潮河大桥悬索桥猫道设计与计算分析

郭雪妍, 王 超,, 张恒心, 杨军凯(. 河南省交通规划设计研究院股份有限公司, 河南 郑州 45000; . 河南省交院工程检测科技有限公司, 河南 郑州 45000)

潮河大桥悬索桥猫道设计与计算分析

郭雪妍1, 王 超1,2, 张恒心2, 杨军凯2
(1. 河南省交通规划设计研究院股份有限公司, 河南 郑州 450002; 2. 河南省交院工程检测科技有限公司, 河南 郑州 450002)

以实桥工程为例,简要介绍了猫道的设计与计算过程,重点阐述使用悬链线分段计算方法计算承重索参数,根据文献选取承重索弹性模量,建立猫道有限元模型,进行承重索承载能力验算.潮河大桥的应用表明,该方法计算精度高,具有较高的工程应用价值.

悬索桥; 猫道; 承重索; 设计; 结构验算

郑州市国家经济开发区经南八路潮河大桥是一座三塔四跨地锚式悬索桥,孔径布置为64 m+136 m+136 m+64 m,全长400 m.主缆经中塔、边塔塔顶鞍座、边墩顶散索鞍座转向后锚固在混凝土锚碇内,锚碇结构与桥台基础合二为一,整体设计.主塔为混凝土桥塔,主梁为钢箱梁,桥面总宽45 m.

全桥共两根主缆,采用预制平行索股法在猫道上施工架设.猫道系统是悬索桥施工过程中的临时脚手架,是上部结构施工必须的高空作业平台.猫道线形一般平行且稍低于主缆布置,便于工人作业,与主缆有关的施工工序如索股牵引、基准索股架设、紧缆、安装索夹、安装吊索、主缆缠丝防护等均要在猫道上完成.因此其结构设计与安全验算十分重要[1].

1 猫道结构设计

本桥猫道采用四跨分离式构造,主要由猫道承重索、扶手索、门架、门架承重索、猫道面层、托架、滚轮和锚固体系等组成.本桥猫道结构简图如图1所示.

图1 猫道结构简图(单位:m)Fig.1 The catwalk structure diagram (unit: m)

1.1 猫道结构

猫道面按低于主缆中心1.4 m布置,宽3 m,对称于主缆轴线布置4根直径26 mm的钢芯钢丝绳作为猫道承重索.猫道两侧各布置1根直径16 mm的钢丝绳作为扶手索,扶手栏杆网为高1.0 m的大方眼网.猫道面网底层采用直径5 mm的钢丝编成的50 mm×100 mm的焊接大孔眼钢丝网,面层采用直径1.6 mm钢丝编成16 mm×16 mm的小孔眼钢丝网,以50 mm×50 mm×800 mm的方木条,将底层和面层网绑扎固定.每隔5 m设一道60 mm×80 mm×4 mm的方钢作为横梁,横梁与猫道同宽,以U形螺栓固定于承重索上.

图2 猫道总体布置图Fig.2 General layout of catwalk

猫道上滑轮支架的布置间距为8 m,两条猫道之间不设横向通道.由于本桥采用先梁后缆的施工方式,猫道架设完成之后,用两条钢丝绳将猫道承重索与已架设完成的钢箱梁连接起来,以抵抗风载荷.在前期设计和计算时暂不考虑抗风索的作用,这是一种较安全的设计方法.

图3 猫道一般构造图Fig.3 General construction figure of catwalk

1.2 猫道锚固体系

猫道承重索通过4个锚固于散索鞍处混凝土面上的直径32 mm螺纹钢锚固在桥台上,通过预埋在桥塔顶部混凝土的直径40 mm U型过火圆钢锚固在桥塔上.锚固体系采用螺纹钢、U型钢、导链、绳夹和U型环扣的组合,通过U型环扣和导链的调节,可以适当调整猫道承重索的垂度[2].

2 猫道结构计算

2.1 猫道承重索计算方法

与主缆基准索股架设相似,猫道承重索在架设之前必须计算无应力长度与空载线形.本桥猫道按照承载之后低于主缆1.4m布置.猫道架设之后,承受切向均布载荷和滚轮、托架等集中载荷作用,其线形近似分段悬链线,因此采用分段悬链线理论进行计算[3].

对于如图4所示索微段,悬链线理论认为索的自重沿曲线分布,可推导出线形方程:

图4 悬链线理论计算图Fig.4 Calculation chart of catenary theory

积分两次,得到:

悬链线长度为

主缆弹性伸长量为

无应力长度为

S0=S-SΔ.

若集中力将悬索分为多个微段,则其中任意第i段索有方程:

图5 分段悬链线理论计算图Fig.5 Calculating diagram of segmental catenary theory

根据主缆平衡方程:

与主缆相容条件:

可推出第i段索索长为:

各分段之间,在集中载荷受力点满足受力平衡方程:

根据计算公式编制程序可求得全部分段数据,包括空索坐标与无应力长度.h为塔高,则求得边跨数据,h为0,则求得中跨数据.[4]

2.2 有限元模型

空索线形和无应力长度计算结果为承重索的架设提供了数据.为验算猫道结构在自身恒载和后续施工时的恒、活载以及风、雪等载荷作用下是否满足安全需要,用空间有限元软件MIDAS/CIVIL建立有限元模型.保守计算,只考虑四根猫道承重索的承重作用,将四根直径26 mm的钢芯钢丝绳合并为一条,将所有猫道载荷加诸其上.承重索用只受拉索单元模拟,桥塔用梁单元模拟.承重索在桥台和桥塔顶部固结,整个猫道可视为4跨独立的悬索结构[5].

图6 猫道承重索有限元模型Fig.6 Finite element model of bearing rope of catwalk

钢丝绳是由许多钢丝扭绞而成的组合结构,其弹性模量不是定值,而是随着应力的变化而变化[6].因此国内没有钢丝绳弹性模量指标,实际计算时应以通过预张拉消除钢丝绳非弹性变形后的实测值为依据,根据相关论文,本桥采用虎门大桥的实验实测值1.15×105MPa为承重绳的弹性模量[5].

2.3 载荷与安全系数

静力载荷考虑线性载荷和集中载荷,滚轮与托架为集中载荷,其他换算为均布线载荷.

活载要考虑架设主缆索股时主缆(考虑至少两股)和施工人员的重力,包括部分施工机具.

风载荷:根据《公路桥梁抗风设计规范》,在横桥向风作用下猫道承重索单位长度上的横向阵风载荷可按下列公式计算:

式中:FH为作用在结构单位长度上的静阵风载荷(N/m);ρ为空气密度(kg/m3),取1.25;Vg为静阵风风速(m/s);Gv为静阵风系数,本桥位于B类地表,取1.33;Vz为基准高度Z处风速(m/s),经查阅郑州地区验算风速包括50年一遇风速27.3 m/s,6级风速12 m/s.CH为阻力系数,取0.7.H为阻风高度,保守取0.5 m.

经计算得到:

工作风速(6级风)下,FH=55.7 N/m.

最大阵风(50年一遇)下,FH=288.4 N/m.

雪载荷:根据《建筑结构荷载规范》,验算的雪压为:

10年一遇雪压:0.25 kPa;

50年一遇雪压:0.40 kPa.

温度载荷:基准温度按设计温度15 ℃,体系变温考虑结构升温15 ℃和降温30 ℃的情况.

根据《公路桥涵施工技术规范》,猫道承重索设计时,其载荷组合与安全系数应当满足如下规定.

表1 猫道承重索强度计算组合与安全系数Table 1 Calculating combination and safety factor of catwalk bearing rope

3 计算结果

由于本桥结构关于中塔对称,以下仅出示半幅桥计算结果数据.

表2 猫道承重索分段无应力长度Table 2 Unstressed length of catwalk bearing rope

表3 承重索线形计算结果简表Table 3 The linear calculation results of catwalk bearing rope

表4 载荷组合下承重索承载能力计算结果Table 4 Carrying capacity calculation results of bearing ropeunder the load combination

表2～表4即是猫道设计计算的全部内容.表2中的无应力长度即是承重索下料长度,需要注意的是,承重索的锚固系统应有足够的调整范围,承重索每端宜设±2 m以上的调节长度.表4计算结果表明,本桥猫道承重索在施工期间张力安全系数满足规范要求.

表3为承重索线形计算结果.位移指的是从空索状态到猫道成形节段承重索节点的位移值.表中给出的主缆与猫道高差是计算得到的真实结果,是对1.4 m理想状态的修正.表中空索状态即是初始架设承重索时要控制的线形,据此可以指导现场施工操作.(坐标系:以中塔为坐标原点,x轴为顺桥向自西向东,y为高程.)

4 结论与建议

潮河大桥于2014年10月架设猫道,至2015年8月完成所有悬索桥上部结构施工后拆除猫道,整个施工过程猫道结构稳定安全,施工方便,达成预期目标.

(1) 基于悬索力学理论,建立了猫道施工控制计算的悬链线法,可以计算猫道承重索数据.

(2) 承重索设置偏于安全,即使不考虑抗风索的作用,其强度验算也可以满足规范要求.

(3) 猫道线形计算考虑了成形状态和空索状态.空索状态数据可以用于初始架设,成形状态数据用于考虑猫道在载荷作用下的变形和对桥塔的影响,以及猫道改挂的时机与影响,详见相关文献,兹不赘述.

(4) 钢丝绳的结构特性决定了其弹性模量难以把控,设计和施工时,应当做预张拉实验,通过预张拉消除非弹性变形的钢丝绳的实测弹性模量,方能用于计算分析.

[1] 杨江朋,苗兰弟. 悬索桥施工猫道的设计与施工[J]. 铁道技术监督, 2010,38(10):39-41. (YANG J P,MIAO L D. Design and construction of catwalk on suspension bridge[J]. Railway Quality Control, 2010,38(10):39-41.)

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[3] 唐茂林. 大跨度悬索桥空间几何非线性分析与软件开发[D]. 成都:西南交通大学, 2003. (TANG M L.A long-span suspension bridge space geometric nonlinear analysis and software development[D].Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2003.)

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[6] 王丰平. 猫道设计、架设和静力计算[D]. 西安:长安大学, 2004. (WANG F P. Catwalk design, erection and static calculation[D]. Xi’an:Chang’an University, 2004.)

【责任编辑: 肖景魁】

Design and Calculation Analysis of Catwalk of Chaohe Suspension Bridge

GuoXueyan1,WangChao1,2,ZhangHengxin2,YangJunkai2

(1. Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450002, China; 2. Henan Province Academy of Engineering Detect Cross Reinforcement Ltd., Zhengzhou 450002, China)

Taking the actual bridge project as an example, the design and calculation process of the catwalk is introduced briefly. It focuses on the calculation of bearing cable parameters by catenary section calculation method. Elastic modulus of bearing ropes is selected according to the literature. The finite element model of catwalk is established and bearing capacity is calculated. The application shows that the method has high precision and high engineering application value.

suspension bridge; catwalk; bearing rope; design; structural calculation

2016-10-26

郭雪妍(1992-),女,河南郑州人,河南省交通规划设计研究院股份有限公司助理工程师.

2095-5456(2017)01-0066-05

U 443

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