南京長江第四大橋懸索橋貓道設計與計算分析

楊奉舉

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司 武漢 430050）

1 工程概況

南京長江第四大橋主橋為雙塔3跨懸索橋，其跨徑布置為166 m＋410.2 m＋1418 m＋363.4 m＋118.4 m，施工貓道采用三跨連續無抗風纜無制振索體系［1］，其跨徑組成為571.19 m＋1 421.11 m＋476.72 m。總體布置見圖1。

圖1 南京長江第四大橋主橋橋跨組成（單位：mm）

貓道面層位于主纜空纜中心線下方1.5 m，寬4 m，每條貓道承重結構由8根直徑54 mm的承重索、2根直徑32 mm扶手索和2根直徑54 mm門架承重索組成。貓道承重索和門架承重索通過貓道門架形成空間整體結構，共同受力。

2 貓道主要結構設計

（1）承重索結構。貓道采用3跨連續結構，其優點是塔上預埋件少，偏載時貓道不容易傾斜。為便于承重索的安裝及拆除，每條承重索分成中跨與2個邊跨共3段制作，在索塔旁靠中跨側設2個索節連接成一體。

（2）橫向通道及抗風穩定措施。由于橋位處長江航道交通繁忙，貓道系統不能設抗風纜。為了提高貓道的抗風穩定性，在2條貓道之間每隔150 m左右設置1道橫向通道。全橋共布置14道，中跨9道，北邊跨3道，南邊跨2道。

（3）貓道底梁及門架。貓道底梁的作用：①把8根貓道承重索連成整體共同受力；② 作為門架及橫向通道的支承連接結構；③ 把貓道面層固定在承重索上防止面層滑動。貓道門架的作用：

（4）貓道錨固、調整系統。貓道承重索和扶手索通過設于散索鞍支墩上的變位剛架及轉索鞍錨固于索股前錨面前方底板上，通過錨固系統錨梁上拉桿系統調整貓道承重索和扶手索的線形。門架承重索錨固于索股前錨面頂部，通過精軋螺紋鋼調整線形。

（5）變位剛架及下拉裝置。由于采用3跨連續貓道，當貓道承重索通過塔頂主索鞍或錨碇散索鞍兩側時，通過型鋼制作的變位剛架調整承重索之間的間距。為保證貓道面層與主纜之間的操作空間，在索塔兩側設貓道承重索下拉裝置。

3 貓道結構受力計算

利用專用的計算軟件，通過對施工過程計算與調整，可以得到結構最終的恒載線形，使貓道承重索與主纜空纜中心的距離保持在1.35～1.80 m之間。

計算貓道承重索的最大／最小內力見表1，計算門架承重索的最大／最小內力見表2。

表1 荷載組合作用下貓道承重索最大／最小內力

表2 荷載組合作用下門架承重索最大／最小內力

由表1，2可知，貓道承重索及門架承重索在施工期間張力安全系數滿足《規范》 要求。

4 貓道抗風穩定性計算分析

貓道結構的抗風穩定性研究可通過整個貓道氣動彈性模型風洞試驗的方法進行，也可通過將節段模型試驗與非線性計算分析相結合的方法進行。根據研究，上述2方法具有較好的一致性。對于南京長江第四大橋這樣大跨徑的懸索橋，考慮到整個貓道氣動彈性模型試驗的研究途徑將導致較大的幾何縮尺比，這會因尺寸效應而損害結果的精度，因而本貓道采用后一種方法進行貓道抗風穩定性分析［3］。

4.1 風速的計算

根據當地有關氣象資料，取施工階段距地10 m高20年重現期的設計風速為：vds＝27.5 m／s，由于貓道高度變化較大，在實際計算中應考慮風速沿高度的變化，貓道不同高度的計算風速為：v＝vds×（Z／Z0）0.12。

為了保證貓道在施工過程中的靜力抗風穩定性，根據《公路橋涵抗風設計規范》［3］要求，橋梁結構的靜力失穩臨界風速應大于其設計風速的2倍（線性分析）或者大于其設計風速的1.2倍（非線性分析）。本項目按照非線性靜力抗風穩定性計算，檢驗風速取設計風速的1.2倍，計算貓道平均高度處的檢驗風速為：

中跨 v＝1.2×vds（Z／Z0）0.12＝43.8 m／s

邊跨 v＝1.2×vds（Z／Z0）0.12＝44.0 m／s

4.2 貓道節段模型靜力三分力試驗

作用于貓道上的靜力風荷載與貓道的靜力三分力系數有關，因此，首先進行貓道靜力三分力系數的測定試驗。本試驗的貓道節段模型采用1∶5.766的幾何縮尺比，模型長2.100 m、寬0.728 m、高0.253 m。模型上篩網的透風率與實型上的透風率盡量一致。試驗在西南交通大學單回流串聯雙試驗段工業風洞（XNJD－1）第二試驗段中進行。試驗風速為25、30 m／s，試驗攻角為α＝－20°～＋20°，間隔1°。試驗結果表明，2種風速情況下三分力系數非常吻合，證明了數據的可靠性。本次計算采用2種風速的平均值，將試驗結果整理的三分力系數隨風攻角的變化曲線見圖2。由圖可知，橫橋向氣動力系數CH與阻力系數CD隨風攻角變化明顯，即在風攻角為0°時最小，隨著風攻角絕對值的增大而增大；而豎向氣動系數CV和氣動扭矩系數以及升力系數CL與風攻角大致呈線性變化，但斜率較小并接近0，尤其是CM因此貓道在橫向風荷載作用下具有較好的扭轉穩定性。

圖2 貓道靜力三分力系數隨攻角的變化曲線（平均值）

4.3 貓道靜力穩定性非線性分析

貓道的抗風穩定性，其實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）的主要因素是定常風作用在結構上的空氣力構成的傾覆力矩能否被結構內力所平衡。利用貓道節段靜力三分力試驗結果和有限元分析軟件Ansys，對貓道進行非線性抗風靜力穩定性分析。分析時作如下考慮：

貓道結構靜力失穩主要是發生在橫向通道之間的小跨徑范圍內，在風載的作用下，貓道結構的變位過大及橫向通道之間的小跨跨中扭角過大時會發生靜力失穩。

由于在主纜施工完成后，貓道將與主纜相聯，因而對貓道而言，最不利狀態應為無主纜的狀態。

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，所以貓道抗風靜力穩定性應是幾何非線性、非保守的。

經計算可得貓道各截面處在不同風速時的位移。其中橫向位移、豎向位移均以中跨跨中截面為最大，扭轉角則以中跨跨中附近兩橫向通道之間的小跨跨中截面扭轉角為最大。

4.4 無制振索貓道靜風穩定性結果

當無制振索時，中跨跨中橫向和豎向位移隨風速的變化關系見圖3，跨中附近兩橫向通道之間的小跨跨中截面扭轉角隨風速關系見圖4。由圖可見，當貓道平均高度處風速達到55.0 m／s時，小跨跨中截面扭轉角急劇增大，表明貓道發生靜力扭轉失穩。因而，該貓道的靜力發散風速在貓道平均高度處為55.0 m／s，該風速高于該高度1.2倍的施工階段設計風速，即33.0 m／s，因而，無制振索時，中跨貓道的靜力穩定性是安全的，貓道靜風失穩的風速計算見表3。

計算表明，邊跨的靜風失穩風速高于中跨，在無制振索時，2個邊跨的靜風失穩風速分別56 m／s和57 m／s，由此可見，貓道的抗風穩定性受中跨控制。

圖3 中跨跨中橫向和豎向位移隨風速的變化（無制振索）

圖4 小跨跨中截面扭轉角隨風速的變化（無制振索）

表3 貓道靜風失穩的風速計算 m／s

4.5 有制振索貓道靜風穩定性結果

由于貓道的靜風失穩風速只受中跨控制，因此在含有制振索的計算工況中，只考察貓道的中跨。中跨跨中橫向和豎向位移隨風速的變化關系見圖5。跨中附近2橫向通道之間的小跨跨中截面扭轉角隨風速的變化關系見圖6。由圖可見，當貓道平均高度處風速達到55 m／s時，小跨跨中截面扭轉角急劇增大，表明貓道發生靜力扭轉失穩。

圖5 中跨跨中橫向和豎向位移隨風速的變化（有制振索）

圖6 小跨跨中截面扭轉角隨風速的變化（有制振索）

計算表明，制振索對靜風穩定的影響較小。

4.6 紊流風和非正交風作用下的穩定性

大跨度貓道最關心的問題是靜風穩定性，貓道是一個臨時施工結構，高風速（一般10 min平均風速15 m／s）時，工人已經不能在貓道上作業了，因此對于高風速下的抖振響應，并不影響施工安全。

風洞試驗表明，在10 min平均風速大小一定的情況下，紊流風環境中的三分力系數要比均勻流場中測到的三分力系數小，因此，貓道的靜風穩定性不考慮的紊流，將會帶來更為安全的結構。

根據對國內外大跨度懸索橋貓道的研究表明，非正交風作用下，貓道的靜風穩定性高于正交風作用，因此，貓道的靜風穩定計算可以只考慮正交風的作用。

5 結語

南京長江第四大橋施工貓道于2011年元月18日開始架設，2011年4月30日架設完畢，沒有施加制振索。2012年6月30日完成所有懸索橋上部結構施工項目后拆除貓道，整個施工過程貓道結構穩定、安全，貓道線形與設計相符，施工方便。通過對貓道結構強度及抗風穩定性計算分析，得出以下結論和建議。

（1）貓道承重繩采用3跨連續結構，貓道門架支承索及扶手索參與結構受力更符合實際工況。

（2）增加橫向通道，有可效提高結構抗風性能和整體穩定性，而制振索對貓道靜風穩定的影響較小。

（3）貓道的穩定計算可不考慮紊流和非正交風的作用。

［1］ 崔 冰，張 克.南京長江第四大橋跨江大橋施工圖設計［Z］.北京：中交公路規劃設計院有限公司，2008.

［2］ JTJ041－2000公路橋涵施工技術規范［S］.北京：人民交通出版社，2000.

［3］ JTG／T D60－01－2004公路橋涵抗風設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.