空间索面悬索桥猫道设计与施工

2016-10-20马亮屈喜庆李飞高璞

天津建设科技 2016年3期

□文/马亮屈喜庆李飞高璞

空间索面悬索桥猫道设计与施工

□文/马亮屈喜庆李飞高璞

张家界大峡谷玻璃桥为主跨430 m的空间索面地锚式悬索桥，猫道设计施工和平行索面悬索桥大致相同。由于主缆和吊索的空间位置变化极大，猫道改吊后主缆经过横向对拉至接近成桥线形，该过程中猫道与主缆线形保持同步变化。文章对工程猫道设计与施工技术进行介绍。

空间索面；悬索桥；猫道

空间索面悬索桥的主缆和吊索都采用三维空间的布置形式，来提高整个桥梁结构的横向刚度和抗扭刚度［1］。张家界大峡谷玻璃桥主缆在空缆和成桥状态下的线形有着明显的差异，在西侧桥塔处横向中心距为45 m，在东侧桥塔处横向中心距为50 m，在跨中位置则变为9.14 m，整个主缆和吊索为空间索面结构，而且整个索面的空间度在世界范围都极为少见。

1　工程概况

张家界大峡谷玻璃桥为主跨430 m的空间索面地锚式悬索桥，主跨加劲梁跨度为385 m，加劲梁为纵、横梁体系，钢纵梁内灌注混凝土，钢纵、横梁间露空部分铺设钢化夹层玻璃，见图1。

图1　加劲梁平面布置

桥面距谷底272 m，桥中间设有世界最高蹦极点。两根主索为空间索面，南北侧主索呈不对称状态，北侧主缆跨度布置为55 m+430 m+45 m，南侧主缆跨度布置为80 m+430 m+82 m，矢跨比均为1/10。桥塔基础均为桩基础，西侧两锚碇设置为隧道式锚碇，东侧两锚碇设计为重力式锚碇，见图2和图3。

图2　大峡谷玻璃桥立面布置（北侧主缆）

图3　大峡谷玻璃桥平面布置

2　猫道设计

2.1猫道构造比选

猫道是架设在主缆之下、平行于主缆线形的悬索桥上部结构施工平台，是施工人员进行主缆架设、紧缆、索夹安装、吊杆安装、防护施工等一系列作业的重要通道［2］。猫道按照承重索在塔顶的跨越形式分为分离式和连续式两种。

1）分离式猫道。猫道承重索按主跨和边跨分成3段，各自锚固，塔顶预埋件数量较多，布置困难。施工中猫道线形放样时需多点调整，投入设备数量较多，调整过程复杂，工作面多，效率较低，猫道改吊后线形保持较差。由于主、边跨承重索分离，水平分力不等，会对桥塔产生不平衡力。但其施工简单，架设速度快。

2）连续式猫道。两边跨和中跨3段猫道绳在架设后连成一根整索，在塔顶处设置转索鞍、变位钢架以及下压装置，使得其施工时架设较困难。但是由于连续式猫道在塔顶处可以自由滑动，不会出现不平衡水平力，对降低施工过程中的调索难度、提高安装精度均有好处，对悬索桥上部结构施工控制有利。连续式猫道需要的预埋件数量相对少。

本项目猫道改吊后，要随着主缆一起进行横向对拉，直至主缆接近成桥线形，在这个过程中，连续式猫道比分离式猫道更容易保证线形。结合不同形式猫道的静力分析、猫道和索塔的连接，本项目采用三跨连续式。

2.2猫道总体设计

根据本项目的结构参数和特点，将主缆空缆线形向下平移1.2 m，作为猫道线形轮廓，整体采用三跨连续式结构。猫道总宽3 m，净宽2.8 m。猫道主要由承重索、扶手索、猫道面层、塔顶转索鞍及变位系统、横向通道等组成。

1）猫道钢丝索。承重索采用6根φ32 mm钢丝绳，低于主缆1.2 m；牵引索采用2根φ21.5 mm钢丝绳；扶手索为φ15.5 mm钢丝绳，护栏索采用2根φ12 mm钢丝绳；以上钢丝绳编织形式均为6×37+1，公称抗拉强度1 670 MPa。

2）猫道门架。用50 mm×50 mm×5 mm角钢制作而成的猫道门架主要用于限制锚端承重索的高度，门架高3 m，在主跨按50m一道布置，边跨各设计2道。

3）猫道横梁。由10#槽钢加工而成，每道间距4 m，用于增强猫道的稳定性。

4）扶手、扶手绳。由∠50型钢组成，扶手高度1.2 m，间距为4 m。采用φ15.5 mm。

钢丝绳作为猫道扶手绳，中间设置两道φ10 mm钢丝绳，作为安全栏杆绳。

5）猫道面层。猫道宽度为3 m，面层铺设钢板网和密网各一道，两侧安装高度450 mm的侧网，钢板网和侧网规格相同，均由4 mm厚的钢板冲孔制作、网格大小为100 mm×60 mm。在猫道面无横梁区段，间距500 mm用50 mm×50 mm×1 000 mm木条作为防滑设施。整体铺设完成后见图4。

图4　猫道断面布置

6）横向通道。猫道结构整体刚度较小，对风作用非常敏感。空气静力失稳主要是由于横向通道之间的猫道床面在风力作用下发生过大的扭转变位而致［3］。横向通道的设置能够增大猫道的抗风稳定性。主缆施工需要横向对拉成形，加劲梁采用缆索吊机施工前需要进行试吊。若设计横向通道，主缆对拉前要将其拆除，施工繁琐并与缆索吊机试吊时的主索空间位置上冲突。放置在桥位附近设置的风速仪经过几年的观测发现，该区域风速很小。猫道自身的刚度能够满足抗风的需要。综合考虑多方面因素，猫道设计中不添加横向通道。

7）猫道锚固体系。猫道为三跨连续式，承重索通过东西两侧的锚固系统锚固在预埋件上，通过调节螺杆调整承重索的长短。在东侧两个锚锭的端墙主缆出口下方1.2 m的位置布设预埋件，横向中心距2.1 m，按主缆中心线对称预埋。西侧岩锚同样布置预埋件进行猫道承重索的锚固，见图5。

图5　猫道锚固体系

8）塔顶转索鞍。塔顶猫道承重钢丝绳固定在主索鞍两侧的承重索索鞍上，上下鞍槽由5 cm钢板精加工而成，使用8.8级高强螺栓连接，压紧钢丝绳，控制钢丝绳在塔顶的水平移动，见图6。

图6　承重索塔顶固定装置

2.3猫道的计算

常用的索结构线形计算理论有抛物线理论和分段悬链线理论。其中抛物线理论假设猫道受均布荷载的作用，是一种较实用的方法，悬索桥在跨度不大的情况下采用［4］。本项目采用抛物线理论对猫道的无应力长度进行计算。

南北两侧跨中猫道挠度，4个边跨跨长、挠度均不相等，所以需要对以上6跨应用公式S=S1-△S=L别进行计算。

式中：S为无应力索长；S1为计入弹性变形后的索长；△S为承重索的弹性伸长量；L为猫道承重索跨度；f为猫道承重索跨中挠度；H为猫道承重索水平张力；C为两支点高差。

不同跨相应参数取值见表1，得出北侧连续式猫道无应力长度为553.9 m，南侧连续式猫道无应力长度为613.8 m。

表1　南北侧跨猫道无应力长度计算参数

对猫道承重索进行静力结构强度验算和风荷载组合结构强度验算，见表2。

表2　猫道计算荷载组合

经过计算分析可以得到，在表2的不同荷载组合下，承重索的安全储备均满足要求。

3　猫道施工

3.1猫道架设

3.1.1猫道承重索架设

在猫道承重索架设之前，应将钢丝绳按理论计算长度，做好标记并将猫道承重索的一端固定在东锚锭猫道锚固件上，另一个端头则与西锚锭卷扬机的钢丝绳相连并同时将东锚锭反牵引卷扬机φ10 mm钢丝绳固定，收紧西岸卷扬机，将承重索牵引至东塔顶，用撬棍辅助两根钢丝绳的接头，越过门架顶端的滚轮，调节两台卷扬机的收放速度，缓慢向西岸牵引；在钢丝绳连接头越过东塔约80 m时，东锚锭的另两台卷扬机，交替反牵住承重钢丝绳，防止钢丝绳向峡谷底部下滑。第一根承重索架设完成后，用同样的方法架设其余承重索至完成猫道承重索的架设。

3.1.2猫道面层铺设

猫道线形调整到位后，开始架设猫道面层，在塔顶处，利用吊车将所需物资吊上塔顶，在塔顶施工平台上，铺设猫道横梁和面网并通过塔底的反牵卷扬机下放，直至跨中，对中间较平缓位置不能自由到达的地方，则通过对岸牵引卷扬机辅助牵引到位。猫道面层牵引到位后，从塔顶向两侧开始固定猫道面网，安装扶手、扶手绳，绑扎防滑木条等附属构筑物。

3.2猫道线形调整

主缆在西侧桥塔横向中心距为45 m，在东侧桥塔横向中心距为50 m，在桥梁跨中位置变为9.14 m。主缆空缆架设完成后近于平行状态，根据索夹安装和钢箱梁架设需要，要对主缆进行水平偏移，使得两根主缆水平方向的线形接近于成桥线形。施工中，在索夹及吊索安装完成后，对主缆1/4、1/2、3/4处分别施加横向对拉力，完成主缆横向偏移，而主缆由平面索向空间索做转换时，猫道也随同主缆横向偏移，此时猫道成折线形。在随后的吊索张拉过程中，通过吊索张力的施加和主梁节段的吊装，调整主缆线形，使其达到成桥状态，猫道也随着主缆变化，过程中要注意猫道向横桥向内侧倾斜时的调整及猫道改吊钢丝绳绕索夹的转动。