根）、后者选择48mm（2根），并且通过斜拉绳实现空间结构的构建；扶手也以钢丝绳为准，在此无须对承重受力情况过分关注，只需以36mm钢丝绳（2根）即可；横向天桥10道（北1道、中7道、南2道，每道间距149m）；猫道的面层采用步行网、承重网、防滑木共同完成。
其次，该桥跨越水道水运，所以，在猫道的系统设置中，要求在水平方向通过横向天桥、天桥两侧交叉钢丝绳共同充当抗风缆绳，而且不再设置抗风缆绳。其中的猫道绳索参数、风速参数如下所述：
在猫道绳索参数方面包括：①承重绳（单条8*36SW+IWR，弹性模量为120GPa，强度为1960MPa，最小破断力1560kN，单根承重索金属面积为0.001142m2）；②门架支承索（单条8*36SW+IWR）；③扶手绳（单条6*37SW+IWR，弹性模量为120GPa，强度为1870MPa，最小破断力773kN，单根承重索金属面积为0.000615m2）；注意在这些单条绳索方面皆需与其它进行接触。
在风速参数方面，主要以施工地点为准，该桥处水面开阔，地表粗糙，通常的系数为0.14，基本风速6级，约为13.0m/s，与地面距离20m，按照经验数据每百年可遭遇10min最大风速可至41.4m/s，施工阶段约在最高处的风速以每30年遇一次38.1m/s的平均风速为准。
3 抗风稳定试验
以有限元软件作为工具，对其结构进行非线性分析；具体是按照风洞试验，对猫道三分力系数进行精准测定，计算风荷载响应、评价、风致振动稳定性。
测力系统以五分量应变天平、供桥直流稳压电源、数据采集、分析系统共同构成；试验阶段，模型、天平相连，方向竖直，天平根部、风洞转盘相连；在变换模型试验角的前提下，对风速10m/s情况下的攻角进行测试，以-20到+20度为准，间隔控制在1度。在横桥向均匀风场，气动力来自横、竖桥向，包括气动转矩；可通过对气动力的分解，如垂直分力FV、FH，力矩MT。其气动力分解示意图如图2所示。 若设H为横桥向，D为顺风向阻力、L为升力、V为竖向气动力，MT为气动转矩；就可以根据气动力系数C实现公式定义：比如，横桥向气动力就可以表示为CH=Fh/（qwAH）；以此类推，而其中的qw就是流动压，是空气密度、来流速度的乘积的一半。最后就可以根据实验进行三分力系数随风攻角变化的相关的曲线图。具本如图3所示。
第四，通过静力三分力系数曲线图，就可以认识到索结构在常风作用之下的静力稳定问题，另一方面，本次研究中的大桥施工猫道建模后的结构强度验算实际是需要按照恒载、活载、施工阶段风荷载的合来共同实现，这样就可以计算出相关的工况。比如，在某工况情况下，承重绳平均轴力为333.673，破断力为1560kN，其安全系数就是4.675。依次类推即可得到门架绳的安全系数为2.089；按照绳索轴力分布情况看，大体上若能够在平均轴力水平方面大于3，则属于抗风稳定性可靠范围。
4 猫道抗风稳定性分析
通过上述试验获取静力三分力系数，从而对猫道所受的风荷载进行计算，尤其是在强风的作用之下，其变位是非常的大的，在这种变位的作用之下，会导致其风攻角发生相应的变化，其所受风载荷必然也会受到一定的影响，所以所计算出的猫道抗风稳定性应用于非保守的、几何非线性。对猫道的抗风稳定性进行计算，实质上就是对索结构在定长风作用下的静力稳定问题予以探讨，对本文所述大桥悬索桥猫道应用有限元法进行建模，对猫道在风载组合下开展结构强度验算，分别对①恒载+最大阵风荷载组合；②恒载+活载+施工阶段风荷载两种组合工况之下，考虑扶手绳参与受力以及不参与受力情况下的主跨单元平均轴力及安全系数进行计算。
通过对计算结果进行分析发现，本文所设计的绳索轴力分析从整体上来讲是一种理想分布情况，平均轴力水平能够很好的满足安全系数大于3的要求，由此也可以看出，本文所设计的猫道在横桥向风的作用之下，其抗风稳定性是安全的。
5 猫道施工关键技术
首先，在猫道构件加工方面，承重结构最为重要，需要通过专业化的厂家进行定制与加工，要求选择承重索共计20根；而其余构件可实行自行加工；注意在加工过程中，由于钢丝存在弹性变形，所以，需要对其非弹性变形进行减少，以降低对索垂度的影响；具体的办法是以预张拉为主；再按照设计要求进行下料、加工；通常情况下，对于预张拉荷载的选择，可以以破断力的1/2为准，要求时间选择1小时为宜，频率为2次；注意对场地、温度的选择与控制。
其次，锚固的体系安装；猫道索一般在两锚碇上进行固定，其中的承重索、扶手索的固定，应该以锚碇前锚室平锚块预埋件为准；门架承重索也是如此；注意在锚固体系之中，锚梁、锚箱宜选择精轧螺纹钢；在安装之前，要做好各种构件的准备工作，然采用塔吊工具，进行吊装就痊安装；要求人与机器密切配合，比如，对于销轴的连接，就要求人工完成。注意在吊装中的防滑处理可以彩铁线绑扎法；还有相关的垫圈、螺母安装等，都要做到按部就班，齐全完备。
第三，牵引系统的安装包括卷扬机、钢丝绳、拽拉器，采用串接方式。比如，在本次研究中的大桥，为了完成南北锚的牵引架设，就通过各种钢丝绳、主缆索股共同完成牵引架设。牵引系统属于单线往复式的工作方式，因而会涉及到主索鞍吊架、散索鞍吊架以及油轮组等。然后，可以进行承重索的安装，以降低牵引力，在整个过程中，以托架配合牵引施工为主。
第四，在完成以上步骤之后，可以通过对猫道承重索进行调整来进行合理施工；比如顺序的调整方面。就要在承重索架设完成后，对上下游戏外侧的2根索进行调整，主要是以测量、监控指令为基础展开具体调整，然后进行其它承重索的标记，再进行缓慢性的移动与初调，以使其达到适宜位置。此次的调整方法中，选择全站仪为工具，进行提前测量，包括中点垂直度、中跨跨径、温度等；需要注意的是此次研究中的误差范围或者允许偏差以控制在50mm以内为准。
第五，就是对于承重索线形施工的监控，如几何线型设计线型之间的符合度，自由悬挂的线型是否是悬链线型；对于猫道线形的计算，主要是在水平位置、标高位置的理论长度的计算与数据记录，并为备查做准备，其中所考虑的因素在于对承重索非弹性变形的值的控制；还有就是对承重索架设、垂度的调整的监控，以及调整顺序、相关标准等的监控；最后就是对于门架、托滚、附属设施方面的安装与监督。最后一个步骤看似技术含量低，但整体上是对前面的所有猫道施工的美化、完善与装饰，包括水、电、安全标志、消防等各个基础的系统化完善。
6 结束语
总之，在新的时代就要坚持与时俱进、因时制宜，尤其是应该以可持续发展的理念作为指导原则，真抓实干，做好各项基础性的建设工作。通过上面的分析可以看出，在大桥建设中，猫道设计与施工的重要功能及作用；而且，在实际的工作中往往会因各种因素的影响而出现一些问题，所以，需要针对于这些问题进行细致探讨、深入分析，从而做好它的设计与关键技术应用，比如，对于承重钢丝的计算弹性模量、实际弹性模量的运算与调节应该控制在合理范围内，以减少误差造成了偏离；还有承重索的施工线形精确控制，以及对抗风稳定性的控制等。
参考文献：
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[2]杨海洋，钟铁毅，夏禾等.中央扣对大跨度悬索桥地震响应影响及机理研究[J].铁道学报，2015（5）.
[3]诸葛萍，章子华，汪思聪，等.大跨悬索桥CFRP主缆-索夹界面抗滑移性能[J].西南交通大学学报，2014（2）.
