珠江黄埔大桥悬索桥无抗风缆猫道设计及其施工关键技术＊

2012-09-25谭立心罗超云

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2012年5期

谭立心罗超云

（长沙理工大学土木与建筑学院1）长沙 410004）（广东省长大公路工程有限公司2）广州 511431）

0 引言

珠江黄埔大桥是国道主干线广州绕城公路东段跨越珠江的控制工程.南汊主桥为290m＋1 108m＋350m单跨悬索桥，矢跨比1∶10.猫道是大跨径悬索桥施工必备的临时结构，为主缆架设、索夹和吊索安装、钢箱梁吊装、主缆防护等提供施工操作平台、材料及工具运输通道，其使用从始至终贯穿整个悬索桥上部构造安装施工过程，使用周期长，必然要经过各种自然灾害天气的考验.其结构设计首先要考虑抗风稳定性及结构安全，确保施工安全.

图1 猫道布置图

1 施工猫道参数

根据猫道设计资料，猫道线形平行于主缆空缆状态时的中心线，在架设钢箱梁之前，将猫道悬挂于主缆之下，并放松猫道承重钢丝绳两端的锚头，猫道抗风稳定不利状态为架梁之间施工主缆阶段［1－2］.

猫道面层距主缆空载中心线形下方1.5m，宽4m.猫道设计采用3跨连续结构，跨径与桥型布置相同.猫道面长约1 790m.见图1.

每条猫道承重结构由8根直径48mm面层承重钢丝绳及2根直径48mm门架支承钢丝绳组成，面层承重绳和门架支承绳之间通过猫道门架及门架斜拉绳联系形成空间结构.猫道扶手为2根直径36mm钢丝绳，不考虑参与承重受力.2条猫道间共设10道横向天桥，其中北边跨1道，中跨7道，南边跨2道，间距149m.猫道面层由承重网、步行网及防滑方木组成.

由于珠江黄埔桥所跨越水道水运交通繁忙，故猫道系统不设抗风缆绳.水平横向抑振主要由横向天桥及天桥两侧交叉钢丝绳组成.

猫道绳索参数如下：

1）猫道承重绳单条猫道采用8×36SW＋IWR线接触直径48mm钢丝绳8根（GB／T8918－1996），弹性模量Es＝120GPa，强度级别1 960 MPa，最小破断力1 560kN，近似重量10kg／m.单根承重索金属面积Ai＝0.001 142m2.

2）门架支承索单条猫道采用8×36SW＋IWR线接触直径48mm钢丝绳2根（GB／T8918－1996）.

3）猫道扶手绳单条猫道采用6×37SW＋IWR线接触直径36mm钢丝绳2根，弹性模量Es＝120GPa，强度级别1 870MPa，最小破断力773kN，近似重量4.94kg／m.单根承重索金属面积Af＝0.000 615m2.

风速参数：

根据设计单位所提供的设计资料，桥位处水面开阔，桥位处地表粗糙度应为A类与B类地表粗糙度类别之间，取地表粗糙度系数α为0.14.桥位基本风速按6级风v0＝13.0m／s.桥址区离地面20m高处100年一遇10min最大风速为vs20＝41.4m／s.施工阶段取20m高处30年一遇的平均风速为38.1m／s.

2 猫道抗风稳定试验

利用有限元软件进行结构的非线性分析，以及利用风洞试验准确测定猫道三分力系数，从而通过计算分析获得猫道上风荷载响应及评价其风致振动稳定性［3］.

猫道节段模型取缩尺比为1／10，刚体节段模型长度取1.200m.绳索以及猫道面层木条均采用相应尺寸的钢条代替于模型中，钢丝网采用相同孔隙率的钢丝网.试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ－2号风洞中进行.

测力系统由五分量应变天平、供桥直流稳压电源和数据采集、分析系统组成.试验时，模型一端与天平连接，竖直支撑，天平的根部与风洞转盘机构相连，以便变换模型的试验攻角.试验风速为vw＝10m／s，攻角α为－20°～＋20°，间隔1°.

在沿横桥向的均匀风场中，模型受到横桥向和竖桥向的气动力以及气动转矩.气动力分解示意图见图2，把作用在模型上的气动力分解为互相垂直的分力FV和FH，或者FD和FL，以及力矩MT.FV为沿模型横截面的对称轴方向的竖向气动力，FH为横桥向气动力；FD为顺风向的阻力，FL为升力；MT为沿桥轴向的气动转矩.

图2 气动力分解示意图

横桥向气动力系数CH、竖向气动力系数CV和气动转矩系数CM以及阻力系数CD、升力系数CL定义如下：

式中：qw＝／2为来流动压，ρ和vW分别为空气密度和来流速度；AH和AV为相应的参考面积，AH＝HL，AV＝BL，L、H 和B 分别为模型的长、高和宽.

实验结果整理得三分力系数随风攻角的变化曲线见图3.

图3 三分力系数随风攻角的变化曲线

3 猫道抗风稳定性分析

利用前面试验所得的静力三分力系数，可计算得猫道所受的风荷载.猫道在受强风作用时，变位较大，该变位使得风攻角也发生变化，因而风载也随之改变，因此，猫道抗风稳定性应是几何非线性、非保守的.

猫道的抗风稳定性，就其实质而论，是索结构在定常风作用下的静力稳定问题.决定猫道结构是否失稳（倾覆）的主要因素是在定常风作用在结构上的空气构成的倾覆力矩能否被结构内力所平衡［4－5］.

采用有限元法对珠江黄埔大桥施工猫道建模，对猫道在风载组合下进行结构强度验算.按照“恒载＋活载＋施工阶段风荷载”（取vg＝1.19×13＝15.47m／s）及“恒载＋最大阵风荷载组合”（取vg＝1.19×49.79＝59.25m／s）组合工况，考虑扶手绳参与受力（工况A）和不参与受力（工况B）2种工况，计算结果如下.

1）“恒载＋活载＋施工阶段风荷载”（取vg＝1.19×13＝15.47m／s）工况

（1）工况A（扶手绳参与受力，计算结果见表1～2）

表1 工况A轴力最大的构件单元及安全系数计算

表2 工况A主跨单元平均轴力及安全系数计算

（2）工况B（扶手绳不参与受力，计算结果见表3～4）

表3 工况B轴力最大的构件单元及安全系数计算

表4 工况B主跨单元平均轴力及安全系数计算

2）“恒载＋最大阵风荷载组合”（取vg＝1.19×49.79＝59.25m／s）组合工况

（1）工况A（扶手绳参与受力，计算结果见表5～6）

表5 工况A轴力最大的构件单元及安全系数计算

表6 工况A主跨单元平均轴力及安全系数计算

（2）工况B（扶手绳不参与受力，计算结果见表7～8）

表7 工况B轴力最大的构件单元及安全系数计算

表8 工况B主跨单元平均轴力及安全系数计算

从以上计算所得的轴力分布可看出，绳索的轴力分布大体上还是理想分布，平均轴力水平也完全满足安全系数大于3的要求.因此，猫道在横桥向风作用下抗风稳定性是安全的.

4 猫道施工

1）猫道构件加工猫道构件中的承重结构为20根承重索，委托专业厂家进行加工，其余构件自行加工.

为减少钢丝绳非弹性变形对索垂度变化的影响，所有承重索均进行预张拉，然后再根据设计索长下料加工.预张拉荷载为50%破断拉力（800 kN／索），保持60min，并且要进行2次.场地受限制时可分段进行.测长和标记在温度稳定的夜间进行.

2）锚固体系安装猫道索通过锚固体系锚固于两锚碇，猫道承重索、扶手索锚固于锚碇前锚室平锚块预埋件；门架承重索锚固锚碇前锚室内前锚块预埋件.锚固体系由锚梁、锚箱、直径32 mm精轧螺纹钢等组成.锚梁与预埋件通过直径120mm销轴相连，锚梁与锚箱通过精轧螺钢相连，锚箱与猫道索开式索节通过直径90mm销轴相连.

安装时先用塔吊将锚梁吊装就位，人工通过直径120mm销轴连接；锚箱与精扎螺纹钢提前在地面连接，上方安装弧形垫圈及2个螺母，下方用铁线绑扎以防下滑，用锚碇塔吊将其吊装就位，螺纹钢先穿过锚梁，安装弧形垫圈及2个螺母.门架承重索锚箱先不安装，当索节牵引就位用塔吊连接，最后连接锚箱及锚梁.

由于猫道架设过程中以及成桥过程中I，II期恒载施加，猫道线型发生变化，需不定时进行调节.猫道通过YC60B千斤顶、精轧螺纹钢、锚梁和锚箱体系调节猫道索长度，实现猫道线型的调整.

3）牵引系统安装牵引系统主要由卷扬机、钢丝绳和拽拉器串接而成.

牵引系统布设于每条主缆上方，跨越北锚碇、北塔顶、南塔顶及南锚碇之间，以实现由南锚向北锚牵引架设.牵引架设的对象主要有各种钢丝绳、主缆索股.根据牵引系统计算，单套牵引系统采用25t双筒摩擦式无级调速（3～30m／min）卷扬机，牵引钢丝绳全部采用直径直径36mm钢丝绳.

牵引系统用于猫道承重索、猫道扶手绳、猫道面层、门架承重索等牵引架设.牵引系统为单线往复式：主缆一侧牵引系统之北锚、南锚各布设1台牵引卷扬机.其牵引系统钢丝绳支承于主索鞍吊架和散索鞍吊架的滑轮组之中［6］.

4）猫道承重索安装猫道承重索和门架支承索均分3段，南边跨由南向北牵引，北边跨段及中跨段由北向南牵引.为了避免牵引承重索时对航道和引桥作业点的干扰，降低牵引力，全线均采用托架配合牵引施工.

5）猫道承重索调整

（1）调整顺序猫道承重索横移就位后，根据监控单位计算出空缆阶段猫道承重索调整值，对承重索进行垂度调整，调整顺序为先中跨后边跨.

承重索架设完成之后，首先调整上下游外侧各一根索，根据测量及监控指令进行调整，然后上下游其他各7根承重索的标志点调整到相应标志点设计位置上，根据第一根索的相对垂度位置进行相应的初调，并在索鞍内侧分别安装2个直径48mm绳夹固定，以防承重索移动.另外每根索在塔顶挂一块带着卡环的铁皮，每块铁皮上标注每根索索号，从塔顶自动滑至跨中位置处.

（2）调整方法首先进行中跨猫道承重索调整.全站仪提前测量中跨跨中点垂度及中跨跨径，并测量温度，计算出实际需要的调整量，并与监控单位计算值比较.利用塔顶8t卷扬机经过滑轮组与承重索上面副绳的连接进行索长调整，用红布做好标记，直至满足要求，在塔顶转索鞍处锚固（在塔顶鞍帽内侧安装2个直径48mm绳夹固定）.待中跨猫道承重索固定好后，进行边跨猫道承重索调整.边跨调整通过锚固在锚块锚梁上拉杆系统进行，调整方法同中跨.调整计算垂度过程中，注意边跨塔顶处变位刚架的影响.猫道承重索标高调整允许偏差控制在50mm以内.

6）承重索线形施工监控

（1）猫道承重索的调整应满足要求沿全长的几何线型符合设计线型，自由悬挂时为悬链线型.

（2）猫道线形计算在承重索架设之前，精确计算各阶段承重索的标高和水平位置，并据些精确地计算出每条猫道承重索的理论长度，列表备查.为了防止猫道承重索非弹性变形过大，影响猫道垂度调整应根据钢丝绳的弹性模量值计算出猫道承重索的下料长度，并对新钢丝绳进行预张拉，消除承重索非弹性变形.

（3）猫道承重索架设及垂度调整在进行猫道承重索垂度调整时，根据其无应力理论长度，结合实测计算长度，对锚固端相应部位进行精确调整，所得猫道承重索总长符合设计长度，则可以保证几条猫道承重索垂度相同，中跨、边跨垂度调整方法相同.

（4）承重索的调整顺序及要求承重索调整工作按中跨、边跨的顺序进行，在调整过程中，要求经常测量塔顶偏位、跨径、中跨和边跨的垂度及温度，计算中跨中点和边跨中点的垂度偏差，作为猫道承重索垂度调整的依据.猫道承重索垂度的测量应在气温变化小，大气对流稳定的时间进行，并以尽可能高的精度和可靠性来测量中跨和边跨的垂度［7］.

7）门架、托滚及附属设施安装在猫道铺装完成后，安装猫道门架、门架导轮组、托架滚轮及猫道照明系统.由塔吊将门架吊至塔顶，将门架置于门架承重索上，利用塔顶卷扬机反拉，将门架下滑至设计位置安装.利用牵引索将门架导轮组及托架滚轮牵引到相关位置，安装固定.将牵引索提入门架导轮组内，形成门架式单线往复式牵引系统.沿猫道一定距离在扶手立柱上安装猫道照明灯具、通航安全标志和配电箱，完善整个猫道及牵引系统.