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)
2017-06-19
0 引言
自建國以來，我國在大橋方面積累了不少經(jīng)驗(yàn)，比如，長江大橋、珠江黃埔江大橋等都是非常著名的工程案例；貓道作為這種大跨度懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工方面的重要高空作用平臺，既是臨時(shí)承重的承擔(dān)者，又是主要的工作通道，而且擔(dān)任著對索股、索纜的輸送與調(diào)整，還有諸如吊裝、防腐等作用。因此，雖然屬于臨時(shí)性的結(jié)構(gòu)，但在實(shí)際的施工中卻自始至終都起著至關(guān)重要的作用。因此，本文就以此作為探討對象，展開相關(guān)的具體討論。
1 概述
以某工程為例，它的主橋是290m+1108m+350m，為單跨懸索橋，矢跨比是1/10；要求其貓道為大跨徑懸索橋臨時(shí)結(jié)構(gòu)，貫穿全部懸索橋上部構(gòu)造安裝施工過程；在使用方面，周期長、對自然環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的抗風(fēng)穩(wěn)定性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)安全；整個(gè)結(jié)構(gòu)包括施工操作平臺、材料與工具運(yùn)輸通道；具體如主纜架設(shè)、索夾、吊索安裝、鋼箱梁吊裝、主纜防護(hù)等。
2 施工貓道參數(shù)
所設(shè)計(jì)的貓道面層距離主纜空載中心線形下方1.5m，寬度設(shè)置為4m，應(yīng)用3跨連續(xù)性結(jié)構(gòu)，并且跨徑與橋型保持一致性，總的貓道面長值大致為1790m，其貓道布置圖如圖1所示。
從承重結(jié)構(gòu)方面分析，要求面層陌生鋼絲繩、門架支承鋼絲繩共同構(gòu)成，前者選擇48mm（8根）、后者選擇48mm（2根），并且通過斜拉繩實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建；扶手也以鋼絲繩為準(zhǔn)，在此無須對承重受力情況過分關(guān)注，只需以36mm鋼絲繩（2根）即可；橫向天橋10道（北1道、中7道、南2道，每道間距149m）；貓道的面層采用步行網(wǎng)、承重網(wǎng)、防滑木共同完成。
其次，該橋跨越水道水運(yùn)，所以，在貓道的系統(tǒng)設(shè)置中，要求在水平方向通過橫向天橋、天橋兩側(cè)交叉鋼絲繩共同充當(dāng)抗風(fēng)纜繩，而且不再設(shè)置抗風(fēng)纜繩。其中的貓道繩索參數(shù)、風(fēng)速參數(shù)如下所述：
在貓道繩索參數(shù)方面包括：①承重繩（單條8*36SW+IWR，彈性模量為120GPa，強(qiáng)度為1960MPa，最小破斷力1560kN，單根承重索金屬面積為0.001142m2）；②門架支承索（單條8*36SW+IWR）；③扶手繩（單條6*37SW+IWR，彈性模量為120GPa，強(qiáng)度為1870MPa，最小破斷力773kN，單根承重索金屬面積為0.000615m2）；注意在這些單條繩索方面皆需與其它進(jìn)行接觸。
在風(fēng)速參數(shù)方面，主要以施工地點(diǎn)為準(zhǔn)，該橋處水面開闊，地表粗糙，通常的系數(shù)為0.14，基本風(fēng)速6級，約為13.0m/s，與地面距離20m，按照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)每百年可遭遇10min最大風(fēng)速可至41.4m/s，施工階段約在最高處的風(fēng)速以每30年遇一次38.1m/s的平均風(fēng)速為準(zhǔn)。
3 抗風(fēng)穩(wěn)定試驗(yàn)
以有限元軟件作為工具，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析；具體是按照風(fēng)洞試驗(yàn)，對貓道三分力系數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)測定，計(jì)算風(fēng)荷載響應(yīng)、評價(jià)、風(fēng)致振動穩(wěn)定性。
測力系統(tǒng)以五分量應(yīng)變天平、供橋直流穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)共同構(gòu)成；試驗(yàn)階段，模型、天平相連，方向豎直，天平根部、風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤相連；在變換模型試驗(yàn)角的前提下，對風(fēng)速10m/s情況下的攻角進(jìn)行測試，以-20到+20度為準(zhǔn)，間隔控制在1度。在橫橋向均勻風(fēng)場，氣動力來自橫、豎橋向，包括氣動轉(zhuǎn)矩；可通過對氣動力的分解，如垂直分力FV、FH，力矩MT。其氣動力分解示意圖如圖2所示。 若設(shè)H為橫橋向，D為順風(fēng)向阻力、L為升力、V為豎向氣動力，MT為氣動轉(zhuǎn)矩；就可以根據(jù)氣動力系數(shù)C實(shí)現(xiàn)公式定義：比如，橫橋向氣動力就可以表示為CH=Fh/（qwAH）；以此類推，而其中的qw就是流動壓，是空氣密度、來流速度的乘積的一半。最后就可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化的相關(guān)的曲線圖。具本如圖3所示。
第四，通過靜力三分力系數(shù)曲線圖，就可以認(rèn)識到索結(jié)構(gòu)在常風(fēng)作用之下的靜力穩(wěn)定問題，另一方面，本次研究中的大橋施工貓道建模后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算實(shí)際是需要按照恒載、活載、施工階段風(fēng)荷載的合來共同實(shí)現(xiàn)，這樣就可以計(jì)算出相關(guān)的工況。比如，在某工況情況下，承重繩平均軸力為333.673，破斷力為1560kN，其安全系數(shù)就是4.675。依次類推即可得到門架繩的安全系數(shù)為2.089；按照繩索軸力分布情況看，大體上若能夠在平均軸力水平方面大于3，則屬于抗風(fēng)穩(wěn)定性可靠范圍。
4 貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性分析
通過上述試驗(yàn)獲取靜力三分力系數(shù)，從而對貓道所受的風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算，尤其是在強(qiáng)風(fēng)的作用之下，其變位是非常的大的，在這種變位的作用之下，會導(dǎo)致其風(fēng)攻角發(fā)生相應(yīng)的變化，其所受風(fēng)載荷必然也會受到一定的影響，所以所計(jì)算出的貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性應(yīng)用于非保守的、幾何非線性。對貓道的抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，實(shí)質(zhì)上就是對索結(jié)構(gòu)在定長風(fēng)作用下的靜力穩(wěn)定問題予以探討，對本文所述大橋懸索橋貓道應(yīng)用有限元法進(jìn)行建模，對貓道在風(fēng)載組合下開展結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算，分別對①恒載+最大陣風(fēng)荷載組合；②恒載+活載+施工階段風(fēng)荷載兩種組合工況之下，考慮扶手繩參與受力以及不參與受力情況下的主跨單元平均軸力及安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
通過對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，本文所設(shè)計(jì)的繩索軸力分析從整體上來講是一種理想分布情況，平均軸力水平能夠很好的滿足安全系數(shù)大于3的要求，由此也可以看出，本文所設(shè)計(jì)的貓道在橫橋向風(fēng)的作用之下，其抗風(fēng)穩(wěn)定性是安全的。
5 貓道施工關(guān)鍵技術(shù)
首先，在貓道構(gòu)件加工方面，承重結(jié)構(gòu)最為重要，需要通過專業(yè)化的廠家進(jìn)行定制與加工，要求選擇承重索共計(jì)20根；而其余構(gòu)件可實(shí)行自行加工；注意在加工過程中，由于鋼絲存在彈性變形，所以，需要對其非彈性變形進(jìn)行減少，以降低對索垂度的影響；具體的辦法是以預(yù)張拉為主；再按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行下料、加工；通常情況下，對于預(yù)張拉荷載的選擇，可以以破斷力的1/2為準(zhǔn)，要求時(shí)間選擇1小時(shí)為宜，頻率為2次；注意對場地、溫度的選擇與控制。
其次，錨固的體系安裝；貓道索一般在兩錨碇上進(jìn)行固定，其中的承重索、扶手索的固定，應(yīng)該以錨碇前錨室平錨塊預(yù)埋件為準(zhǔn)；門架承重索也是如此；注意在錨固體系之中，錨梁、錨箱宜選擇精軋螺紋鋼；在安裝之前，要做好各種構(gòu)件的準(zhǔn)備工作，然采用塔吊工具，進(jìn)行吊裝就痊安裝；要求人與機(jī)器密切配合，比如，對于銷軸的連接，就要求人工完成。注意在吊裝中的防滑處理可以彩鐵線綁扎法；還有相關(guān)的墊圈、螺母安裝等，都要做到按部就班，齊全完備。
第三，牽引系統(tǒng)的安裝包括卷揚(yáng)機(jī)、鋼絲繩、拽拉器，采用串接方式。比如，在本次研究中的大橋，為了完成南北錨的牽引架設(shè)，就通過各種鋼絲繩、主纜索股共同完成牽引架設(shè)。牽引系統(tǒng)屬于單線往復(fù)式的工作方式，因而會涉及到主索鞍吊架、散索鞍吊架以及油輪組等。然后，可以進(jìn)行承重索的安裝，以降低牽引力，在整個(gè)過程中，以托架配合牽引施工為主。
第四，在完成以上步驟之后，可以通過對貓道承重索進(jìn)行調(diào)整來進(jìn)行合理施工；比如順序的調(diào)整方面。就要在承重索架設(shè)完成后，對上下游戲外側(cè)的2根索進(jìn)行調(diào)整，主要是以測量、監(jiān)控指令為基礎(chǔ)展開具體調(diào)整，然后進(jìn)行其它承重索的標(biāo)記，再進(jìn)行緩慢性的移動與初調(diào)，以使其達(dá)到適宜位置。此次的調(diào)整方法中，選擇全站儀為工具，進(jìn)行提前測量，包括中點(diǎn)垂直度、中跨跨徑、溫度等；需要注意的是此次研究中的誤差范圍或者允許偏差以控制在50mm以內(nèi)為準(zhǔn)。
第五，就是對于承重索線形施工的監(jiān)控，如幾何線型設(shè)計(jì)線型之間的符合度，自由懸掛的線型是否是懸鏈線型；對于貓道線形的計(jì)算，主要是在水平位置、標(biāo)高位置的理論長度的計(jì)算與數(shù)據(jù)記錄，并為備查做準(zhǔn)備，其中所考慮的因素在于對承重索非彈性變形的值的控制；還有就是對承重索架設(shè)、垂度的調(diào)整的監(jiān)控，以及調(diào)整順序、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等的監(jiān)控；最后就是對于門架、托滾、附屬設(shè)施方面的安裝與監(jiān)督。最后一個(gè)步驟看似技術(shù)含量低，但整體上是對前面的所有貓道施工的美化、完善與裝飾，包括水、電、安全標(biāo)志、消防等各個(gè)基礎(chǔ)的系統(tǒng)化完善。
6 結(jié)束語
總之，在新的時(shí)代就要堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)、因時(shí)制宜，尤其是應(yīng)該以可持續(xù)發(fā)展的理念作為指導(dǎo)原則，真抓實(shí)干，做好各項(xiàng)基礎(chǔ)性的建設(shè)工作。通過上面的分析可以看出，在大橋建設(shè)中，貓道設(shè)計(jì)與施工的重要功能及作用；而且，在實(shí)際的工作中往往會因各種因素的影響而出現(xiàn)一些問題，所以，需要針對于這些問題進(jìn)行細(xì)致探討、深入分析，從而做好它的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，比如，對于承重鋼絲的計(jì)算彈性模量、實(shí)際彈性模量的運(yùn)算與調(diào)節(jié)應(yīng)該控制在合理范圍內(nèi)，以減少誤差造成了偏離；還有承重索的施工線形精確控制，以及對抗風(fēng)穩(wěn)定性的控制等。
參考文獻(xiàn)：
[1]楊海洋，鐘鐵毅，夏禾等.鐵路懸索橋縱向非一致激勵(lì)地震響應(yīng)分析[J].振動與沖擊，2014（22）.
[2]楊海洋，鐘鐵毅，夏禾等.中央扣對大跨度懸索橋地震響應(yīng)影響及機(jī)理研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2015（5）.
[3]諸葛萍，章子華，汪思聰，等.大跨懸索橋CFRP主纜-索夾界面抗滑移性能[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（2）.
