悬索桥猫道计算及测量施工方法研究

郝军峰

（中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司，辽宁 大连 116083）

1 概述

重庆油溪长江大桥主桥为主跨760 m单跨悬索桥，主缆矢高80 m，矢跨比为1∶9.5，主梁采用正交异性桥面板钢箱梁、梁高为3.0 m，每片钢箱梁重约210吨，全桥共51片钢箱梁；主缆共2根，主跨及南岸边跨在平面上呈平行布置，横桥向间距27.5 m；北岸边跨水平向外偏0.8°。主缆由平行钢丝索股（PPWS）组成，采用强度1 770 MPa的镀锌高强钢丝，钢丝直径为5.0 mm，每根主缆为112股，每股含91根钢丝，排列成近似正六边形；吊杆标准间距15 m；桥塔采用门式框架结构；南岸采用重力式锚，北岸采用隧道锚。在整个上部施工期间，猫道作为悬索桥上部结构施工最重要的高空作业通道和临时运输作业场地，会在猫道上进行索股牵引、索股线形调整、主缆紧固、索夹及吊杆安装、主梁吊装、主缆缠丝、主缆检修绳安装等施工工序，因此猫道的安全与线形准确性直接影响后续施工作业的情况。

上部结构施工过程中，由于主缆是柔性结构，主缆的线形会随着安装吊索、缆载吊机行走、起吊钢箱梁等荷载的分别施加发生大幅度的变形，猫道作为施工平台，在紧缆完成后需要将猫道进行改挂以保证其线形平行于主缆线形即需发生同样程度的变形。总之，猫道的使用贯穿于整个悬索桥上部结构安装工程的全过程，其线形、结构安全、将影响整个上部结构施工各个主要工序的质量、进度与施工安全，因此对猫道线形、索力进行精确的计算对悬索桥施工而言具有极其重要的意义。

2 猫道结构设计

目前实际使用的猫道结构一般分为分离式和连续式，其中“分离式猫道”是将猫道承重索根据主跨和边跨分段各自进行锚固，边跨的承重索两端分别锚于锚碇与索塔之上，中跨承重索分别锚于两个塔上。分离式猫道的优点在于施工简单，架设速度快；受温度、下料长度等影响小；可进行单根索的调整，垂度调整方便；锚固相对较简单。但在使用实践过程中也发现一些问题，如在塔顶预埋设备较多，例如需要在塔顶预装锚固设备；由于主、边跨承重索分离，水平分力不易平衡，会对索塔产生不平衡水平力，引起索塔偏位，施工时需要严格测量其塔顶偏位以保证主缆的施工精度。

重庆油溪长江大桥的两根主缆横向中心距为27.5 m。在综合考虑经济性与避免猫道架设过程中对主塔产生不平衡水平力的施工安全性，采用“连续式猫道”，该形式的猫道在主塔顶处的设置转向器和变位刚架，以保证其平顺地通过主塔。与分离式相比，连续式猫道虽然多了塔顶转索鞍和变位刚架，但省了不少预埋设备和减少了调节设备数量，另外对索塔偏位影响比较小，在猫道安装过程中不会产生塔偏，可以有效保证主缆施工的精度。

为方便上部结构施工时具有足够的操作空间，猫道距主缆中心线初始控制距离1.5 m，为保证上部结构施工中猫道的抗风稳定性和上部结构构件的运输安全性，单幅猫道设计宽度为4.0 m。

猫道的结构主要由猫道承重索、猫道门架承重索、扶手索、猫道面层、猫道门架、塔顶转索鞍及变位系统、横向通道、锚固体系等组成。各个部件相关作用如下：（1）承重索结构。猫道承重索是猫道结构的最直接和主要受力结构，通过计算和参考以往工程经验油溪长江大桥左、右幅猫道各使用了6根猫道承重索。承重索选用强度高、耐腐蚀性好、耐疲劳性、柔韧性能优越、蠕变小的材料。（2）猫道面层。作为承载人员和设备的受力构件，猫道面层布置不仅具有便于安全作业的结构构造，还应在选材时考虑猫道整体有足够的刚度，同时满足透风要求，一般在承重索上铺设钢丝网，上面再布置横梁，将施工人员作业及作业机具的荷载传递给猫道承重索。作为承重索的传力构件，猫道面层的构造形式决定了其荷载大小，其荷载值与承重索的线形相关。（3）横向通道及抗风稳定措施。为满足施工时左、右幅猫道之间的人员与设备联系，在左、右猫道之间布设横向通道，可以使左右两猫道得到沟通。在2条猫道纵向之间每隔150 m设置1道横向通道。全桥共布置7道，中跨5道，北边跨1道，南边跨1道。（4）猫道门架。猫道门架是猫道系统中一个关键构件主要作用为：把猫道承重索与门架承重索联系起来共同受力；先期作为索股牵引的支承结构；后期作为门架缆索小吊车的支承结构。门架荷载在门架承重索与猫道承重索间存在荷载分配的比例，计算线形是需要确定比例值以保证承载索的荷载大小。（5）猫道底梁。猫道承重索需要形成体系共同受力，因此猫道底梁的作用：把横向6根猫道承重索连成整体共同受力；作为门架及横向通道的支承连接结构；把猫道面层固定在承重索上防止面层滑动。

猫道作为悬索结构，其恒载及活载全部转化为承重索的张力，再由锚固系统将张力传递到主塔、锚碇等结构。因此，锚固系统的可靠性对猫道的使用安全具有重要作用。为使猫道适应施工过程中主缆的线形变化，保证施工人员和机械设备能进行正常的操作，在塔顶两端及锚碇根据猫道的受力要求设计猫道承重索的锚固和调节装置。因此需要根据几何、力学、荷载参数计算出承重索的总长度、工作长度以及释放长度与高程的关系。

3 猫道结构计算

猫道线形直接受到猫道承重索控制，因此精确的承重索线形是十分必要的。从猫道承重绳架设，到最后的承重绳拆除为止，猫道承重索会经历数个不同的受力阶段，每个阶段由于所受的荷载大小不同，其线形都不一样，线形环环相扣，正确的分析猫道承重绳各个施工阶段的线形，是整个猫道使用前必不可少的环节。

3.1 猫道计算理论

猫道承重索为典型的柔性索结构，满足索结构理论的三个假定：（1）索是理想柔性的，只承受拉力，既不能受压也不能受弯。（2）索的材料符合胡克定律，相对于承重索所受荷载而言，承重索钢绞线的应力与应变呈线性关系；（3）承重索面积在外荷载作用下变化量十分微小，在计算时索的变形时的索抗拉刚度可以忽略这种变化的影响。

3.2 猫道荷载统计

由于猫道为柔性受力结构，猫道线形与其所受荷载直接相关。猫道荷载是计算结果精度重要保证。猫道荷载主要报告自重荷载及其作用在其上的其他荷载，猫道施工前，施工方对各个荷载进行现场承重统计并做好记录以保证荷载的准确性。承重索自重和其他荷载如表1~表2所示。

表1 猫道承重索材料参数统计表

表2 单幅面层以及横向通道荷载

3.3 猫道有限元计算方法

悬链线方程为隐式方程，不能通过解方程得到其显示表达，一般使用数值解法。因此为保证计算结果的精确性与可验证性，文章采用Midas/Civil软件进行猫道承重索计算，计算结果可以得到承重索的线形、索长、索力方便为施工方提供测量控制的依据，计算中除承重索自重以外其他的荷载可以按照均布荷载均匀的施加在各个节点上。

针对重庆油溪长江大桥实际情况，对猫道单根承重索进行了计算分析，得到猫道成桥和空缆状态下的线形和受力情况。在建立模型时，根据承重索实际情况确定其塔顶和锚碇锚固点的坐标，根据实际测量结果给出的各跨垂点位置为控制高程，计算猫道完成时承重索线形和承重索空索状态。计算得到承重索的在猫道架设完成阶段的线形及裸塔空缆线形，表3为部分节点列出其纵向坐标与标高进行对比。

从表中的数据可以看出，随着施加诸如猫道面层、大小横梁，猫道门架系统及横向通道等荷载，猫道承重索的线形产生下挠，且跨中部分下挠尤为明显，最大达2.1 m，证明猫道承受的荷载对猫道自身线形有较大的影响。承重索各单元形状长度、无应力长度相加，就能得到各跨的承重索的形状长度和无应力长度，各跨索长如表4所示。

表3 承重索空缆与成桥线形对比

表4 各跨承重索长度（单位：m）

可以得到单根承重索的无应力长度为1 250.20 m，由于此计算值北锚点-南锚点的长度，因此需扣除两端锚固调节装置的长度，并且需要考虑南北塔塔顶转索鞍之间的承重索长度。实际进行承重索下料长度时需要考虑后期主缆的变形量以保证猫道可以与主缆一同变形。

4 猫道施工测量

与悬索桥主缆施工不同，猫道承重索施工时，无法实现测量人员到达以测量相关控制点的坐标。只能使用特定的测量装置布置在已经过江的承重索上以通过全站仪读取该点的坐标信息并与计算值对比以实现承重索线形控制，因此，在计算时需要求有限元模型中节点足够的密以保证测量装置位置与理论结果实现对比分析。本文在进行计算时节点纵向间距为5 m，保证了计算精度以实现线形控制。测量施工时需要考虑实际的温度与理论温度的差异，并进行温度补偿。

5 结论

猫道承重索计算与施工测量是悬索桥上部结构施工的关键步骤，需要严格保证其计算与施工精度，本文来自是在实际工程项目的猫道计算和施工，完成了猫道施工各个阶段的计算与施工，有效指导了现场施工，目前油溪长江大桥已经高精度合龙，猫道的施工为其提供了有效的保证。