棋盘洲长江大桥猫道施工控制技术研究

刘长辉

(中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300)

1 引言

猫道是悬索桥上部结构施工的通道与工作平台[1]，设置在主缆之下，与主缆空缆线形基本平行[2]。猫道成桥线形是猫道结构一个重要的参数，决定着猫道的使用性能及结构受力，通过猫道施工各阶段的承重索标高进行严格控制。在猫道施工过程中，猫道承重索索力不断发生变化，且边跨索力与中跨索力的变化幅度不相同，由此产生的索力差将对猫道结构、主塔产生一定不利影响，所以施工过程中猫道承重索索力计算分析十分必要。

2 猫道结构

棋盘洲长江大桥为双塔单跨钢箱梁悬索桥，缆跨布置为340 m＋1 038 m＋305 m＝1 683 m，中跨矢跨比1/9，主缆横桥向中心距为34.5 m。猫道采用三跨连续式布置[3]，上、下游各1幅，相对桥中线对称布置。猫道宽4.0 m，由猫道索、猫道面、锚固结构、转向结构、下拉装置、变位刚架、横向天桥、猫道门架等组成[4]，如图1所示。

图1 猫道总体布置(单位:m)

猫道索由猫道承重索、门架支承索、扶手索和踢脚索组成，如图2所示。每幅猫道承重索相对主缆对称布置，承重索中心距主缆中心1.5 m[5-6]，采用8根直径48 mm钢丝绳，间距布置为3×0.45 m＋1.1 m＋3×0.45 m。

猫道面由承重网、步行网及防滑方木、中间横梁、门架下横梁等组成[7]，在中间横梁、门架下横梁上安装栏杆。承重索与横梁用U型螺栓连接，栏杆与横梁用螺栓连接，方木与承重索、面网与木条用14＃铁丝绑扎。

猫道在锚碇处设有锚碇门架、锚固预埋件、线形调节结构、承重索转向支架及变位刚架等，如图3所示。在锚碇处，猫道承重索依次经变位刚架、转向支架、线形调节结构，最后与前锚面上的锚固预埋件连接。变位刚架、转向支架分别实现承重索横向变位及竖向变位，线形调节结构通过改变锚箱与拉杆的相对位置调整承重索线形[8]。

图2 猫道断面(单位:m)

图3 猫道在锚碇处布置

猫道在塔顶布置有塔顶门架、承重索转向鞍座、下拉装置、变位刚架及工作平台等[9]，如图4所示。下拉装置设置在中跨侧，承重索通过转向鞍座、下拉装置转向，避免与主塔干涉[10]，达到设计线形。变位刚架设置在主塔两侧，实现猫道承重索横向变位[11]。

图4 猫道在主塔处布置

横向天桥主要作用是提高猫道抗风稳定性及便于两幅猫道间人员通行，中跨设7道，间距为150 m，北、南边跨各设1道，设在跨中。猫道门架用于支撑牵引索，间距为50 m。

3 承重索施工控制标高计算

3.1 施工控制标高的定义

猫道成桥线形是由主缆空缆线形下移一定距离得到，为实现猫道成桥线形，在猫道施工的各阶段均应对承重索各跨跨中标高进行控制，该标高即为猫道承重索施工控制标高。

猫道施工流程为:施工准备→先导索架设→门架支承索安装→承重索安装→变位刚架、下拉装置安装→猫道面及横向天桥安装→猫道门架等安装，完成猫道施工。根据施工流程，承重索施工控制标高分为几个工况:(1)承重索空索，未安装变位刚架；(2)承重索空索，已安装变位刚架；(3)猫道面安装完成；(4)猫道施工完成。

3.2 施工控制标高的计算原理

施工控制标高计算基于如下假定[12]:(1)索为理想柔性，不考虑索截面的抗弯刚度；(2)索的无应力长度在一定温度下保持不变；(3)各局部坐标原点满足力的平衡条件；(4)猫道的成桥线形与主缆空缆线形平行。

施工控制标高计算采用悬链线理论[13]，悬链线方程:

式中，K、a、b为悬链线参数，可通过悬链线上的已知3点坐标确定。

索总长度计算公式:

索弹性伸长量计算公式:

式中，q为荷载；E为索的弹性模量；As为索的金属截面积。

索的无应力索长计算公式:

式中，l为索的跨度。

在计算承重索施工控制标高时，首先根据猫道成桥线形计算公式(1)，确定猫道成桥状态悬链线方程；然后根据公式(2)～(4)计算承重索无应力长度；再以承重索在各工况下无应力索长不变为条件，根据公式(1)～(4)确定承重索各状态下的悬链线方程；最后根据承重索各状态下的悬链线方程计算施工控制垂度。在计算过程中，方程组求解采用软件Mathcad。

3.3 施工控制标高计算结果

猫道成桥线形为主缆空缆线形下移1.5 m得到，为计算准确，根据承重索转向鞍座及下拉装置转向点的具体位置确定各跨承重索的参数，见表1。

表1 猫道承重索基本参数 m

猫道承重索在各工况下，所承受荷载情况见表2。

表2 猫道承重索荷载

在计算承重索空索未安装变位刚架状态的施工控制标高时，无应力索长应考虑变位刚架增加的索长。中跨空索状态施工控制标高为未安装下拉装置状态下的数据，所以无应力索长应考虑下拉装置影响的索长，计算采用的跨度、高差、垂度不应考虑下拉装置。猫道承重索施工控制标高计算结果见表3。

表3 猫道承重索施工控制标高计算结果

4 施工过程承重索索力分析

4.1 索力计算原理

在猫道施工过程中，要根据各工况的设计要求调整承重索线形并锁定，承重索的索力及倾角将不断变化。

索力计算采用悬链线理论，并利用软件Mathcad求解方程组。

索的水平分力计算公式:

索的竖向分力计算公式:

索力计算公式:

4.2 索力计算工况划分

根据猫道施工流程并结合承重索索力变化情况，将猫道承重索索力计算分为以下几个工况:

(1)猫道承重索空索状态，变位刚架安装。

(2)猫道面及横向天桥安装。

在猫道面安装过程中，边跨及中跨均为从塔顶向下滑移安装。根据横向天桥的设计位置，将猫道面滑移过程中其前端位置进行标记(见图5)，并根据标记对工况进行详细划分。

图5 猫道面前端位置标记示意

(3)猫道安装完成工况。

(4)索股架设工况。

4.3 索力计算结果

猫道承重索各跨的基本参数见表1，施工过程承重索索力见表4。分析表4承重索索力变化规律:在猫道施工过程中，承重索索力逐渐增加，边跨增加幅度大，中跨增加幅度小；在空索状态，边跨索力较大，中跨索力较小；在猫道安装完成及索股架设状态边跨索力与中跨索力接近。

表4 施工过程承重索索力统计

4.4 猫道施工顺序

根据上述承重索索力变化规律，为减少边跨索力与中跨索力不平衡对猫道结构和主塔产生的不利影响，在猫道面施工过程中，应先施工中跨猫道面，使中跨索力提升至与边跨索力接近，之后同步施工边跨猫道面及中跨剩余猫道面。具体施工流程:猫道承重索架设→中跨面网施工至位置3→中跨面网施工至位置4，同时边跨面网施工至位置1→边跨面网施工至位置2→完成猫道安装→索股架设。按上述流程，猫道施工过程中边跨与中跨承重索索力情况见表5。

表5 边跨与中跨承重索索力差统计 kN

5 结束语

目前，棋盘洲长江大桥猫道已安装完成，施工过程中猫道结构安全，主塔变形在规范允许范围内，猫道成桥线形满足设计要求。实践证明，通过分析计算猫道施工各阶段施工控制标高，可有效保证猫道成桥线形；根据施工过程承重索索力变化情况确定猫道施工顺序，保证了施工过程中猫道和主塔结构安全，该方法可为其它类似工程施工提供参考。