杭瑞洞庭大橋三跨連續貓道設計與計算

陳靜,石柱,石梁

摘 要：本文針對超大跨連續貓道的方案選型、結構設計、計算方法等進行了詳細的分析，以承重索線型和張拉力作為控制指標，通過計算分析確定貓道結構的合理性和安全性。依托工程杭瑞洞庭大橋的順利建成，驗證了該貓道結構設計的合理性和計算分析的科學性，達到了預期的目標，對后續類似工程的建設具有重要的參考和借鑒作用。

關鍵詞：懸索橋;三跨連續貓道;結構設計;計算分析

貓道是大跨徑懸索橋纜索系統施工最重要的作業平臺和人員通道，主纜安裝、索夾安裝、吊索安裝等作業均需要利用貓道，因此，科學合理的貓道設計，對于確保施工安全，保證工程質量，實現工期目標具有重要意義。

1 項目簡介

杭瑞洞庭大橋是《國家高速公路網規劃》中的第12條橫線—杭州到瑞麗高速公路的最后一段（大岳高速）的控制性工程，大橋東起岳陽、西連君山，橫跨湘江主航道。杭瑞洞庭大橋設計為板桁結合型雙塔雙跨鋼桁梁懸索橋，跨徑組合為（3x60 m連續剛構）+（460 m+1 480 m+491 m懸索橋）+（34.58 m+4x60.5 m連續剛構），主橋全長2 390 m，在建時為世界第二、中國第一大跨徑鋼桁梁懸索橋。主纜垂跨比F/L=1/10，中心距35.4 m，通長索股175束。

2 貓道方案選型

懸索橋的貓道形式主要分為連續式和分離式，即以索塔為界，連續式貓道以通常鋼絲繩跨越塔頂，連接兩側錨碇，分離式貓道將貓道分為三段，分別錨固在兩側索塔和錨碇上。連續式貓道的優點主要是索塔主要承受豎向壓力，沒有不平衡水平力，缺點是需要設計、安裝較復雜的塔頂轉向變位裝置，導致貓道成本增加，施工難度較大;分離式貓道的優點是直接錨固在索塔上，不需要復雜的塔頂轉向變位裝置，施工相對簡單，缺點是由于索塔需要承受不平衡水平力。統計目前已建懸索橋貓道設計情況，跨徑1 000 m以下的懸索橋，一般采用分離式貓道，隨著主跨跨徑的增大，分離式貓道作用在索塔頂部的不平衡力顯著增加，同時塔頂轉向變位裝置造價占貓道總造價的比例逐步減小，千米級以上的懸索橋一般采用連續式貓道。

3 貓道結構設計

杭瑞洞庭大橋選用三跨連續式貓道結構，兩幅貓道分別布置在兩根主纜下方，距離主纜中心線1.5 m，設計寬度4.0 m，中間以11個橫通道連接，貓道承重索利用塔頂轉向變位裝置跨越索塔，兩端錨固在錨碇前端。貓道主要由承重索、扶手繩、門架、面層、橫通道、塔頂轉向變位裝置、錨固裝置及其它附屬設施組成。

3.1 設計安全系數

3.2 貓道承重索及扶手繩

貓道承重索采用10根直徑54 mm鋼芯鋼絲繩（單幅），通過索塔頂面的轉向變位裝置實現三跨連續布置，貓道兩側各設置3根扶手繩，由上至下分別采用Φ26 mm、Φ22 mm、和Φ16 mm鋼絲繩。

3.3 貓道承重索錨固調整系統

貓道承重索錨固在錨碇散索鞍支墩前端，鋼絲繩通過可調錨固系統與錨固底座連接，錨固系統由大、小錨固桿、錨梁和千斤頂組成，利用錨固系統的調節作用，可以實現對貓道長度和線形的調整，使其滿足施工需求。

3.4 塔頂轉向變位系統

連續式貓道需要跨越索塔，要解決貓道索與主索鞍位置沖突問題，所以在塔頂安裝了轉向變位裝置，調整貓道索的間距，并從側面轉向繞過主索鞍，實現貓道索的連續。

3.5 貓道面網

貓道面網考慮雙層網，下層為菱形鋼板網，鋼板網厚度5 mm，網格80×120 mm，上層采用鋼絲網，網格15 mm×15 mm，鋼絲直徑2 mm，貓道面層上設置大、小橫梁和防滑木條。

3.6 貓道橫通道

為提高貓道的抗風穩定性，同時滿足兩側人員通行，全橋一共設置了11個橫通道，連接兩幅貓道，其中中跨7道，兩側邊跨各2道，橫通道采用桁架結構，上鋪鋼板網，周邊設置防護網。

3.7 貓道門架

為滿足索股牽引系統布置的需要，在貓道上布置49個門架，門架間距50 m，門架高度7.0 m～7.5 m，門架下端與貓道橫梁連接，頂面通過2根直徑60 mm的門架承重索固定，形成空間結構。

4 貓道結構計算

4.1 模型簡介

采用橋梁非線性分析系統BNLAS軟件對貓道進行結構分析計算，該軟件是一款專門用于大跨度橋梁結構非線性分析的軟件，包括“橋梁結構空間靜動力非線性分析系統”和“懸索橋主纜系統設計與施工計算系統”兩個子系統，目前是國內懸索橋結構分析和施工監控方面的主要計算分析軟件。

為詳細分析貓道結構在安裝、使用各階段的受力狀況，根據貓道設計方案和施工方案，建立了貓道承重索和門架承重索的有限元模型，計算其在恒載和活載作用下的變形、內力和應力，并依據計算結果對貓道結構和合理性、安全性濟學寧判斷。模型計算簡圖見圖3。

4.2 計算工況

按照貓道的安裝順序，分11個施工階段進行貓道恒載狀態的計算，如果計算后線形不滿足要求，適當調整門架處的荷載，反復計算，直至得到立項的恒載線形和內力。

在貓道安裝完成狀態的計算模型基礎上，進行活載、溫度變化、風載等作用下的貓道受力計算，即在施工過程完成后的結構坐標狀態、內力狀態下進行使用荷載分析，并考慮了結構的大位移、重力剛度、先期荷載（恒載）與后期荷載（使用荷載）相互影響作用等非線性。

4.3 荷載組合

恒載：貓道承重索、扶手繩、面網、橫梁、牽引繩、滾輪等的自重按均布荷載考慮，門架、橫通道、變位剛架等的自重按集中荷載考慮。

活載：活載主要考慮主纜索股重量（3根）、人行荷載、施工機具、風荷載（施工階段設計風速28.9 m/s）、溫度荷載（升溫26℃，降溫31℃，基準溫度20℃）。

荷載組合見表2所示。

4.4 計算結果

貓道承重索和門架承重索在各種荷載組合作用下，最小破斷力安全系數均大于3.0，滿足規范要求。主跨貓道線形與主纜中心線形的豎向標高差約為1.5 m，滿足施工要求;邊跨主纜中心線形與貓道標高差在1.5 m～1.8 m范圍內波動，該線形能滿足主纜架設等后序施工操作要求，可不設置邊跨下拉裝置。主要計算結果見表3～表6。

5 結語

本文依托杭瑞洞庭大橋的施工實踐，針對超大跨連續貓道的方案選型、結構設計、計算方法等進行了詳細的分析，以承重索線型和張拉力作為控制指標，通過計算分析確定貓道結構的合理性和安全性，大橋的順利建成，驗證了該貓道結構設計的合理性和計算分析的科學性，取得了良好的經濟效益，達到了預期的目標，對后續類似工程的建設具有重要的參考和借鑒作用。

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