大跨悬索桥猫道改吊影响效应分析

陈 翔， 陈双庆， 王 迟

(1.湖南路桥建设集团有限责任公司， 湖南 长沙 410004； 2.湖南文理学院， 湖南 常德 415000；3.湖南省交通科学研究院有限公司, 湖南 长沙 410000)

目前悬索桥在大跨度桥梁中应用广泛，施工技术成熟[1-2]。悬索桥主缆施工主要采用空中编缆法(AS法)，而AS法主缆施工过程中猫道是不可或缺的工作平台[3-4]。待主缆安装完毕进行加劲梁的安装时，由于主缆的大位移效应，需将猫道进行改吊，改吊后猫道重量由主缆直接承受，间接影响整个上部结构的施工[5-6]。

本文以重庆某在建大跨悬索桥为背景，分析猫道改吊后的主缆变形和受力情况，研究猫道改吊对上部结构施工的影响规律。此研究对后续大跨悬索桥的施工控制，尤其是猫道设计和验算具有较大借鉴意义。

1 工程概况

以重庆某在建大跨悬索桥为背景，跨径布置为(205+739+221)m，全长1165m。主缆成桥设计垂度为82.111m，设计矢跨比为1/9，上、下游主缆横向中心距为32.5m，桥型布置立面图见图1。

该悬索桥采用连续式猫道布置方式，理论跨径布置为(200.6+739+216.9)m，猫道均设置于上、下游各主缆中心线正下方，猫道横断面宽4m。设计空载状态下猫道垂度为74.466 8m，矢跨比为1/9.92，猫道主体布置见图2和图3。

图1 主桥布置立面图(单位： cm)

图2 猫道布置立面图(单位：cm)

图3 猫道断面图(单位：cm)

2 猫道改吊简述

在主缆安装完毕后、加劲梁安装前，由于主缆的大位移效应，一般将猫道改吊至主缆索股上；在主缆索股附属设施及防护缠丝等全部施工完成后，再对猫道进行全面拆除。

猫道改吊的过程一般可总结如下：首先拆除其风缆抗风系统，随后为保证后期缆索吊机的顺利运营，对猫道横向联系通道进行拆除。改吊后的猫道自重及猫道上所有荷载均可直接或间接等效为主缆所承受的竖向力，且猫道与主缆索股协同变形，所以猫道荷载全对施工过程中的主缆线形产生影响，故在施工或设计过程中应对猫道改吊效应进行考虑。

3 仿真计算模型建立

根据该大跨悬索桥设计及施工资料，利用有限元软件Midas Civil在整个施工流程建立结构仿真计算分析模型。桥梁施工流程见表1，猫道建模参数见表2。分别对考虑和不考虑猫道改吊效应的全桥进行结构受力及变形计算，重点分析主缆的受力和变形情况，研究猫道改吊对主缆受力行为的影响规律，以便更好地指导施工。

表1 全桥施工简化流程一览表施工步骤施工内容1主缆索股空缆架设2结构猫道的改吊3安装主缆竖向吊杆4按节段S1、N1至S26、N26顺序安装5按节段S30、N30至S27、N27顺序安装6二期至成桥

表2 猫道计算参数表构件单元类型弹性模量/MPa泊松比主缆1770索单元205 0000.3吊索1670索单元205 0000.3加劲梁梁单元206 0000.3主塔梁单元34 5000.2线膨胀系数容重/(tonf·m-3)截面面积/m20.000 01278.5000.194 680.000 01278.5000.003 020.000 01278.500—0.000 0102.549—

根据猫道改吊各荷载数据资料计算分析可知，猫道结构自重集度为926.91N/m(未计入猫道横向通道荷载)，根据猫道改吊后与主缆的节点连接方式将猫道荷载按集中力施加至主缆连接节点处，结构受力分析加载模型见图4。

图4 结构受力分析加载模型图

4 猫道改吊效应分析

分别按是、否考虑猫道改吊效应建立对应的仿真分析计算模型，模型中通过改变施工阶段参数研究猫道改吊对主缆荷载的影响，对全桥结构在所有施工阶段进行结构受力及变形计算，并对比分析猫道改吊效应对全桥结构受力性能的影响。猫道改吊对各施工阶段南北两岸各桥塔主索鞍预偏量的影响分析见表3。

表3 猫道改吊效应对各桥塔主索鞍预偏量影响分析表 m施工阶段编号施工阶段内容南桥塔主索鞍北桥塔主索鞍考虑猫道改吊效应不考虑猫道改吊效应考虑猫道改吊效应不考虑猫道改吊效应1主缆架设1.19 1.19 -1.02 -1.02 2猫道改吊施工1.16 —-1.00 —3主缆吊杆安装1.12 1.16 -0.96 -1.00 4节段S1、N1安装0.95 0.97 -0.82 -0.84 5节段S2、N2安装0.84 0.85 -0.73 -0.74 6节段S3、N3安装0.76 0.76 -0.67 -0.67

续表3 猫道改吊效应对各桥塔主索鞍预偏量的影响分析表 m施工阶段编号施工阶段内容南桥塔主索鞍北桥塔主索鞍考虑猫道改吊效应不考虑猫道改吊效应考虑猫道改吊效应不考虑猫道改吊效应7节段S4、N4安装0.70 0.70 -0.61 -0.62 8节段S5、N5安装0.65 0.65 -0.57 -0.58 9节段S6、N6安装0.60 0.61 -0.53 -0.54 10节段S7、N7安装0.57 0.57 -0.50 -0.51 11节段S8、N8安装0.53 0.54 -0.47 -0.48 12节段S9、N9安装0.50 0.51 -0.45 -0.45 13节段S10、N10安装0.47 0.48 -0.42 -0.43 14节段S11、N11安装0.44 0.45 -0.39 -0.41 15节段S12、N12安装0.42 0.43 -0.37 -0.38 16节段S13、N13安装0.39 0.41 -0.35 -0.36 17节段S14、N14安装0.37 0.38 -0.33 -0.34 18节段S15、N15安装0.35 0.36 -0.31 -0.32 19节段S16、N16安装0.33 0.34 -0.29 -0.30 20节段S17、N17安装0.31 0.32 -0.28 -0.29 21节段S18、N18安装0.29 0.30 -0.26 -0.27 22节段S19、N19安装0.28 0.29 -0.25 -0.26 23节段S20、N20安装0.26 0.27 -0.23 -0.24 24节段S21、N21安装0.25 0.26 -0.22 -0.23 25节段S22、N22安装0.23 0.25 -0.21 -0.22 26节段S23、N23安装0.22 0.23 -0.20 -0.21 27节段S24、N24安装0.21 0.22 -0.19 -0.20 28节段S25、N25安装0.20 0.21 -0.18 -0.19 29节段S26、N26安装0.19 0.21 -0.17 -0.18 30节段S30、N30安装0.19 0.20 -0.17 -0.18 31节段S29、N29安装0.18 0.20 -0.16 -0.18 32节段S28、N28安装0.18 0.20 -0.16 -0.18 33节段S27、N27安装0.18 0.19 -0.16 -0.17 34成桥-0.01 0.00 0.01 0.00

根据表3数据绘制猫道改吊效应对全桥各施工阶段主索鞍预偏量的影响对比曲线，见图5和图6。

图5 猫道改吊对南塔主索鞍预偏量影响曲线图

图6 猫道改吊对北塔主索鞍预偏量影响曲线图

猫道改吊效应对主缆中跨垂度及最大索力的影响如表4所示。根据表4中数据绘制出猫道改吊效应对全桥各施工阶段主缆最大索力及中跨垂度的影响对比曲线，见图7和图8。

表4 猫道改吊效应对主缆中跨垂度及最大索力影响表施工阶段编号施工阶段最大索力/kN中跨跨中垂度/m考虑猫道改吊效应不考虑猫道改吊效应差值考虑猫道改吊效应不考虑猫道改吊效应差值1主缆架设16 789.6216 789.620.000.000.000.002猫道改吊施工17 154.42—— 0.15——3主缆吊杆安装19 873.8117 155.42-2 718.40-0.16-0.150.014节段S1、N1安装23 884.5921 176.29-2 708.30-4.73-4.96-0.235节段S2、N2安装27 841.9125 165.21-2 676.70-6.65-6.93-0.286节段S3、N3安装31 768.6129 120.51-2 648.10-7.49-7.72-0.237节段S4、N4安装35 606.5432 981.54-2 625.00-7.84-8.03-0.19

续表4 猫道改吊效应对主缆中跨垂度及最大索力影响表施工阶段编号施工阶段最大索力/kN中跨跨中垂度/m考虑猫道改吊效应不考虑猫道改吊效应差值考虑猫道改吊效应不考虑猫道改吊效应差值8节段S5、N5安装39 337.9736 728.82-2 609.15-7.98-8.11-0.129节段S6、N6安装42 952.7740 361.35-2 591.42-8.06-8.12-0.0610节段S7、N7安装46 460.7743 880.39-2 580.38-8.12-8.15-0.0311节段S8、N8安装49 871.9547 299.61-2 572.34-8.20-8.21-0.0112节段S9、N9安装53 195.4750 630.75-2 564.72-8.28-8.270.0113节段S10、N10安装56 430.1353 871.97-2 558.16-8.36-8.340.0214节段S11、N11安装59 577.1257 025.70-2 551.42-8.41-8.380.0315节段S12、N12安装62 631.1760 086.93-2 544.24-8.43-8.400.0316节段S13、N13安装65 584.8263 048.21-2 536.61-8.42-8.380.0417节段S14、N14安装68 429.8065 901.13-2 528.67-8.38-8.340.0418节段S15、N15安装71 157.9968 637.39-2 520.60-8.30-8.260.0519节段S16、N16安装73 761.9471 249.37-2 512.57-8.20-8.150.0520节段S17、N17安装76 238.4773 730.26-2 508.21-8.06-8.010.0521节段S18、N18安装78 574.4476 077.25-2 497.19-7.92-7.850.0622节段S19、N19安装80 768.1778 278.23-2 489.95-7.75-7.680.0723节段S20、N20安装82 814.7280 331.65-2 483.07-7.58-7.500.0824节段S21、N21安装84 709.3482 232.76-2 476.58-7.40-7.320.0825节段S22、N22安装86 447.3183 976.83-2 470.48-7.21-7.120.0926节段S23、N23安装88 023.7885 559.02-2 464.77-7.03-6.930.0927节段S24、N24安装89 433.7386 974.26-2 459.46-6.85-6.750.1028节段S25、N25安装90 671.7088 217.11-2 454.59-6.68-6.570.1029节段S26、N26安装91 733.2789 283.23-2 450.03-6.51-6.400.1130节段S30、N30安装92 608.8290 162.66-2 446.17-6.37-6.260.1131节段S29、N29安装92 869.8690 399.86-2 470.01-6.30-6.180.1232节段S28、N28安装92 935.3690 492.81-2 442.55-6.31-6.200.1233节段S27、N27安装93 420.0890 976.59-2 443.50-6.23-6.110.1234成桥120 293.81117 936.58-2 357.23-7.58-7.460.12注:以空缆线形为基准,下挠为“-”,上挠为“﹢”。

图7 猫道改吊效应对主缆最大索力影响曲线图

图8 猫道改吊效应对主缆中跨垂度影响曲线图

5 结论

本文借助Midas Civil软件分析了猫道改吊对结构施工过程中各桥塔主索鞍的预偏量、主缆最大索力和主缆中跨垂度的影响效应，具体结论总结如下：

1)在猫道改吊效应影响下，各施工阶段的桥塔塔顶主索鞍预偏量呈减小趋势，但幅度不大，实际工程可忽略。

2)在猫道改吊效应影响下，主缆各施工阶段最大索力也随之增长，但增量呈逐渐减小趋势，最大增量为2718.40kN，出现在主缆吊杆安装施工阶段。

3)在猫道改吊效应影响下，随着施工阶段的推进，主缆中跨垂度呈先减小后增大的趋势，最大差值达0.28m，出现工况为节段S2、N2安装。