棋盤洲長江大橋貓道施工控制技術研究

劉長輝

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300)

1 引言

貓道是懸索橋上部結構施工的通道與工作平臺[1]，設置在主纜之下，與主纜空纜線形基本平行[2]。貓道成橋線形是貓道結構一個重要的參數，決定著貓道的使用性能及結構受力，通過貓道施工各階段的承重索標高進行嚴格控制。在貓道施工過程中，貓道承重索索力不斷發生變化，且邊跨索力與中跨索力的變化幅度不相同，由此產生的索力差將對貓道結構、主塔產生一定不利影響，所以施工過程中貓道承重索索力計算分析十分必要。

2 貓道結構

棋盤洲長江大橋為雙塔單跨鋼箱梁懸索橋，纜跨布置為340 m＋1 038 m＋305 m＝1 683 m，中跨矢跨比1/9，主纜橫橋向中心距為34.5 m。貓道采用三跨連續式布置[3]，上、下游各1幅，相對橋中線對稱布置。貓道寬4.0 m，由貓道索、貓道面、錨固結構、轉向結構、下拉裝置、變位剛架、橫向天橋、貓道門架等組成[4]，如圖1所示。

圖1 貓道總體布置(單位:m)

貓道索由貓道承重索、門架支承索、扶手索和踢腳索組成，如圖2所示。每幅貓道承重索相對主纜對稱布置，承重索中心距主纜中心1.5 m[5-6]，采用8根直徑48 mm鋼絲繩，間距布置為3×0.45 m＋1.1 m＋3×0.45 m。

貓道面由承重網、步行網及防滑方木、中間橫梁、門架下橫梁等組成[7]，在中間橫梁、門架下橫梁上安裝欄桿。承重索與橫梁用U型螺栓連接，欄桿與橫梁用螺栓連接，方木與承重索、面網與木條用14＃鐵絲綁扎。

貓道在錨碇處設有錨碇門架、錨固預埋件、線形調節結構、承重索轉向支架及變位剛架等，如圖3所示。在錨碇處，貓道承重索依次經變位剛架、轉向支架、線形調節結構，最后與前錨面上的錨固預埋件連接。變位剛架、轉向支架分別實現承重索橫向變位及豎向變位，線形調節結構通過改變錨箱與拉桿的相對位置調整承重索線形[8]。

圖2 貓道斷面(單位:m)

圖3 貓道在錨碇處布置

貓道在塔頂布置有塔頂門架、承重索轉向鞍座、下拉裝置、變位剛架及工作平臺等[9]，如圖4所示。下拉裝置設置在中跨側，承重索通過轉向鞍座、下拉裝置轉向，避免與主塔干涉[10]，達到設計線形。變位剛架設置在主塔兩側，實現貓道承重索橫向變位[11]。

圖4 貓道在主塔處布置

橫向天橋主要作用是提高貓道抗風穩定性及便于兩幅貓道間人員通行，中跨設7道，間距為150 m，北、南邊跨各設1道，設在跨中。貓道門架用于支撐牽引索，間距為50 m。

3 承重索施工控制標高計算

3.1 施工控制標高的定義

貓道成橋線形是由主纜空纜線形下移一定距離得到，為實現貓道成橋線形，在貓道施工的各階段均應對承重索各跨跨中標高進行控制，該標高即為貓道承重索施工控制標高。

貓道施工流程為:施工準備→先導索架設→門架支承索安裝→承重索安裝→變位剛架、下拉裝置安裝→貓道面及橫向天橋安裝→貓道門架等安裝，完成貓道施工。根據施工流程，承重索施工控制標高分為幾個工況:(1)承重索空索，未安裝變位剛架；(2)承重索空索，已安裝變位剛架；(3)貓道面安裝完成；(4)貓道施工完成。

3.2 施工控制標高的計算原理

施工控制標高計算基于如下假定[12]:(1)索為理想柔性，不考慮索截面的抗彎剛度；(2)索的無應力長度在一定溫度下保持不變；(3)各局部坐標原點滿足力的平衡條件；(4)貓道的成橋線形與主纜空纜線形平行。

施工控制標高計算采用懸鏈線理論[13]，懸鏈線方程:

式中，K、a、b為懸鏈線參數，可通過懸鏈線上的已知3點坐標確定。

索總長度計算公式:

索彈性伸長量計算公式:

式中，q為荷載；E為索的彈性模量；As為索的金屬截面積。

索的無應力索長計算公式:

式中，l為索的跨度。

在計算承重索施工控制標高時，首先根據貓道成橋線形計算公式(1)，確定貓道成橋狀態懸鏈線方程；然后根據公式(2)～(4)計算承重索無應力長度；再以承重索在各工況下無應力索長不變為條件，根據公式(1)～(4)確定承重索各狀態下的懸鏈線方程；最后根據承重索各狀態下的懸鏈線方程計算施工控制垂度。在計算過程中，方程組求解采用軟件Mathcad。

3.3 施工控制標高計算結果

貓道成橋線形為主纜空纜線形下移1.5 m得到，為計算準確，根據承重索轉向鞍座及下拉裝置轉向點的具體位置確定各跨承重索的參數，見表1。

表1 貓道承重索基本參數 m

貓道承重索在各工況下，所承受荷載情況見表2。

表2 貓道承重索荷載

在計算承重索空索未安裝變位剛架狀態的施工控制標高時，無應力索長應考慮變位剛架增加的索長。中跨空索狀態施工控制標高為未安裝下拉裝置狀態下的數據，所以無應力索長應考慮下拉裝置影響的索長，計算采用的跨度、高差、垂度不應考慮下拉裝置。貓道承重索施工控制標高計算結果見表3。

表3 貓道承重索施工控制標高計算結果

4 施工過程承重索索力分析

4.1 索力計算原理

在貓道施工過程中，要根據各工況的設計要求調整承重索線形并鎖定，承重索的索力及傾角將不斷變化。

索力計算采用懸鏈線理論，并利用軟件Mathcad求解方程組。

索的水平分力計算公式:

索的豎向分力計算公式:

索力計算公式:

4.2 索力計算工況劃分

根據貓道施工流程并結合承重索索力變化情況，將貓道承重索索力計算分為以下幾個工況:

(1)貓道承重索空索狀態，變位剛架安裝。

(2)貓道面及橫向天橋安裝。

在貓道面安裝過程中，邊跨及中跨均為從塔頂向下滑移安裝。根據橫向天橋的設計位置，將貓道面滑移過程中其前端位置進行標記(見圖5)，并根據標記對工況進行詳細劃分。

圖5 貓道面前端位置標記示意

(3)貓道安裝完成工況。

(4)索股架設工況。

4.3 索力計算結果

貓道承重索各跨的基本參數見表1，施工過程承重索索力見表4。分析表4承重索索力變化規律:在貓道施工過程中，承重索索力逐漸增加，邊跨增加幅度大，中跨增加幅度小；在空索狀態，邊跨索力較大，中跨索力較小；在貓道安裝完成及索股架設狀態邊跨索力與中跨索力接近。

表4 施工過程承重索索力統計

4.4 貓道施工順序

根據上述承重索索力變化規律，為減少邊跨索力與中跨索力不平衡對貓道結構和主塔產生的不利影響，在貓道面施工過程中，應先施工中跨貓道面，使中跨索力提升至與邊跨索力接近，之后同步施工邊跨貓道面及中跨剩余貓道面。具體施工流程:貓道承重索架設→中跨面網施工至位置3→中跨面網施工至位置4，同時邊跨面網施工至位置1→邊跨面網施工至位置2→完成貓道安裝→索股架設。按上述流程，貓道施工過程中邊跨與中跨承重索索力情況見表5。

表5 邊跨與中跨承重索索力差統計 kN

5 結束語

目前，棋盤洲長江大橋貓道已安裝完成，施工過程中貓道結構安全，主塔變形在規范允許范圍內，貓道成橋線形滿足設計要求。實踐證明，通過分析計算貓道施工各階段施工控制標高，可有效保證貓道成橋線形；根據施工過程承重索索力變化情況確定貓道施工順序，保證了施工過程中貓道和主塔結構安全，該方法可為其它類似工程施工提供參考。