珠江黃埔大橋懸索橋無抗風(fēng)纜貓道設(shè)計(jì)及其施工關(guān)鍵技術(shù)

珠江黃埔大橋懸索橋無抗風(fēng)纜貓道設(shè)計(jì)及其施工關(guān)鍵技術(shù)摘要：由于珠江黃埔橋懸索橋所跨越水道水運(yùn)交通繁忙，故設(shè)計(jì)采用無抗風(fēng)纜的貓道系統(tǒng)，本文通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)貓道的風(fēng)致振動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，利用試驗(yàn)測(cè)得的靜力三分力系數(shù)后，采用有限元法對(duì)貓道在扶手繩參與受力（工況A）及不參與受力（工況B）兩種工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果表明本設(shè)計(jì)方案符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)根據(jù)本文提出的施工工藝進(jìn)行施工指導(dǎo)，順利完成了珠江黃埔大橋懸索橋貓道系統(tǒng)的施工。關(guān)鍵詞：懸索橋；無抗風(fēng)纜貓道；風(fēng)洞試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工Thewithoutwind-resistcablesstructuredesignandconstructionofHuangpususpensionbridgecatwalksystemTANLi-xin1,2,LUOChao-yun2(1.ChangshaUniversityofScience&Technology;2.GuangdongProvincialChangDaHighwayEngineeringCo.,Ltd)Abstract:TheHuangpususpensionbridgecatwalksystemdesignusesthewithoutwind-resistcablescatwalksystem,becauseitsacrossthebusywaterwaywaterwaytransportation.Inthisarticle,wethroughwindtunnelteststostudythestabilityofwind-inducedvibrationofthecatwalks,thenusethetestmeasuredstaticaerodynamiccoefficientscheckingthestructuralstrengthundertwokindsofworkingconditions,operatingmodeA-catwalktoparticipateintheropesoftheforceandoperatingmodeB-notparticipateintheforce,whichisusingthefiniteelementmethod.Theresultsshowthatthisdesignmeetsthedesignrequirements,andaccordingtotheproposedconstructiontechnologyforconstructionguidance,wesuccessfullycompletedthecatwalksystemofHuangpususpensionbridgeconstruction.Keywords:suspensionbridge;catwalksystemwithoutwind-resistcables;windtunneltests;structuredesignandconstruction1概況珠江黃埔大橋是國(guó)道主干線廣州繞城公路東段跨越珠江的控制工程。南汊主橋?yàn)?90+1108+350m單跨懸索橋，矢跨比1：10。貓道（CatWalk）是大跨徑懸索橋施工必備的臨時(shí)結(jié)構(gòu)，為主纜架設(shè)、索夾和吊索安裝、鋼箱梁吊裝、主纜防護(hù)等提供施工操作平臺(tái)、材料及工具運(yùn)輸通道，其使用從始至終貫穿整個(gè)懸索橋上部構(gòu)造安裝施工過程，使用周期長(zhǎng)，必然經(jīng)過各種自然災(zāi)害天氣的考驗(yàn)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要考慮抗風(fēng)穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)安全，確保施工安全。2施工貓道參數(shù)根據(jù)貓道設(shè)計(jì)資料，貓道線形平行于主纜空纜狀態(tài)時(shí)的中心線，在架設(shè)鋼箱梁之前，將貓道懸掛于主纜之下，并放松貓道承重鋼絲繩兩端的錨頭，貓道抗風(fēng)穩(wěn)定不利狀態(tài)為架梁之間施工主纜階段[1-2]。貓道面層距主纜空載中心線形下方1.5m，寬4m。貓道設(shè)計(jì)采用三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，跨徑與橋型布置相同。貓道面長(zhǎng)約1790m。見下圖：圖1貓道布置圖每條貓道承重結(jié)構(gòu)由8根φ48面層承重鋼絲繩及2根φ48門架支承鋼絲繩組成，面層承重繩和門架支承繩之間通過貓道門架及門架斜拉繩聯(lián)系形成空間結(jié)構(gòu)。貓道扶手為2根φ36鋼絲繩，不考慮參與承重受力。兩條貓道間共設(shè)10道橫向天橋，其中北邊跨1道，中跨7道，南邊跨2道，間距149m。貓道面層由承重網(wǎng)、步行網(wǎng)及防滑方木組成。由于珠江黃埔橋所跨越水道水運(yùn)交通繁忙，故貓道系統(tǒng)不設(shè)抗風(fēng)纜繩。水平橫向抑振主要由橫向天橋及天橋兩側(cè)交叉鋼絲繩組成。貓道繩索參數(shù)如下：（a）貓道承重繩單條貓道采用8×36SW+IWR線接觸Φ48鋼絲繩8根，GB/T8918-1996，彈性模量Es=120000MPa，強(qiáng)度級(jí)別1960MPa，最小破斷力1560kN，近似重量10kg/m。單根承重索金屬面積Ai＝0.001142m2。（b）門架支承索單條貓道采用8×36SW+IWR線接觸Φ48鋼絲繩2根，GB/T8918-1996，彈性模量Es=120000MPa，強(qiáng)度級(jí)別1960MPa，最小破斷力1560kN，近似重量10kg/m。單根承重索金屬面積Ai＝0.001142m2。（c）貓道扶手繩單條貓道采用6×37SW+IWR線接觸Φ36鋼絲繩2根，彈性模量Es=120000MPa，強(qiáng)度級(jí)別1870MPa，最小破斷力773kN，近似重量4.94kg/m。單根承重索金屬面積Af＝0.000615m2。風(fēng)速參數(shù)：根據(jù)設(shè)計(jì)單位所提供的設(shè)計(jì)資料，橋位處水面開闊，橋位處地表粗糙度應(yīng)為A類與B類地表粗糙度類別之間，取地表粗糙度系數(shù)α為0.14。橋位基本風(fēng)速按6級(jí)風(fēng)V0=13.0m/s。橋址區(qū)離地面20m高處100年一遇10min平均最大風(fēng)速為Vs20＝41.4m/s。施工階段取20m高處30年一遇度處的平均風(fēng)速為38.1m/s。3貓道抗風(fēng)穩(wěn)定試驗(yàn)為了確保貓道能順利度過珠江口臺(tái)風(fēng)期，必須對(duì)貓道進(jìn)行抗風(fēng)穩(wěn)定及風(fēng)洞試驗(yàn)。利用有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非線性分析，以及利用風(fēng)洞試驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)定貓道三分力系數(shù)，從而通過計(jì)算分析獲得貓道上風(fēng)荷載響應(yīng)及評(píng)價(jià)其風(fēng)致振動(dòng)穩(wěn)定性[3]。貓道節(jié)段模型取縮尺比為1/10，剛體節(jié)段模型長(zhǎng)度取1.200m。繩索以及貓道面層木條均采用相應(yīng)尺寸的鋼條代替于模型中，鋼絲網(wǎng)采用相同孔隙率的鋼絲網(wǎng)。試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ-2號(hào)風(fēng)洞中進(jìn)行。測(cè)力系統(tǒng)由五分量應(yīng)變天平、供橋直流穩(wěn)壓電源和數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)組成。試驗(yàn)時(shí)，模型一端與天平連接，豎直支撐，天平的根部與風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)相連，以便變換模型的試驗(yàn)攻角。試驗(yàn)風(fēng)速為Vw＝10m/s，攻角α為-20°～+20°，間隔1°。在沿橫橋向的均勻風(fēng)場(chǎng)中，模型受到的橫橋向和豎橋向的氣動(dòng)力以及氣動(dòng)扭矩。按氣動(dòng)力分解示意圖所示，把作用在模型上的氣動(dòng)力分解為互相垂直的分力FV和FH，或者FD和FL，以及力矩MT。FV為沿模型橫截面的對(duì)稱軸方向的豎向氣動(dòng)力，F(xiàn)H為橫橋向氣動(dòng)力；FD為順風(fēng)向的阻力，F(xiàn)L為升力；MT為沿橋軸向的氣動(dòng)扭矩。橫橋向氣動(dòng)力系數(shù)CH、豎向氣動(dòng)力系數(shù)CV和氣動(dòng)扭矩系數(shù)CM以及阻力系數(shù)CD、升力系數(shù)CL定義如下：式中：為來流動(dòng)壓，ρ和VW分別為空氣密度和來流速度；AH和AV為相應(yīng)的參考面積，AH＝HL，AV＝BL，L、H和B分別為模型的長(zhǎng)、高和寬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理得三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化曲線及列表如下。4貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性分析利用前面試驗(yàn)所得的靜力三分力系數(shù)，可計(jì)算得貓道所受的風(fēng)荷載。貓道在受強(qiáng)風(fēng)作用時(shí)，變位較大，該變位使得風(fēng)攻角也發(fā)生變化，因而風(fēng)載也隨之改變，因此，貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性應(yīng)是幾何非線性、非保守的。貓道的抗風(fēng)穩(wěn)定性，就其實(shí)質(zhì)而論，是索結(jié)構(gòu)在定常風(fēng)作用下的靜力穩(wěn)定問題。決定貓道結(jié)構(gòu)是否失穩(wěn)（傾覆）的主要因素是在定常風(fēng)作用在結(jié)構(gòu)上的空氣構(gòu)成的傾覆力矩能否被結(jié)構(gòu)內(nèi)力所平衡[4-5]。采用有限元法對(duì)珠江黃埔大橋施工貓道建模，對(duì)貓道在風(fēng)載組合下進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算。按照“恒載＋活載＋施工階段風(fēng)荷載”（取Vg=1.19×13=15.47m/s）及“恒載＋最大陣風(fēng)荷載組合”（取Vg=1.19×49.79=59.25m/s）組合工況，分別在扶手繩參與受力（工況A）及不參與受力（工況B）兩種工況下結(jié)果分別如下：1）“恒載＋活載＋施工階段風(fēng)荷載”（取Vg=1.19×13=15.47m/s）工況①工況A表1軸力最大的構(gòu)件單元及安全系數(shù)計(jì)算工況A單元軸力（KN）破斷力（KN）安全系數(shù)承重繩3165424.94815603.671門架繩9186520.95815602.994表2主跨單元平均軸力及安全系數(shù)計(jì)算工況A平均軸力（KN）破斷力（KN）安全系數(shù)承重繩417.82515603.734門架繩445.52515603.501②工況B表3軸力最大的構(gòu)件單元及安全系數(shù)計(jì)算工況B單元軸力（KN）破斷力（KN）安全系數(shù)承重繩3177387.79715604.023門架繩9001466.34715603.345扶手繩4001222.0427733.481表4主跨單元平均軸力及安全系數(shù)計(jì)算工況B平均軸力（KN）破斷力（KN）安全系數(shù)承重繩379.80015604.107門架繩404.50915603.857扶手繩204.9727733.7712）“恒載＋最大陣風(fēng)荷載組合”（取Vg=1.19×49.79=59.25m/s）組合工況①工況A表5軸力最大的構(gòu)件單元及安全系數(shù)計(jì)算工況A單元軸力（KN）破斷力（KN）安全系數(shù)承重繩3074388.08215604.020門架繩9186747.71915602.089表6主跨單元平均軸力及安全系數(shù)計(jì)算工況A平均軸力（KN）破斷力（KN）安全系數(shù)承重繩333.67315604.675門架繩411.86515603.788 ②工況B表7軸力最大的構(gòu)件單元及安全系數(shù)計(jì)算工況B單元軸力（KN）破斷力（KN）安全系數(shù)承重繩3074352.66815604.423門架繩9001676.03415602.308扶手繩4001347.7057732.223表8主跨單元平均軸力及安全系數(shù)計(jì)算工況B平均軸力（KN）破斷力（KN）安全系數(shù)承重繩379.80015604.107門架繩404.50915603.857扶手繩204.9727733.771從上面計(jì)算所得的的軸力分布可看出，繩索的軸力分布大體上還是理想分布，平均軸力水平也完全滿足安全系數(shù)大于3的要求。因此，貓道在橫橋向風(fēng)作用下抗風(fēng)穩(wěn)定性是安全的。5貓道施工1、貓道構(gòu)件加工貓道構(gòu)件中的承重結(jié)構(gòu)為20根承重索，委托專業(yè)廠家進(jìn)行加工，其余構(gòu)件自行加工。為減少鋼絲繩非彈性變形對(duì)索垂度變化的影響，所有承重索均進(jìn)行預(yù)張拉，然后再根據(jù)設(shè)計(jì)索長(zhǎng)下料加工。預(yù)張拉荷載為50%破斷拉力（800KN/索），保持60分鐘，并且要進(jìn)行兩次。場(chǎng)地受限制時(shí)可分段進(jìn)行。測(cè)長(zhǎng)和標(biāo)記在溫度穩(wěn)定的夜間進(jìn)行。2、錨固體系安裝貓道索通過錨固體系錨固于兩錨碇，貓道承重索、扶手索錨固于錨碇前錨室平錨塊預(yù)埋件；門架承重索錨固錨碇前錨室內(nèi)前錨塊預(yù)埋件。錨固體系由錨梁、錨箱、φ32精軋螺紋鋼等組成。錨梁與預(yù)埋件通過φ120銷軸相連，錨梁與錨箱通過精軋螺鋼相連，錨箱與貓道索開式索節(jié)通過φ90銷軸相連。安裝時(shí)先用塔吊將錨梁吊裝就位，人工通過φ120銷軸連接；錨箱與精扎螺紋鋼提前在地面連接，上方安裝弧形墊圈及二個(gè)螺母，下方用鐵線綁扎以防下滑，用錨碇塔吊將其吊裝就位，螺紋鋼先穿過錨梁，安裝弧形墊圈及二個(gè)螺母。門架承重索錨箱先不安裝，當(dāng)索節(jié)牽引就位用塔吊連接，最后連接錨箱及錨梁。由于貓道架設(shè)過程中以及成橋過程中Ⅰ、Ⅱ期恒載施加，貓道線型發(fā)生變化，需不定時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。貓道通過YC60B千斤頂、精軋螺紋鋼、錨梁和錨箱體系調(diào)節(jié)貓道索長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)貓道線型的調(diào)整。3、牽引系統(tǒng)安裝牽引系統(tǒng)主要由卷揚(yáng)機(jī)、鋼絲繩和拽拉器串接而成。牽引系統(tǒng)布設(shè)于每條主纜上方，跨越北錨碇、北塔頂、南塔頂及南錨碇之間，以實(shí)現(xiàn)由南錨向北錨牽引架設(shè)。牽引架設(shè)的對(duì)象主要有各種鋼絲繩、主纜索股。根據(jù)牽引系統(tǒng)計(jì)算，單套牽引系統(tǒng)采用25t雙筒摩擦式無級(jí)調(diào)速（3~30m/min）卷揚(yáng)機(jī)，牽引鋼絲繩全部采用直徑Φ36鋼絲繩。牽引系統(tǒng)用于貓道承重索、貓道扶手繩、貓道面層、門架承重索等牽引架設(shè)。牽引系統(tǒng)為單線往復(fù)式：主纜一側(cè)牽引系統(tǒng)之北錨、南錨各布設(shè)一臺(tái)牽引卷揚(yáng)機(jī)。其牽引系統(tǒng)鋼絲繩支承于主索鞍吊架和散索鞍吊架的滑輪組之中[6]。4、貓道承重索安裝貓道承重索和門架支承索均分三段，南邊跨由南向北牽引，北邊跨段及中跨段由北向南牽引。為了避免牽引承重索時(shí)對(duì)航道和引橋作業(yè)點(diǎn)的干擾，降低牽引力，全線均采用托架配合牽引施工。5、貓道承重索調(diào)整1）調(diào)整順序貓道承重索橫移就位后，根據(jù)監(jiān)控單位計(jì)算出空纜階段貓道承重索調(diào)整值，對(duì)承重索進(jìn)行垂度調(diào)整，調(diào)整順序?yàn)橄戎锌绾筮吙?。承重索架設(shè)完成之后，首先調(diào)整上下游外側(cè)各一根索，根據(jù)測(cè)量及監(jiān)控指令進(jìn)行調(diào)整，然后上下游其它各7根承重索的標(biāo)志點(diǎn)調(diào)整到相應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)位置上，根據(jù)第一根索的相對(duì)垂度位置進(jìn)行相應(yīng)的初調(diào)，并在索鞍內(nèi)側(cè)分別安裝兩個(gè)φ48繩夾固定，以防承重索移動(dòng)。另外每根索在塔頂掛一塊帶著卡環(huán)的鐵皮，每塊鐵皮上標(biāo)注每根索索號(hào)，從塔頂自動(dòng)滑至跨中位置處。2）調(diào)整方法①首先進(jìn)行中跨貓道承重索調(diào)整。全站儀提前測(cè)量中跨跨中點(diǎn)垂度及中跨跨徑，并測(cè)量溫度，計(jì)算出實(shí)際需要的調(diào)整量，并與監(jiān)控單位計(jì)算值比較。利用塔頂8T卷揚(yáng)機(jī)經(jīng)過滑輪組與承重索上面副繩的連接進(jìn)行索長(zhǎng)調(diào)整，用紅布做好標(biāo)記，直至滿足要求，在塔頂轉(zhuǎn)索鞍處錨固（在塔頂鞍帽內(nèi)側(cè)安裝兩個(gè)φ48繩夾固定）。②待中跨貓道承重索固定好后，進(jìn)行邊跨貓道承重索調(diào)整。邊跨調(diào)整通過錨固在錨塊錨梁上拉桿系統(tǒng)進(jìn)行，調(diào)整方法同中跨。④調(diào)整計(jì)算垂度過程中，注意邊跨塔頂處變位剛架的影響。貓道承重索標(biāo)高調(diào)整允許偏差控制在50mm以內(nèi)。6、承重索線形施工監(jiān)控1）貓道承重索的調(diào)整應(yīng)滿足要求：沿全長(zhǎng)的幾何線型符合設(shè)計(jì)線型，自由懸掛時(shí)為懸鏈線型。2）貓道線形計(jì)算：在承重索架設(shè)之前，精確計(jì)算各階段承重索的標(biāo)高和水平位置，并據(jù)些精確地計(jì)算出每條貓道承重索的理論長(zhǎng)度，列表備查。為了防止貓道承重索非彈性變形過大，影響貓道垂度調(diào)整應(yīng)根據(jù)鋼絲繩的彈性模量值計(jì)算出貓道承重索的下料長(zhǎng)度，并對(duì)新鋼絲繩進(jìn)行預(yù)張拉，消除承重索非彈性變形。3）貓道承重索架設(shè)及垂度調(diào)整：在進(jìn)行貓道承重索垂度調(diào)整時(shí)，根據(jù)其無應(yīng)力理論長(zhǎng)度，結(jié)合實(shí)測(cè)計(jì)算長(zhǎng)度，對(duì)錨固端相應(yīng)部位進(jìn)行精確調(diào)整，所得貓道承重索總長(zhǎng)符合設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，則可以保證幾條貓道承重索垂度相同，中跨、邊跨垂度調(diào)整方法相同。4）承重索的調(diào)整順序及要求：承重索調(diào)整工作按中跨、邊跨的順序進(jìn)行，在調(diào)整過程中，要求經(jīng)常測(cè)量塔頂偏位、跨徑、中跨和邊跨的垂度及溫度，計(jì)算中跨中點(diǎn)和邊跨中點(diǎn)的垂度偏差，作為貓道承重索垂度調(diào)整的依據(jù)。貓道承重索垂度的測(cè)量應(yīng)在氣溫變化小，大氣對(duì)流穩(wěn)定的時(shí)間進(jìn)行，并以盡可能高的精度和可靠性來測(cè)量中跨和邊跨的垂度[7]。7、門架、托滾及附屬設(shè)施安裝在貓道鋪裝完成后，安裝貓道門架、門架導(dǎo)輪組、托架滾輪及貓道照明系統(tǒng)。由塔吊將門架吊至塔頂，將門架置于門架承重索上，利用塔頂卷揚(yáng)機(jī)反拉，將門架下滑至設(shè)計(jì)位置安裝。利用牽引索將門架導(dǎo)輪組及托架滾輪牽引到相關(guān)位置，安裝固定。將牽引索提入門架導(dǎo)輪組內(nèi)，形成門架式單線往復(fù)式牽引系統(tǒng)。沿貓道一定距離在扶手立柱上安裝貓道照明燈具、通航安全標(biāo)志和配電箱，完善整個(gè)貓道及牽引系統(tǒng)。8、貓道施工主要配合施工機(jī)具序號(hào)名稱規(guī)格數(shù)量備注1主、副卷揚(yáng)機(jī)JKB25t4臺(tái)牽引系統(tǒng)2輔助卷揚(yáng)機(jī)JJM8t12臺(tái)主塔及錨碇門架3輔助卷揚(yáng)機(jī)JJM5t4臺(tái)錨碇門架4拽拉器自制2套架設(shè)貓道5滑輪組60T五餅16套塔頂錨碇6滑輪組30T三餅16套塔頂錨碇7滑輪組10T單餅8套塔頂錨碇9鋼絲繩5mΦ4816根10鋼絲繩5mΦ368根11手拉葫蘆10t16個(gè)12手拉葫蘆5t8個(gè)13卡環(huán)25t16個(gè)14繩夾Φ48250個(gè)15電動(dòng)扳手Φ482個(gè)6結(jié)論對(duì)珠江黃埔大橋無抗風(fēng)纜施工貓道進(jìn)行的穩(wěn)定性分析及計(jì)算表明，該橋的施工貓道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)是大于安全系數(shù)3的，因而在橫橋向風(fēng)作用下抗風(fēng)穩(wěn)定性是安全的。另外，在珠江黃埔大橋無抗風(fēng)纜貓道施工過程中，貓道線型與設(shè)計(jì)基本相符，整個(gè)過程穩(wěn)定、安全。

[1]李勝利，歐進(jìn)萍.大跨徑懸索橋無抗風(fēng)纜貓道動(dòng)力特性分析[J].公路交通科技,2009,30(6):19-25.[2]樂云翔，常英，胡曉倫.武漢陽邏長(zhǎng)江大橋施工貓道抗風(fēng)穩(wěn)定分析[J].公路交通科技,2005,22(8):40-44.[3]韋世國(guó)，廖海黎，趙有明，鄭史雄，沈良成.潤(rùn)揚(yáng)大橋懸索橋施工貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性分析[J].橋梁建設(shè),2004,(4):1-4.[4]賈寧，劉健新，劉萬鋒.懸索橋施工貓道靜風(fēng)失穩(wěn)機(jī)理分析[J].公路交通科技,2008,25(3):99-102.[5]盧義，HYPERLIN