海峡悬索桥猫道设计与静力稳定性分析

2024-06-23薛杰

居业 2024年5期

摘要：猫道为大跨径悬索桥上部结构施工必备的临时结构，其设计架设质量对主缆最终线性有着决定性的影响。本文重点系统介绍空间主缆形式猫道的设计，利用有限元分析软件对猫道整体静力稳定性进行分析，为同类海峡大跨度悬索桥猫道设计施工提供借鉴参考。

关键词：悬索桥；猫道设计；仿真分析文章编号：2095-4085（2024）05-0123-03

0引言

哈罗格兰德特大悬索桥位于挪威北部纳尔维克的奥福特峡湾，全长1 621.2m，主跨1 145m，主桥为钢箱梁桥面，桥面宽度15.42m，索塔呈“A”字形，两侧主塔分别高172m和175m，悬索桥主缆首次采用空间缆形式，平面投影呈“外八字+卵型+外八字”，两岸分别设有一对隧道式锚碇。

结合本项目特大悬索桥具体特点及业主指定主缆架设工艺，尤其针对塔顶净宽尺寸的限制，经综合比较，确定哈罗格兰德特大悬索桥采用三跨分离式猫道结构形式，以灵活调整中边跨猫道线性，减少转索鞍等临时锚固设施，保证主索鞍安装、顶推施工所需空间。

1重难点分析

1.1猫道形式布设分析

针对双塔悬索桥，猫道设计通常分为连续式布设和分离式布设两种形式。本项目主跨达1 145m，考虑到承重索的架设难度以及便于调整称重索在空缆和称重受力情况下的线形，本项目采用三跨分离式猫道设计。

1.2猫道门架设计分析

门架作为猫道设计中重要的结构，为猫道承重索和门架称重索提供整体受力刚度，其结构形式的选择对后期猫道受力分析及施工均有着重要的影响。

门架设计之初必须要考虑紧缆机结构尺寸、施工人员的操作空间、主缆拖轮布设及安全防护设施等因素，同时要结合猫道整体刚度及稳定性。本项目跨中主缆在顶推到设计位置之前，呈平行状态，其中心间距为3.16m，而南北边跨主缆则呈“外八字布设”，从而产生中边跨门架结构设计形式不能统一的问题。若将中跨猫道设计为与边跨结构尺寸一致的独立门架，猫道整体刚度和抗风刚度不能得到最佳效果，主跨猫道整体稳定性也将受到影响。

为了使猫道门架受力更加均匀，增加主跨猫道的整体刚度，提升主跨猫道的整体稳定性，减少机械连接件，本项目考虑将跨中猫道门架设计为宽度为7.6m的整体式门架，可同时为上下游主缆施工提供操作平台。

1.3特殊荷载分析

本项目地处北极圈，每年11月到第二年4月份为雪季，因此在猫道设计之初需要特别考虑雪荷载所带来的影响。

查阅当地相关类似项目的资料，可知雪季较长，当地经常采用人工加大型机械设备清除地面积雪及结冰。而雪季期将处于停工状态，需要人员定期清除积雪及结冰，而猫道属于高空作业，不适于用大型机械对处于基本满荷状态的积雪进行清扫，因此需要结合积雪特征，从猫道面网材料特性、面网网格间距、侧网雪阻系数及融雪措施等方面进行设计考虑。

2猫道整体设计

哈罗格兰德悬索桥猫道设计采取三跨分离式猫道，跨径布置形式：（250.94+1 145.00+225.26）m。由于本桥主缆线性呈空间状态：即主缆平面线性投影在两侧边跨呈“外八字”形布设，而在中跨平面投影呈卵形布设。

南北岸边跨主缆平面投影线性呈“外八字形”布设，因此从主塔开始将猫道按照主缆平面线性设置为独立式猫道，并在各自中央部位设置横向通道及制振系统，保证其整体刚度及静力稳定性，同时减小猫道在活荷载作用下的振动。

2.1猫道结构设计

2.1.1猫道承重索及扶手索

中跨猫道采用12根φ54的镀锌钢丝绳作为承重绳，布置间距：（2×0.525m+1.1m+5×0.525m+1.1m+2×0.525m）；边跨猫道采用6根φ54的镀锌钢丝绳作为承重绳，布置间距：（2×0.525m+0.9m+2×0.525m）。扶手绳为2根φ32的钢丝绳，栏杆绳为2根φ16的钢丝绳。

2.1.2猫道面层

猫道面层由承重网、步行网及防滑方木组成。承重网为Φ7直径，50mm×70mm；步行网为Φ2直径，25mm×25mm；侧网为Φ5直径，50mm×100mm。方木加劲条30mm×50mm×1 200mm，间距50cm。面网与方木用骑马钉连接，方木与沉重绳用14#铁丝绑扎，相邻面网及栏杆网之间搭接用14#铁丝缠绕并焊接，面网与栏杆网之间用14#铁丝连接。

2.1.3猫道门架

根据猫道线性及结构特点，现将中跨门架拟定为整体门架，中跨门架高7.0m，宽度7.6m，采用4根φ54的镀锌钢丝绳作为承重绳。

南北边跨门架高7.0m，宽4.2m，采用2根φ54的镀锌钢丝绳作为承重绳；每间隔50m设置一道门架，门架型钢采用国内钢材型号：Q235方钢。

2.1.4横向通道

边跨横向通道采用矩形截面形式，分两节拼装。在中跨位置设置双销钢，总长14.584m、高1.120m、宽1.320m。上下弦杆均采用120×120×4mm方钢，走道钢管采用50×50×2.5mm方钢，其余杆件均采用┖70×6mm角钢。

2.1.5猫道锚固体系

（1）猫道锚固。塔顶施工牛腿采用预埋精轧螺纹钢对拉，锚固梁采用28mmQ345C钢板焊接为方口钢，其尺寸为650mm×550mm，采用φ85mm40Cr拉杆进行连接；限位架采用440mm双槽钢。南北岸锚碇为隧道锚，因此采用横向约束装置和定向滑轮将6根平行称重索均匀分散至隧道锚内侧，连接预埋在隧道锚底部的锚固装置。

（2）猫道锚固梁设计计算。根据猫道锚固系统设计图，利用midas/civil进行三维实体模拟分析，经验算猫道锚固梁结构强度能够满足要求。

2.2猫道抗风设计

根据前期收集的相关资料可知，本项目处于奥福特峡湾，每年4～7月份风力达8～9级，因此必须对猫道进行静力缆索设计，以提高其自身刚度及静力稳定性。经多种静力缆索布设方案对比后，现确定将静力缆索平面投影设计为由跨中向主塔渐变宽的对称弧线形，静力缆索端部锚固于主塔承台，参照门架间距布设，用下拉索与静力缆索垂直连接，静力缆索及下拉索分别采用Ф36和Ф14镀锌钢丝绳［1］。

2.3猫道整体稳定性验算

2.3.1猫道整体稳定性计算原则

（1）猫道垂度要符合主缆在无应力状态下的施工作业要求，即猫道面的线性应符合主缆在无应力状态下的线性，以确保主缆最终的成形质量。

（2）由于猫道贯穿于整个上部结构的施工过程，因此在安全上应保证足够的强度和静力稳定性。

（3）作为施工临时措施，应最大限度减小对其它结构产生（如塔顶偏移）的附加变形或者影响，应最大限度减轻自重及减小迎风面积。

（4）猫道系统本身要尽量做到构造简单，架设调整和拆除方便，节约临时工程的作业时间及机械材料的周转费用。

（5）猫道面层与主缆中心丝股的高差≥1.4m，以保证丝股在滚筒之上［2］。

2.3.2猫道整体重要参数（见表1）

猫道整体重要参数如表1所示。

2.3.3设计荷载种类

（1）静荷载计算项目（见表2）。

（2）活载计算项目

a.主缆索股重量，按照每副猫道放置一根丝股计算，单位长度重量=28.27kg/m。

b.每70kg/人20m=3.5kg/m。

c.横向通道活荷载，横向通道每条考虑堆放施工机具等按1 000kg计。

（3）雪荷载

考虑到本项目地处北极圈，每年11月到第二年4月份为雪季，因此需要特别予以考虑雪荷载。地面雪荷载特征值sk：基于随机理论求得的年超越概率为2%的作用在地面上的雪荷载（已考虑特殊雪荷载），单位为：kN/m2。地面雪荷载的特征值sk的取值应该根据EN1990：2002，4-1，2（P7）P确定和地面雪荷载特征值定义确定［3-4］。

（4）温度荷载

设计温度20℃，依据当地气象部门多年统计资料，桥位极端最高温度为30℃，极端最低气温为-9℃，在此基础上考虑ΔT降=-29℃，ΔT升=+10℃［5-6］。

2.3.4设计荷载组合（见表3）

工况荷载组合安全系数备注

1恒载+横风荷载3.0猫道架设完成

2横风荷载+温度荷载3.0主缆架设

3活载+横风荷载+冰雪荷载2.0冰雪冻融

2.3.5猫道整体仿真分析计算

本工程中利用Midas/civil有限元软件建立有限元计算模型，将猫道承重绳按照下拉索位置离散等效为杆件单元，抗风缆索也按相同原理进行等效转化。由于猫道结构主要为缆索结构，其受力变形形态具有很强的非线性特征，因此应力等效梁的模型应考虑几何非线性的影响［7-9］。

由于中边跨比最大为5，中跨在结构整体刚度、强度及非线性特征等方面均弱于边跨，因此；为简化模型，选取中跨进行建模分析。猫道整体仿真分析模型如图1所示。

由最终计算结果可知，锚定与抗风系统在各个工况作用下，各项安全系数均满足设计指标，能够作为安全的施工平台。

3结语