珠江黃埔大橋懸索橋無抗風(fēng)纜貓道設(shè)計及其施工關(guān)鍵技術(shù)＊

譚立心 羅超云

（長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院1） 長沙 410004） （廣東省長大公路工程有限公司2） 廣州 511431）

0 引 言

珠江黃埔大橋是國道主干線廣州繞城公路東段跨越珠江的控制工程.南汊主橋為290m＋1 108m＋350m單跨懸索橋，矢跨比1∶10.貓道是大跨徑懸索橋施工必備的臨時結(jié)構(gòu)，為主纜架設(shè)、索夾和吊索安裝、鋼箱梁吊裝、主纜防護等提供施工操作平臺 、材料及工具運輸通道，其使用從始至終貫穿整個懸索橋上部構(gòu)造安裝施工過程，使用周期長，必然要經(jīng)過各種自然災(zāi)害天氣的考驗.其結(jié)構(gòu)設(shè)計首先要考慮抗風(fēng)穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)安全，確保施工安全.

圖1 貓道布置圖

1 施工貓道參數(shù)

根據(jù)貓道設(shè)計資料，貓道線形平行于主纜空纜狀態(tài)時的中心線，在架設(shè)鋼箱梁之前，將貓道懸掛于主纜之下，并放松貓道承重鋼絲繩兩端的錨頭，貓道抗風(fēng)穩(wěn)定不利狀態(tài)為架梁之間施工主纜階段［1－2］.

貓道面層距主纜空載中心線形下方1.5m，寬4m.貓道設(shè)計采用3跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，跨徑與橋型布置相同.貓道面長約1 790m.見圖1.

每條貓道承重結(jié)構(gòu)由8根直徑48mm面層承重鋼絲繩及2根直徑48mm門架支承鋼絲繩組成，面層承重繩和門架支承繩之間通過貓道門架及門架斜拉繩聯(lián)系形成空間結(jié)構(gòu).貓道扶手為2根直徑36mm鋼絲繩，不考慮參與承重受力.2條貓道間共設(shè)10道橫向天橋，其中北邊跨1道，中跨7道，南邊跨2道，間距149m.貓道面層由承重網(wǎng)、步行網(wǎng)及防滑方木組成.

由于珠江黃埔橋所跨越水道水運交通繁忙，故貓道系統(tǒng)不設(shè)抗風(fēng)纜繩.水平橫向抑振主要由橫向天橋及天橋兩側(cè)交叉鋼絲繩組成.

貓道繩索參數(shù)如下：

1）貓道承重繩 單條貓道采用8×36SW＋IWR線接觸直徑48mm鋼絲繩8根（GB／T8918－1996），彈性模量Es＝120GPa，強度級別1 960 MPa，最小破斷力1 560kN，近似重量10kg／m.單根承重索金屬面積Ai＝0.001 142m2.

2）門架支承索 單條貓道采用8×36SW＋IWR線接觸直徑48mm鋼絲繩2根（GB／T8918－1996）.

3）貓道扶手繩 單條貓道采用6×37SW＋IWR線接觸直徑36mm鋼絲繩2根，彈性模量Es＝120GPa，強度級別1 870MPa，最小破斷力773kN，近似重量4.94kg／m.單根承重索金屬面積Af＝0.000 615m2.

風(fēng)速參數(shù)：

根據(jù)設(shè)計單位所提供的設(shè)計資料，橋位處水面開闊，橋位處地表粗糙度應(yīng)為A類與B類地表粗糙度類別之間，取地表粗糙度系數(shù)α為0.14.橋位基本風(fēng)速按6級風(fēng)v0＝13.0m／s.橋址區(qū)離地面20m高處100年一遇10min最大風(fēng)速為vs20＝41.4m／s.施工階段取20m高處30年一遇的平均風(fēng)速為38.1m／s.

2 貓道抗風(fēng)穩(wěn)定試驗

利用有限元軟件進行結(jié)構(gòu)的非線性分析，以及利用風(fēng)洞試驗準(zhǔn)確測定貓道三分力系數(shù)，從而通過計算分析獲得貓道上風(fēng)荷載響應(yīng)及評價其風(fēng)致振動穩(wěn)定性［3］.

貓道節(jié)段模型取縮尺比為1／10，剛體節(jié)段模型長度取1.200m.繩索以及貓道面層木條均采用相應(yīng)尺寸的鋼條代替于模型中，鋼絲網(wǎng)采用相同孔隙率的鋼絲網(wǎng).試驗在同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室TJ－2號風(fēng)洞中進行.

測力系統(tǒng)由五分量應(yīng)變天平、供橋直流穩(wěn)壓電源和數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)組成.試驗時，模型一端與天平連接，豎直支撐，天平的根部與風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤機構(gòu)相連，以便變換模型的試驗攻角.試驗風(fēng)速為vw＝10m／s，攻角α為－20°～＋20°，間隔1°.

在沿橫橋向的均勻風(fēng)場中，模型受到橫橋向和豎橋向的氣動力以及氣動轉(zhuǎn)矩.氣動力分解示意圖見圖2，把作用在模型上的氣動力分解為互相垂直的分力FV和FH，或者FD和FL，以及力矩MT.FV為沿模型橫截面的對稱軸方向的豎向氣動力，F(xiàn)H為橫橋向氣動力；FD為順風(fēng)向的阻力，F(xiàn)L為升力；MT為沿橋軸向的氣動轉(zhuǎn)矩.

圖2 氣動力分解示意圖

橫橋向氣動力系數(shù)CH、豎向氣動力系數(shù)CV和氣動轉(zhuǎn)矩系數(shù)CM以及阻力系數(shù)CD、升力系數(shù)CL定義如下：

式中：qw＝／2為來流動壓，ρ和vW分別為空氣密度和來流速度；AH和AV為相應(yīng)的參考面積，AH＝HL，AV＝BL，L、H 和B 分別為模型的長、高和寬.

實驗結(jié)果整理得三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化曲線見圖3.

圖3 三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化曲線

3 貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性分析

利用前面試驗所得的靜力三分力系數(shù)，可計算得貓道所受的風(fēng)荷載.貓道在受強風(fēng)作用時，變位較大，該變位使得風(fēng)攻角也發(fā)生變化，因而風(fēng)載也隨之改變，因此，貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性應(yīng)是幾何非線性、非保守的.

貓道的抗風(fēng)穩(wěn)定性，就其實質(zhì)而論，是索結(jié)構(gòu)在定常風(fēng)作用下的靜力穩(wěn)定問題.決定貓道結(jié)構(gòu)是否失穩(wěn)（傾覆）的主要因素是在定常風(fēng)作用在結(jié)構(gòu)上的空氣構(gòu)成的傾覆力矩能否被結(jié)構(gòu)內(nèi)力所平衡［4－5］.

采用有限元法對珠江黃埔大橋施工貓道建模，對貓道在風(fēng)載組合下進行結(jié)構(gòu)強度驗算.按照“恒載＋活載＋施工階段風(fēng)荷載”（取vg＝1.19×13＝15.47m／s）及“恒載＋最大陣風(fēng)荷載組合”（取vg＝1.19×49.79＝59.25m／s）組合工況，考慮扶手繩參與受力（工況A）和不參與受力（工況B）2種工況，計算結(jié)果如下.

1）“恒載＋活載＋施工階段風(fēng)荷載”（取vg＝1.19×13＝15.47m／s）工況

（1）工況A（扶手繩參與受力，計算結(jié)果見表1～2）

表1 工況A軸力最大的構(gòu)件單元及安全系數(shù)計算

表2 工況A主跨單元平均軸力及安全系數(shù)計算

（2）工況B（扶手繩不參與受力，計算結(jié)果見表3～4）

表3 工況B軸力最大的構(gòu)件單元及安全系數(shù)計算

表4 工況B主跨單元平均軸力及安全系數(shù)計算

2）“恒載＋最大陣風(fēng)荷載組合”（取vg＝1.19×49.79＝59.25m／s）組合工況

（1）工況A（扶手繩參與受力，計算結(jié)果見表5～6）

表5 工況A軸力最大的構(gòu)件單元及安全系數(shù)計算

表6 工況A主跨單元平均軸力及安全系數(shù)計算

（2）工況B（扶手繩不參與受力，計算結(jié)果見表7～8）

表7 工況B軸力最大的構(gòu)件單元及安全系數(shù)計算

表8 工況B主跨單元平均軸力及安全系數(shù)計算

從以上計算所得的軸力分布可看出，繩索的軸力分布大體上還是理想分布，平均軸力水平也完全滿足安全系數(shù)大于3的要求.因此，貓道在橫橋向風(fēng)作用下抗風(fēng)穩(wěn)定性是安全的.

4 貓道施工

1）貓道構(gòu)件加工 貓道構(gòu)件中的承重結(jié)構(gòu)為20根承重索，委托專業(yè)廠家進行加工，其余構(gòu)件自行加工.

為減少鋼絲繩非彈性變形對索垂度變化的影響，所有承重索均進行預(yù)張拉，然后再根據(jù)設(shè)計索長下料加工.預(yù)張拉荷載為50%破斷拉力（800 kN／索），保持60min，并且要進行2次.場地受限制時可分段進行.測長和標(biāo)記在溫度穩(wěn)定的夜間進行.

2）錨固體系安裝 貓道索通過錨固體系錨固于兩錨碇，貓道承重索、扶手索錨固于錨碇前錨室平錨塊預(yù)埋件；門架承重索錨固錨碇前錨室內(nèi)前錨塊預(yù)埋件.錨固體系由錨梁、錨箱、直徑32 mm精軋螺紋鋼等組成.錨梁與預(yù)埋件通過直徑120mm銷軸相連，錨梁與錨箱通過精軋螺鋼相連，錨箱與貓道索開式索節(jié)通過直徑90mm銷軸相連.

安裝時先用塔吊將錨梁吊裝就位，人工通過直徑120mm銷軸連接；錨箱與精扎螺紋鋼提前在地面連接，上方安裝弧形墊圈及2個螺母，下方用鐵線綁扎以防下滑，用錨碇塔吊將其吊裝就位，螺紋鋼先穿過錨梁，安裝弧形墊圈及2個螺母.門架承重索錨箱先不安裝，當(dāng)索節(jié)牽引就位用塔吊連接，最后連接錨箱及錨梁.

由于貓道架設(shè)過程中以及成橋過程中I，II期恒載施加，貓道線型發(fā)生變化，需不定時進行調(diào)節(jié).貓道通過YC60B千斤頂、精軋螺紋鋼、錨梁和錨箱體系調(diào)節(jié)貓道索長度，實現(xiàn)貓道線型的調(diào)整.

3）牽引系統(tǒng)安裝 牽引系統(tǒng)主要由卷揚機、鋼絲繩和拽拉器串接而成.

牽引系統(tǒng)布設(shè)于每條主纜上方，跨越北錨碇、北塔頂、南塔頂及南錨碇之間，以實現(xiàn)由南錨向北錨牽引架設(shè).牽引架設(shè)的對象主要有各種鋼絲繩、主纜索股.根據(jù)牽引系統(tǒng)計算，單套牽引系統(tǒng)采用25t雙筒摩擦式無級調(diào)速（3～30m／min）卷揚機，牽引鋼絲繩全部采用直徑直徑36mm鋼絲繩.

牽引系統(tǒng)用于貓道承重索、貓道扶手繩、貓道面層、門架承重索等牽引架設(shè).牽引系統(tǒng)為單線往復(fù)式：主纜一側(cè)牽引系統(tǒng)之北錨、南錨各布設(shè)1臺牽引卷揚機.其牽引系統(tǒng)鋼絲繩支承于主索鞍吊架和散索鞍吊架的滑輪組之中［6］.

4）貓道承重索安裝 貓道承重索和門架支承索均分3段，南邊跨由南向北牽引，北邊跨段及中跨段由北向南牽引.為了避免牽引承重索時對航道和引橋作業(yè)點的干擾，降低牽引力，全線均采用托架配合牽引施工.

5）貓道承重索調(diào)整

（1）調(diào)整順序 貓道承重索橫移就位后，根據(jù)監(jiān)控單位計算出空纜階段貓道承重索調(diào)整值，對承重索進行垂度調(diào)整，調(diào)整順序為先中跨后邊跨.

承重索架設(shè)完成之后，首先調(diào)整上下游外側(cè)各一根索，根據(jù)測量及監(jiān)控指令進行調(diào)整，然后上下游其他各7根承重索的標(biāo)志點調(diào)整到相應(yīng)標(biāo)志點設(shè)計位置上，根據(jù)第一根索的相對垂度位置進行相應(yīng)的初調(diào)，并在索鞍內(nèi)側(cè)分別安裝2個直徑48mm繩夾固定，以防承重索移動.另外每根索在塔頂掛一塊帶著卡環(huán)的鐵皮，每塊鐵皮上標(biāo)注每根索索號，從塔頂自動滑至跨中位置處.

（2）調(diào)整方法 首先進行中跨貓道承重索調(diào)整.全站儀提前測量中跨跨中點垂度及中跨跨徑，并測量溫度，計算出實際需要的調(diào)整量，并與監(jiān)控單位計算值比較.利用塔頂8t卷揚機經(jīng)過滑輪組與承重索上面副繩的連接進行索長調(diào)整，用紅布做好標(biāo)記，直至滿足要求，在塔頂轉(zhuǎn)索鞍處錨固（在塔頂鞍帽內(nèi)側(cè)安裝2個直徑48mm繩夾固定）.待中跨貓道承重索固定好后，進行邊跨貓道承重索調(diào)整.邊跨調(diào)整通過錨固在錨塊錨梁上拉桿系統(tǒng)進行，調(diào)整方法同中跨.調(diào)整計算垂度過程中，注意邊跨塔頂處變位剛架的影響.貓道承重索標(biāo)高調(diào)整允許偏差控制在50mm以內(nèi).

6）承重索線形施工監(jiān)控

（1）貓道承重索的調(diào)整應(yīng)滿足要求 沿全長的幾何線型符合設(shè)計線型，自由懸掛時為懸鏈線型.

（2）貓道線形計算 在承重索架設(shè)之前，精確計算各階段承重索的標(biāo)高和水平位置，并據(jù)些精確地計算出每條貓道承重索的理論長度，列表備查.為了防止貓道承重索非彈性變形過大，影響貓道垂度調(diào)整應(yīng)根據(jù)鋼絲繩的彈性模量值計算出貓道承重索的下料長度，并對新鋼絲繩進行預(yù)張拉，消除承重索非彈性變形.

（3）貓道承重索架設(shè)及垂度調(diào)整 在進行貓道承重索垂度調(diào)整時，根據(jù)其無應(yīng)力理論長度，結(jié)合實測計算長度，對錨固端相應(yīng)部位進行精確調(diào)整，所得貓道承重索總長符合設(shè)計長度，則可以保證幾條貓道承重索垂度相同，中跨、邊跨垂度調(diào)整方法相同.

（4）承重索的調(diào)整順序及要求 承重索調(diào)整工作按中跨、邊跨的順序進行，在調(diào)整過程中，要求經(jīng)常測量塔頂偏位、跨徑、中跨和邊跨的垂度及溫度，計算中跨中點和邊跨中點的垂度偏差，作為貓道承重索垂度調(diào)整的依據(jù).貓道承重索垂度的測量應(yīng)在氣溫變化小，大氣對流穩(wěn)定的時間進行，并以盡可能高的精度和可靠性來測量中跨和邊跨的垂度［7］.

7）門架、托滾及附屬設(shè)施安裝 在貓道鋪裝完成后，安裝貓道門架、門架導(dǎo)輪組、托架滾輪及貓道照明系統(tǒng).由塔吊將門架吊至塔頂，將門架置于門架承重索上，利用塔頂卷揚機反拉，將門架下滑至設(shè)計位置安裝.利用牽引索將門架導(dǎo)輪組及托架滾輪牽引到相關(guān)位置，安裝固定.將牽引索提入門架導(dǎo)輪組內(nèi)，形成門架式單線往復(fù)式牽引系統(tǒng).沿貓道一定距離在扶手立柱上安裝貓道照明燈具、通航安全標(biāo)志和配電箱，完善整個貓道及牽引系統(tǒng).

5 結(jié)束語

對珠江黃埔大橋無抗風(fēng)纜施工貓道進行的穩(wěn)定性分析及計算表明，該橋的施工貓道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)是大于安全系數(shù)3的，因而在橫橋向風(fēng)作用下抗風(fēng)穩(wěn)定性是安全的.另外，在珠江黃埔大橋無抗風(fēng)纜貓道施工過程中，貓道線型與設(shè)計基本相符，整個過程穩(wěn)定、安全.

［1］李勝利，歐進萍.大跨徑懸索橋無抗風(fēng)纜貓道動力特性分析［J］.公路交通科技，2009，30（6）：19－25.

［2］樂云翔，常 英，胡曉倫.武漢陽邏長江大橋施工貓道抗風(fēng)穩(wěn)定分析［J］.公路交通科技，2005，22（8）：40－44.

［3］韋世國，廖海黎，趙有明，等.潤揚大橋懸索橋施工貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性分析［J］.橋梁建設(shè)，2004（4）：1－4.

［4］賈 寧，劉健新，劉萬鋒.懸索橋施工貓道靜風(fēng)失穩(wěn)機理分析［J］.公路交通科技，2008，25（3）：99－102.

［5］盧 義，顏東煌，陳常松，等.貓道荷載在懸索橋施工控制中影響分析［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，28（1）：20－22.

［6］吳勝東，馮兆祥，蔣 波.特大跨徑懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.土木工程學(xué)報，2007，40（4）：32－37.

［7］趙旭洲，官幼平.自錨式懸索橋貓道設(shè)計及架設(shè)施工技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2009（10）：33－38.