珠江黃埔大橋懸索橋無抗風纜貓道設計及其施工關鍵技術＊

譚立心 羅超云

（長沙理工大學土木與建筑學院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構，為主纜架設、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造安裝施工過程，使用周期長，必然要經過各種自然災害天氣的考驗.其結構設計首先要考慮抗風穩定性及結構安全，確保施工安全.

圖1 貓道布置圖

1 施工貓道參數

根據貓道設計資料，貓道線形平行于主纜空纜狀態時的中心線，在架設鋼箱梁之前，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，貓道抗風穩定不利狀態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.貓道設計采用3跨連續結構，跨徑與橋型布置相同.貓道面長約1 790m.見圖1.

每條貓道承重結構由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系形成空間結構.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、步行網及防滑方木組成.

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

貓道繩索參數如下：

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.

風速參數：

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

2 貓道抗風穩定試驗

利用有限元軟件進行結構的非線性分析，以及利用風洞試驗準確測定貓道三分力系數，從而通過計算分析獲得貓道上風荷載響應及評價其風致振動穩定性［3］.

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

測力系統由五分量應變天平、供橋直流穩壓電源和數據采集、分析系統組成.試驗時，模型一端與天平連接，豎直支撐，天平的根部與風洞轉盤機構相連，以便變換模型的試驗攻角.試驗風速為vw＝10m／s，攻角α為－20°～＋20°，間隔1°.

在沿橫橋向的均勻風場中，模型受到橫橋向和豎橋向的氣動力以及氣動轉矩.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，FH為橫橋向氣動力；FD為順風向的阻力，FL為升力；MT為沿橋軸向的氣動轉矩.

圖2 氣動力分解示意圖

橫橋向氣動力系數CH、豎向氣動力系數CV和氣動轉矩系數CM以及阻力系數CD、升力系數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.

實驗結果整理得三分力系數隨風攻角的變化曲線見圖3.

圖3 三分力系數隨風攻角的變化曲線

3 貓道抗風穩定性分析

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

貓道的抗風穩定性，就其實質而論，是索結構在定常風作用下的靜力穩定問題.決定貓道結構是否失穩（傾覆）的主要因素是在定常風作用在結構上的空氣構成的傾覆力矩能否被結構內力所平衡［4－5］.

采用有限元法對珠江黃埔大橋施工貓道建模，對貓道在風載組合下進行結構強度驗算.按照“恒載＋活載＋施工階段風荷載”（取vg＝1.19×13＝15.47m／s）及“恒載＋最大陣風荷載組合”（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，計算結果如下.

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

（1）工況A（扶手繩參與受力，計算結果見表1～2）

表1 工況A軸力最大的構件單元及安全系數計算

表2 工況A主跨單元平均軸力及安全系數計算

（2）工況B（扶手繩不參與受力，計算結果見表3～4）

表3 工況B軸力最大的構件單元及安全系數計算

表4 工況B主跨單元平均軸力及安全系數計算

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

（1）工況A（扶手繩參與受力，計算結果見表5～6）

表5 工況A軸力最大的構件單元及安全系數計算

表6 工況A主跨單元平均軸力及安全系數計算

（2）工況B（扶手繩不參與受力，計算結果見表7～8）

表7 工況B軸力最大的構件單元及安全系數計算

表8 工況B主跨單元平均軸力及安全系數計算

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大于3的要求.因此，貓道在橫橋向風作用下抗風穩定性是安全的.

4 貓道施工

1）貓道構件加工 貓道構件中的承重結構為20根承重索，委托專業廠家進行加工，其余構件自行加工.

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張拉，然后再根據設計索長下料加工.預張拉荷載為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.測長和標記在溫度穩定的夜間進行.

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埋件；門架承重索錨固錨碇前錨室內前錨塊預埋件.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，當索節牽引就位用塔吊連接，最后連接錨箱及錨梁.

由于貓道架設過程中以及成橋過程中I，II期恒載施加，貓道線型發生變化，需不定時進行調節.貓道通過YC60B千斤頂、精軋螺紋鋼、錨梁和錨箱體系調節貓道索長度，實現貓道線型的調整.

3）牽引系統安裝 牽引系統主要由卷揚機、鋼絲繩和拽拉器串接而成.

牽引系統布設于每條主纜上方，跨越北錨碇、北塔頂、南塔頂及南錨碇之間，以實現由南錨向北錨牽引架設.牽引架設的對象主要有各種鋼絲繩、主纜索股.根據牽引系統計算，單套牽引系統采用25t雙筒摩擦式無級調速（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.牽引系統為單線往復式：主纜一側牽引系統之北錨、南錨各布設1臺牽引卷揚機.其牽引系統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）貓道承重索調整

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

承重索架設完成之后，首先調整上下游外側各一根索，根據測量及監控指令進行調整，然后上下游其他各7根承重索的標志點調整到相應標志點設計位置上，根據第一根索的相對垂度位置進行相應的初調，并在索鞍內側分別安裝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的鐵皮，每塊鐵皮上標注每根索索號，從塔頂自動滑至跨中位置處.

（2）調整方法 首先進行中跨貓道承重索調整.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整量，并與監控單位計算值比較.利用塔頂8t卷揚機經過滑輪組與承重索上面副繩的連接進行索長調整，用紅布做好標記，直至滿足要求，在塔頂轉索鞍處錨固（在塔頂鞍帽內側安裝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整.邊跨調整通過錨固在錨塊錨梁上拉桿系統進行，調整方法同中跨.調整計算垂度過程中，注意邊跨塔頂處變位剛架的影響.貓道承重索標高調整允許偏差控制在50mm以內.

6）承重索線形施工監控

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

（2）貓道線形計算 在承重索架設之前，精確計算各階段承重索的標高和水平位置，并據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，影響貓道垂度調整應根據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張拉，消除承重索非彈性變形.

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

（4）承重索的調整順序及要求 承重索調整工作按中跨、邊跨的順序進行，在調整過程中，要求經常測量塔頂偏位、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整的依據.貓道承重索垂度的測量應在氣溫變化小，大氣對流穩定的時間進行，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、托滾及附屬設施安裝 在貓道鋪裝完成后，安裝貓道門架、門架導輪組、托架滾輪及貓道照明系統.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，將門架下滑至設計位置安裝.利用牽引索將門架導輪組及托架滾輪牽引到相關位置，安裝固定.將牽引索提入門架導輪組內，形成門架式單線往復式牽引系統.沿貓道一定距離在扶手立柱上安裝貓道照明燈具、通航安全標志和配電箱，完善整個貓道及牽引系統.

5 結束語

對珠江黃埔大橋無抗風纜施工貓道進行的穩定性分析及計算表明，該橋的施工貓道結構安全系數是大于安全系數3的，因而在橫橋向風作用下抗風穩定性是安全的.另外，在珠江黃埔大橋無抗風纜貓道施工過程中，貓道線型與設計基本相符，整個過程穩定、安全.

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

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［6］吳勝東，馮兆祥，蔣 波.特大跨徑懸索橋上部結構施工關鍵技術研究［J］.土木工程學報，2007，40（4）：32－37.

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