貓道線形計算實用方法及偏差分析

何 偉

（1.西安公路研究院，陜西西安 710065；2.長安大學公路學院，陜西西安 710054）

0 引言

隨著橋梁施工技術、施工水平的提高，交通領域的發(fā)展，大跨徑的跨江、跨海橋梁逐步增多。懸索橋這一大跨徑橋型也越來越多地被應用使用。貓道是懸索橋上部結構中重要的高空作業(yè)平臺，雖然為臨時結構，但它的使用幾乎貫穿懸索橋上部結構施工的始終。它承擔著懸索橋索股架設、調索、緊纜、索夾及吊索安裝、鋼箱梁吊裝和主纜纏絲等一系列重要工作，因此貓道的線形計算準確與否對懸索橋上部結構施工起了至關重要的作用。

1 貓道構造

貓道由承重索、扶手索、轉索鞍、錨固裝置、門架、門架支承索、貓道面層、橫向天橋等主要部件組成。從結構上看主要分為分離式和連續(xù)式兩類[1]。兩種形式各有優(yōu)劣，其各自特點如下。

1.1 分離式結構

分離式貓道承重索分為三段，每跨各自架設，邊跨承重索分別在錨錠處與主塔上錨固，中跨承重索在兩主塔上錨固。這種形式結構比較輕便，承重索長度短，省去了變位剛架等結構，但也存在線形調節(jié)時復雜，塔頂預埋件較多，人員操作方面不便，以及對主塔受力影響較大等方面的問題。

1.2 連續(xù)式結構

連續(xù)式貓道承重索與主纜類似，為通長索，兩端分別在兩錨錠處錨固，在主塔頂部設置轉索鞍以便轉向。連續(xù)式貓道雖然承重索長度長，且多了變位剛架等裝置，但方便線形的調整，同時節(jié)約了預埋件與調節(jié)設備的數(shù)量，而且在貓道改掛之后線形保持優(yōu)于分離式貓道，人員通行方便，便于施工操作，對主塔受力影響也較小。

兩種形式各有優(yōu)劣，應根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況進行選用。

2 實例分析

采用通用軟件Midas Civil對某三跨懸索橋連續(xù)式貓道進行承重索線形計算。該橋兩塔等高，矢跨比為1/10。貓道采用連續(xù)式結構，在塔頂處設轉向鞍座。貓道（見圖1）低于主纜中心線1.5 m，貓道面寬4.0 m，每條貓道由6根φ48 mm鋼絲繩支承，設置2根φ40門架支承索，2根φ22扶手索。貓道面網(wǎng)底層用大方眼焊接鋼絲網(wǎng)，面層用小方眼鐵絲網(wǎng)。扶手索采用φ22 mm的鋼絲繩，側網(wǎng)采用高1.1 m的大方眼鋼絲網(wǎng)。

貓道門架由門架支承索固定，保證貓道索相對位置，增強整體穩(wěn)定性，同時其橫梁下方安裝導輪組，用于主纜索股架設。貓道不設抗風纜，為了增加貓道的抗風穩(wěn)定性，用7道橫向天橋增加上下游貓道剛度。

貓道橫向天橋按照150 m一道，貓道門架按照50 m一個布置。全橋共布置橫向天橋7道，貓道門架共54個。一側貓道承重索6φ48，扶手索2φ22，門架支承索2φ40。索股托輪6 m一個。

2.1 模型建立

單幅承重索共6根，按照僅受拉索單元進行模擬，因只進行線形計算，故橫向天橋，變位剛架等設施均采用集中荷載的形式添加，不會對結果造成影響。承重索的索力的水平向分力可以通過塔頂?shù)恼{節(jié)裝置進行調節(jié)，可以保持主塔水平分力基本均勻[4]，因此可忽略主塔水平向的位移，為一中心受壓結構（見圖2）。根據(jù)貓道建成后實測數(shù)據(jù)，此模擬方法精度可以達到要求。

圖1 貓道構造平、立面圖（單位：mm）

圖2 Midas模型

2.2 邊界條件

連續(xù)式貓道承重索在錨錠處通過錨固體系錨固于底面上，而在主塔上，承重索通過轉索鞍處也要進行錨固（見圖3），因此連續(xù)式貓道承重索的邊界條件與三跨分離式類似，分別在錨錠處與塔頂固結，可以看作為三跨分離式體系[2]。

2.3 荷載

單幅貓道橫向天橋荷載按節(jié)點荷載施加。除自重外，其它荷載按照均布荷載方式均勻地施加于各節(jié)點，也可加于承重索容重中。以下為各項荷載值。

（1）貓道面層荷載：q1=38.3 kg/m

（2）貓道欄桿荷載：q2=9.6 kg/m

（3）貓道承重索φ48自重荷載：q3=6×9.63=57.78 kg/m

（4）門架支承索φ40自重荷載：q4=2×6.69=13.38 kg/m

（5）PPWS導向輪及支架：q5=8.5 kg/m

（6）電纜及燈具：q6=2 kg/m

（7）門架及導向滑車：q7=31.0 kg/m

（8）牽引索φ36自重荷載：q8=2×5.42＝10.84 kg/m

（9）扶手索 φ22自重荷載：q9=2×2.02=4.04 kg/m

（10）單根主纜索股自重荷載：q10=21.2 kg/m

（11）橫向天橋單側集中荷載：P=2 207.2 kg

單根承重索所受均布荷載：

其中門架支撐索也承受一定比例門架荷載，根據(jù)各橋梁實際情況確定，該橋為1/2。

2.4 線形計算

2.4.1 貓道形成后線形

貓道形成后線形與主纜中心線距離過大，會造成調索時施工不便，不得不采取加立小凳等措施，而距離過小又可能會影響后期緊纜機的行走，故貓道形成后線形距主纜中心線距離取為1.5 m，因此貓道形成后線形為確定的，可用形成后線形反推承重索空纜線形。但主纜中心線形為懸鏈線，但貓道由于橫向天橋，門架等集中荷載的存在，貓道線形不可能與主纜線形完全平行[3]，在線形計算中，可近似以三跨跨中標高低于主纜中心線1.5 m考慮，由此可以方便地計算出承重索無應力索長（見表1）。根據(jù)實測驗證，精確度可以達到預期的要求。另外，貓道形成線形為恒荷載作用下的線形，因此貓道受到的風荷載，施工臨時荷載等都不予考慮[1,4]。

表1 承重索無應力索長值(單位：m)

2.4.2 貓道空索線形

貓道空索狀態(tài)為6根承重索架設完成后未安裝變位剛架前的狀態(tài)，承受荷載僅為本身自重。通過形成后線形得到的無應力索長值，即可簡單求得貓道空索線形。求得空索線形如表2。

2.5 溫度

該懸索橋貓道設計溫度為20℃，但實際架設過程中溫度不可能穩(wěn)定為20℃，故需計算20℃周圍溫度下的線形。具體計算值見表3（只列出1#承重索的線形）和表4（標高升高為正，降低為負）。

表2 貓道承重索空索線形（南側主塔中心里程樁號為2K+005.000）

根據(jù)該橋貓道空索時與架成時貓道實測線形和計算線形進行對比，發(fā)現(xiàn)此種計算方法精度可以滿足設計和施工要求，兩者差距極小。

3 產(chǎn)生偏差原因及分析

貓道架設過程中，線形與計算線形難免產(chǎn)生偏差，產(chǎn)生誤差的原因主要為以下幾方面。

（1）承重索彈性模量計算時取定值，但實際中由于承重索為鋼絲繩材料，其彈性模量會隨力的大小而產(chǎn)生一定的變化，因此會造成線形偏差的現(xiàn)象[5]。此種原因產(chǎn)生的誤差可以通過預張拉時消除鋼絲繩非彈性變形后的實測值作為計算值的方法來減小。

（2）在設計中，門架支撐索承受部分門架荷載，在模擬計算中此部分荷載可以精確地施加于門架支撐索之上，但在實際操作中，門架支撐索承受的荷載比例很難十分精確，會造成貓道形成后與計算線形不吻合，即使跨中線形匹配，但四分點處標高也會與計算值產(chǎn)生偏差。這也是造成很多貓道線形偏差的原因。

表3 溫度對1#承重索空索線形變化影響(單位：mm)

（3）在測量貓道線形時，如果在白天測量，貓道承重索溫度不均勻，即使考慮溫度荷載的影響，但也很難考慮如此復雜的溫度場，給出一個理想的線形，因此建議貓道線形測量時也按照基準索股測量的方法，在夜間溫度穩(wěn)定時進行測量，以消減承重索通長溫度變化造成的影響。

4 結語

表4 溫度對貓道形成后線形變化影響(單位：mm)

經(jīng)過對某懸索橋貓道線形計算模擬，提出了模型模擬和貓道線形、下料長度計算的實用方法。經(jīng)過與實際線形比對，發(fā)現(xiàn)精度可以達到要求，提出了貓道線形產(chǎn)生偏差的原因并進行分析，其結果可以在實際工程施工中使用。

[1]光明.劉家峽大橋三跨連續(xù)式貓道設計與架設 [J].中外公路，2013,33(3):135-139.

[2]常英.武漢陽邏長江大橋施工貓道設計與驗算[J].公路交通科技，2005,22(12):88-93.

[3]王豐平.貓道設計、架設和靜力計算[D].西安：長安大學，2002.

[4]牛和恩.虎門大橋工程—懸索橋[M].北京：人民交通出版社,1998.

[5]黃平明，梅葵花，孫勝江.大跨徑懸索橋貓道承重索施工控制計算方法[J].中國公路學報，2000,13(3):45-48.