自锚式悬索桥猫道架设对主塔的影响分析

岳云龙

(沈阳市市政工程设计研究院有限公司 沈阳市 110015)

1 工程概述

沈阳市东塔跨浑河桥位于沈阳浑河城市段上游，王家湾桥下游2km，长青桥上游3km。工程北起沈水路，南至祝科街，全长1460m。东塔跨浑河桥为沈阳市首座自锚式悬索桥。主桥采用格构式钢桥塔及钢箱梁，极具工业特色；塔顶装饰物由沈阳东塔引申而来，造型古朴美观。工程充分融合了现代技术与历史的厚重感，展现了沈阳市的历史文化内涵和城市后工业时期的辉煌成就，与浑河两岸景观带统一协调，相得益彰。

桥梁的长度及孔径布置，经综合考虑相交道路的跨越需求、河道的过水断面、桥梁的结构形式及工程造价等因素后确定。主桥为全钢结构自锚式悬索桥，跨径布置为40+90+220+90+40=480m，为半漂浮体系，主缆垂跨比为1/5.5，两桥塔好似巨人肩膀，肩负老城、新区共同发展的美好愿望[1]，工程效果图如图1所示。洪水位以上主塔采用钢结构，洪水位以下采用钢筋混凝土结构，主桥在塔柱位置设置观光平台。

图1 沈阳市东塔跨浑河桥效果图

2 缆索系统设计

主缆架设采用预制平行钢丝索股法(PPWS)施工[2]，每根主缆共有19股索股，每根索股由127根直径为5.0mm的高强度镀锌钢丝组成，钢丝标准抗拉强度为1770MPa。主缆同时承担检修走道作用。主缆断面如图2所示。

图2 主缆断面图

工程采用销接吊索，吊索上端采用叉耳与索夹相连，下端采用锚头、球形螺母与主梁上的锚垫板连接，通过螺母调吊索长度，吊索采用Φ15.2环氧喷涂钢绞线，单根聚乙烯护套防护，整束缠包高强聚酯带再挤包聚乙烯护套。所有吊索采用同一种截面，每个吊点设置1根吊索。主梁吊索的钢导管出口处填充橡胶减震器，钢导管外设置防水罩。

主索鞍下部设置混凝土段，塔顶设有主索鞍座板，以安装主鞍座。主鞍座底座要求表面平整并具有足够的竖向弯曲刚度，故采用铸钢整体铸造成纵横向格构形式。主鞍座底座底板设混凝土振捣孔，吊装并准确定位后与塔顶底座承台混凝土浇注为一体。

主索鞍底座与塔顶之间用锚栓紧紧锚固在一起，索鞍顶推到位调整好后，用成桥锁定板将鞍体与座板锁死。为顶推索鞍设置的反力架，用预应力钢绞线紧紧锚固在塔顶，并通过角钢与垫块支撑在塔壁上,施工完成后，将反力架拆除。

3 桥塔设计

桥塔采用钢混结合形式。从上至下分别由塔顶装饰物、主索鞍鞍罩、拱式横梁、格构式桥塔及混凝土底座组成。其中除主塔塔座为混凝土结构外，其余均为钢结构。塔底承台高程为37.960m，桥塔的总高为66.623m，桥塔横桥向中心间距36m。拱式横梁为箱型截面。桥塔主体结构全部采用Q345D钢材。桥塔立面如图3所示。

图3 桥塔立面图

(1)混凝土塔座

桥塔混凝土塔座高度12.0m(不包括1.7m混凝土与钢塔柱连接部分),采用空心箱形截面。塔座上部(7m范围)平面尺寸为7.2m(纵桥向)×6.6m(横桥向)，为空心箱形截面，壁厚1m。塔座下部(5m)平面尺寸为7.8m(纵桥向)×7.2m(横桥向)，为空心箱形截面，壁厚1.3m。全桥共4个塔座，采用C50混凝土。在底部1.7m范围为钢柱与混凝土塔座结合处。精轧螺纹钢筋预埋在混凝土塔座内，穿过设置在混凝土塔座顶承压钢垫板。在锚固段内每个钢柱顶部的内外侧均设置若干道支撑加劲肋，精轧螺纹钢筋施加预应力后锚固在钢垫板上。

(2)格构式桥塔

格构式架塔柱由四根钢柱及柱间缀条组成，高度为47.663m。沿高度方向划分为五个节段，节段长度约为10m，节段之间的现场连接采用焊接的方式。

塔柱钢柱之间横桥向中心距离为3.4m，顺桥向为4.0m。各个钢柱截面为内侧设置板式加劲肋的箱形截面。钢柱设置牛腿,用于放置支座及阻尼设施。牛腿将四个钢塔柱联成整体。牛腿根部截面高度为3.0m，悬臂处截面高度为2.0m。主塔观光平台尺寸为横桥向8.5m，纵桥向6.0m。平台最大截面高度为1.058，最小截面高度为0.55m。

主塔塔顶横梁为钢箱结构。上弦钢箱截面为矩形截面。顶底宽4.0m，高1.3m。下弦钢箱中心线为椭圆曲线，呈拱形造型。钢箱截面为矩形截面，宽4.0m，高0.9m。

鞍罩结构由立柱、侧板、顶板及鞍座下混凝土段组成，总高度为6.96m，立柱高度为6.94m。下部3.263m范围为索鞍底座部分。在鞍座底座范围内灌注C50补偿收缩混凝土。鞍罩底座部分由下部2.0m高度钢格栅和1.263m高的C50钢筋网混凝土组成。与混凝土接触的钢格栅内设置剪力钉。

4 猫道设计

猫道应根据悬索桥的跨径、主缆线形、施工环境条件等因素进行专门设计[3]。本工程单幅猫道设6根Ф26钢芯镀锌钢丝绳猫道承重索，采用三跨连续式布置形式。猫道总体结构及细部构造如图4、图5所示。

图4 猫道总体示意图

图5 猫道与主索鞍连接细部构造图

猫道每侧每4m设置一栏杆立柱，用以固定扶手索。猫道扶手索采用Ф16镀锌钢丝绳，栏杆索采用Ф10镀锌钢丝绳。塔顶设置紧固装置，紧固装置采用两块钢板组成，钢板厚度分别为20mm和30mm，索鞍罩内猫道承重索夹板下设置三组I20a工字钢，工字钢长800mm，工字钢与索鞍罩之间进行焊接，焊脚尺寸为8mm；承重索夹板与工字钢之间亦进行焊接，承重索夹板尺寸为300mm×400mm，焊脚尺寸为8mm。

5 计算分析

5.1 荷载参数

(1)结构自重：钢材容重78.5kN/m3。

(2)猫道荷载：猫道荷载考虑猫道恒载、动载、风荷载，合计F=152kg/m；折算成钢丝绳截面应力为110MPa。

5.2 主塔模型建立

根据桥塔及索鞍罩和猫道塔顶锚固装置设计图，采用MIDAS有限元分析软件建立模型如图6所示，桥塔Q345D钢材模型采用板单元模拟。

图6 有限元模型

5.3 主塔计算分析结果

经计算分析，桥塔应力及变形结果如图7～图9及表1所示。

图7 桥塔正应力计算结果

图8 桥塔剪应力计算结果

图9 桥塔表性计算结果

表1 主塔计算分析结果[4]

5.4 主索鞍鞍罩计算分析结果

经计算分析，主索鞍鞍罩应力及变形结果如图10～图12及表2所示。

5.5 猫道细部连接分析结果

图10 主索鞍鞍罩正应力计算结果

图11 主索鞍鞍罩剪应力计算结果

图12 主索鞍鞍罩变形计算结果

表2 主索鞍鞍罩计算分析结果

经计算分析，猫道细部连接应力及变形结果如图13～图15及表3所示。

图13 猫道细部连接正应力计算结果

图14 猫道细部连接剪应力计算结果

图15 猫道细部连接变形计算结果

表3 猫道细部连接计算分析结果

5.6 稳定分析结果

索鞍罩及钢塔在猫道荷载作用下，屈曲临界荷载系数最小为4.20>4，如图16所示。在桥塔缀件施工完成前应对桥塔位移进行监控测量。

图16 稳定计算结果

6 结语

通过本文的介绍，希望能为类似自锚式悬索桥猫道设计施工提供更多的设计和研究的经验：

(1)东塔跨浑河桥在桥塔缀件未施工完成时架设猫道对主索鞍鞍罩的强度影响大于对桥塔的影响，塔顶主索鞍板厚设计时应充分考虑此因素。

(2)本工程采用的6根Ф26钢芯镀锌钢丝绳为承重索的猫道形式，能够满足施工需求。

(3)在桥塔缀件施工完成前应对桥塔位移进行监控测量。