AS法主缆架设用猫道施工控制计算方法

【摘 要】为确保猫道架设线形满足施工要求，填补AS法施工技术方面的空白，文章以阳宝山特大桥为研究背景建立有限元模型进行计算分析，重点介绍了AS法主缆架设用猫道的特殊功能以及猫道施工空索阶段的标高控制方法，综合考虑了承重索弹性模量、温度、桥塔偏位及塔高对标高的修正，能够有效地提高承重索现场架设精度。

【关键词】AS法; 猫道; 施工控制; 线形调整; 有限元计算

【中图分类号】U448.25【文献标志码】A

猫道是悬索桥施工过程中的临时脚手架，架设于主缆之下，线形平行于主缆布置。在悬索桥上部结构施工过程中，猫道担负着输送索股、紧缆、安装索夹及吊杆、吊装加劲梁及缠丝防护等重要任务[1]。猫道系统组成构件多，结构复杂，架设难度大，在施工过程中需通过计算进行精确调整及转换。

目前国内已建成的大跨度悬索桥（除香港青马大桥外）均采用预制平行索股法（PPWS法）进行主缆架设，暂无空中纺丝法（AS法）相关参考经验。现有关于悬索桥猫道的研究主要集中在优化设计、抗风稳定性及猫道线形计算理论等方面，而基于有限元方法的猫道施工控制计算的研究还较少。本文主要总结了AS法主缆架设用猫道施工控制有限元计算分析的关键技术，为其它类似工程施工提供参考。

1 AS法主缆架设方法概述

AS法是悬索桥主缆架设方法之一，是将直径5～7 mm的镀锌钢丝挂在纺丝轮上，往返于桥梁两侧的锚碇之间，以钢丝为单元架设主缆的工艺，流程示意如图1所示。

纺丝轮重复工作，当牵引钢丝达到一股的设计数量时，利用圆形整形器整理成圆形索股，用强力纤维带间隔3 m包扎定型，后续施工工序与PPWS法基本相同。

纺丝轮每一个来回过程为：两个纺丝轮包括去程和回程，去程时死丝落入主缆索股成型器，活丝由牵引外侧的滑轮支撑，此时另一个纺丝轮回程，纺丝轮转动一定角度，将去程时的活丝抬起，导入索股成型器。

目前国外普遍采用改进后的恒张力AS法，其基本原理是将架设过程中的钢丝张力限定为自由悬挂时所需张力的80 %～85 %，剩余部分的钢丝重量通过安装在门架上的索股成型器由猫道承受。因此在AS法架设主缆的施工过程中，猫道会因铺设在其上的钢丝重量的增大而逐渐下挠，需要及时对猫道线形进行调整，即在索股成型器下端安装两根垂度控制索，通过逐步张拉控制索，使猫道恢复到初始线形，保证纺丝完成后的同一索股内的钢丝张力误差在允许范围内。

单层钢丝架设时，按照上层钢丝作用于下层钢丝，下层钢丝对整个猫道体系具有刚度贡献考虑，即第一层钢丝架设计算按照将钢丝15 %～20 %的重量全部由猫道承担;第二层钢丝架设时将15 %～20 %的重量作用在第一层钢丝上，猫道与第一层钢丝共同承担第二层钢丝重量;以此类推至钢丝全部架设完成。这就表明随着已完成纺丝数量的增加，猫道的变形会变得越来越小，线形调整频率会逐渐下降直至不需要再进行猫道线形恢复控制。

本文采用西南交通大学开发的软件BNLAS进行计算，BNLAS具有很强的索结构分析功能，可以充分考虑结构几何非线性的影响，完全能够满足计算需求[2]。以阳宝山特大桥为背景建立猫道计算模型，猫道承重索和门架承重索用空间悬链线索单元进行模拟;桥塔和门架用空间梁单元进行模拟;变位刚架、横向通道等构件以集中荷载的形式作用在猫道承重索上。

2 工程简介

阳宝山特大桥主桥采用主跨650 m单跨钢桁架悬索桥，中跨主缆矢跨比为1/10，2根主缆中心间距36.0 m。猫道采用三跨连续式布置，上下游各1幅，相对桥中心线对称布置，主跨和边跨猫道距主缆中心线铅垂方向控制距离1.4 m，设计宽度4.0 m，主要由承重索、扶手索、猫道面层、塔顶转索鞍及变位系统、横向通道、锚固系统、猫道垂度調整系统等组成。猫道系统总体布置图如图2所示。

（1）单幅猫道布置6根48 mm猫道承重索和2根48 mm门架承重索，弹性模量取1.19×105 kPa，猫道承重索总面积为6.51×10-3 m2，门架承重索总面积为2.17×10-3 m2。

（2）猫道门架是主缆架设的关键构件，底横梁上装有AS法门架特有构件——索股成型器，考虑猫道承重索与门架承重索的锚固点差异，线形不完全平行，猫道门架立柱设计为可调式。全桥共布置门架44道，单个门架重量为1 445.26 kg，门架示意图如图3所示。

（3）横向通道主要作用是提高猫道整体稳定性和抗风稳定性，同时考虑施工人员通行便利，猫道在两侧边跨各设置1个横向通道，在中跨设置3个横向通道，间隔160 m，单个横向通道的重量为6 409.74 kg。

（4）变位刚架设置在主塔两侧，实现猫道承重索横向变位[3]，单个变位架重量1 508.78 kg，单个下压架重量3 304.55 kg。

3 承重索施工控制计算分析

AS法主缆架设用猫道的施工过程大致可分为空索架设、变位下拉装置安装、面网及横向通道安装、门架承重索架设、门架安装、索股成型器高度调整等几个阶段。承重索作为猫道结构的主要受力构件，其施工线形的精确控制是至关重要的一环，它关系到主缆架设的施工质量和工期[4]。控制空索状态下的每一根承重索的标高最为关键，其重要程度与悬索桥基准索架设相当[5]。猫道施工控制计算的主要内容就是得到恒载状态下的承重索无应力长度及每一个施工阶段中的承重索标高。

3.1 承重索无应力长度

根据猫道恒载状态下各类荷载的布置情况在BNLAS中计算得到承重索中心线各跨的无应力长度如表1所示。

理论上，按照由猫道设计线形计算得到的无应力长度下料的猫道承重索进行架设，则架设完成后的线形即为设计线形，而实际上由于钢丝绳计算弹性模量与实际弹性模量不一致会导致承重索的线形误差，往往需要施工单位对承重索进行试验得到准确数据。通过改变弹性模量计算出各跨猫道承重索的无应力长度变化量，可拟合出弹模修正系数，其结果如表2所示，承重索中心线的无应力长度计算公式为：

l=L+E×K+E×K

式中：l为实测弹性模量下的承重索无应力长度;L0为设计弹性模量下的承重索无应力长度;E为弹性模量变化量，增加为正，减小为负;K1、K2为弹模修正系数。

3.2 空索标高控制

在空索架设阶段，变位刚架尚未安装，每一根猫道承重索的无应力长度存在差异，需要利用几何关系对各根承重索的无应力长进行修正，得到标准桥塔状态（无塔偏、设计塔高）和设计温度（20 ℃）下的各根承重索控制标高结果如表3所示，图4为变位刚架处承重索编号示意图。

在猫道施工过程中，桥塔发生的偏位、现场温度的变化、桥塔高度等因素都会对承重索的线形产生影响，为了保证架设的精度，需要将各种因素进行修正才能得到满足设计要求的空索标高。为计算出各类影响因素的修正系数，可采用单一变量的控制原则：

（1）温度修正系数：约束塔顶纵向、竖向自由度，进行整体升降温。

（2）跨度修正系数：约束塔顶纵向、竖向自由度，通过施加塔顶纵向强迫位移来改变每一跨的跨度。

（3）塔高修正系数：约束塔顶纵向、竖向自由度，通过施加塔顶竖向强迫位移来改变桥塔高度。

依据上述方法计算可得到不同温度、跨度及塔高下的承重索各跨跨中标高变化量，根据数据变化规律可判断各跨猫道承重索的标高变化量与温度变化量、跨度变化量及塔高变化量均成线性关系，拟合得到的各根承重索的温度、跨度、塔高修正系数结果见表4、表5。

猫道承重索中心线的标高控制点位置及标高计算公式为：

x=X+D·K

y=Y+K·（T-20）+D·K+（H+H）×K

式中：x为考虑各种影响时控制点到桥塔中心线的距离;y为考虑各种影响时控制点的标高;KyT为温度修正系数;KxD、KyD为跨度修正系数;KyH为塔高修正系数;T为实测温度（℃）;D为相对设计位置的跨度变化量（m），跨度增加为正，跨度减小为负;H1、H2：贵阳岸（H1）桥塔、黄平岸（H2）桥塔相对于设计位置的塔高变化量（m），塔高增加为正，塔高减小为负，计算贵阳跨时H2=0，计算黄平跨时H1=0。

利用上式和各项修正系数可以方便且较精确地根据施工现场温度、跨度、塔高的实测数据对猫道承重索线形作出调整。

3.3 后续施工阶段标高控制

调整好空索阶段的猫道承重索标高后，方可进行后续面层铺设、变位刚架、横向通道和门架等构件的安装工作，在每一个施工阶段承重索的线形都会发生变化。一般来说，空索阶段的承重索标高确定后，后续施工阶段的实测线形与计算值相差不大，仅需提供不同温度下猫道承重索各跨跨中控制点的标高及塔偏结果给施工单位即可。下面仅以变位刚架安装后的猫道承重索线形结果为例，如表6所示。AS法对猫道的架设线形精度要求较高，若有必要可在每一个施工阶段对承重索标高进行修正计算。

4 门架安装

门架高度由猫道承重索和门架承重索恒载状态下的高差决定，计算结果如表7所示（仅给出部分位置）。阳宝山特大桥设计门架高度调节范围为6.6～7.4 m，最小调节刻度5 cm，因此计算的门架高度结果能够满足现场施工的要求。

5 成型器高度调整

索股成型器是AS法主缆架设用猫道特有的结构，作为主缆架设过程中与钢丝直接接触的构件，是紡丝轮往返工作时死丝和活丝的重要支承结构，更是钢丝传递重量到猫道的重要中间结构，它的高度会直接影响到架设钢丝的线形精度，因此成型器的高度调整也是非常重要的施工控制内容。索股成型器构造示意如图5所示。

根据施工方案，成型器理论安装高度的计算公式为：

H=ΔH+H

式中：H为成型器理论安装高度;△H为向上调整距离;H0为猫道承重索中心到索股成型器受力梁顶部距离，由成型器的型号尺寸决定。

索股成型器理论安装高度计算结果见表7（仅给出部分位置）。由于猫道架设误差、成型器安装位置误差、基准丝架设误差等都会影响成型器最终高度，因此待基准丝架设完成后，需要根据基准丝线形对成型器高度进行精细调整。

6 结束语

（1）介绍了AS法主缆架设用猫道的特殊功能以及改进后的恒张力AS法的基本原理。

（2）以阳宝山特大桥为研究背景，基于有限元分析软件BNLAS介绍了猫道施工过程中的主要控制计算分析内容，重点介绍了如何考虑承重索无应力长度的修正、综合考虑温度、跨度及塔高对空索标高的影响并给出了修正计算公式。

（3）以阳宝山特大桥猫道为例给出了无应力长度结果、各项修正系数、施工阶段对应的承重索线形、门架理论安装高度以及索股成型器调整高度。

参考文献

[1]孙胜江，梅葵花，黄平明.猫道承重索施工控制计算方法[J].中外公路，2008，28（1）：89-92.

[2]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.

[3]徐阳.大跨悬索桥猫道设计与结构验算[J].湖南交通科技，2017（2）：174-177.

[4]杨学成，张明卓，朱艳，等.大跨度悬索桥施工猫道若干问题综述[J].世界桥梁，2007，（2）：61-64.

[5]唐茂林，曾前程，吴玉刚.猫道施工控制计算方法[J].公路，2018，（5）：157-161.

[定稿日期]2021-01-13

[作者简介]王冠青（1995～），女，硕士，研究方向为桥梁与隧道工程。