大跨度悬索桥猫道抗风设计与施工.pdf

大跨度悬索桥猫道抗风设计与施工 王中文 ， 朱宏平 ， 钟建锋 ， 谭立心 6 5 文章 编号 ： 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 0 9 ) 0 2 0 0 6 5 0 4 大跨度悬 索桥猫 道抗风 设计与施工 王 中文 。 ， 朱宏平 ， ( 1 华 中科技大学土木工程与力学学 长 大公 路工 程有 限公 司 钟建锋 ， 谭立心 院 ，湖北 武 汉 4 3 0 0 7 4 ；2 广 东省 ，广东 广 5 1 0 6 2 0 ) 摘 要 ：以珠 江黄 埔 大桥 南汉 悬索桥 为 工程 背景 ， 对 大跨 度 悬 索桥 施 工猫 道 的 设计 特 征 、 抗风 性 能和 整体施 工过 程进 行研 究。结 果表 明 ， 取 消抗 风缆 ， 增 加横 向 天桥 和 水 平 与 竖 向抑振 绳 ， 在 不 影 响通航 的条件 下 ， 能保证 良好 的抗 风 能 力和整 体稳 定性 ， 加 快猫 道施 工进 度 。最后 介 绍猫道 安 装 工艺流 程及 关键 安装 工序 ： 导 索过 江 、 托 架 支承 索 架设 及 承重 绳 架设 。 关键 词 ：悬索桥 ； 钢 梁 ； 箱形 梁 ； 猫 道 ； 设计 ； 抗风 稳 定性 ； 施 工 中 图分类 号 ：u4 4 8 2 5 ； u4 4 3 3 8 文献 标 志码 ： a w i n d re s i s t a n c e de s i g n a n d co n s t r u c t i o n o f ca t wa l k f o r lo ng s p a n s u s p e n s i o n br i d g e wang z h o n g w e n ， z hu ho n g - p i n g ， z ho ng j i a n f e n g ，t an l i x i n ( 1 s c h o o l o f ci v i l en g i n e e r i n g me c h a n i c s ，hu a z h o n g un i v e r s i t y o f s c i e n c e 8 l te c h n o l o g y，w u h a n 4 3 0 0 7 4， ch i n a ；2 gu a n g d o n g ch a n g d a hi g h wa y en g i n e e r i n g co ，i t d ，gu a n g z h o u 5 1 0 6 2 0，ch i n a ) ab s t r a c t ：ag a i n s t t h e b a c k g r o u n d o f t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e s o u t h b r i d g e ( s u s p e n s i o n b r i d g e )o f hu a n g p u br i d g e o v e r z h u j i a n g ri v e r ，t h i s p a p e r c o n d u c t s a s t u d y o f t h e d e s i g n c h a r a c t e r i s t i c s，wi nd r e s i s t a nc e p e r f o r m a nc e a n d who l e c o ns t r uc t i on pr o c e s s o f t he c a t wa l k f or c o ns t r u c t i o n o f l o ng s p a n s us pe n s i o n br i dg e th e r e s u l t s of t he s t ud y s ho w t h a t t he c a n c e l l i n g o f t he wi nd r o pe s a nd i n c r e a s i n g o f t h e t r a ns v e r s e br i d ge s ，h or i z o nt a l a nd v e r t i c a l v i br a t i on s u ppr e s s i on r op e s f o r t he c a t wa l k o n c on di t i on t ha t t he na v i g a t i on w i l l n o t be i nt e r f e r e d c a n e n s u r e go o d wi nd - r e s i s t - a n c e c a p a c i t y a n d g l o ba l s t a b i l i t y of t he c a t wa l k a n d c a n s pe e d u p c o ns t r u c t i o n pr o gr e s s o f t he c a t wa l kadd i t i ona l l y，t h e pa p e r a l s o d e s c r i be s t he c on s t r uc t i o n pr o c e s s f l o w a nd ke y wo r ki ng pr o c e du r e s o f t he c on s t r u c t i o n of t he c a t wa l k， i nc l u di n g p i l o t i n g o f t he c a b l e wi r e s a c r os s t he r i v e r a n d i ns t a l l a t i on o f t he s u p por t i ng c a bl e s a nd l o a d c a r r y i ng c a bl e s ke y wo r ds ： s u s pe n s i o n br i d ge； s t e e l gi r d e r ； bo x gi r d e r ； c a t wa l k； de s i gn；w i nd r e s i s t a nc e s t a b i l i t y；c on s t r uc t i on 1 前 言 施工 猫道是大跨径悬索桥施 工必备的 临时结 构 ， 为主缆架设 、 索夹和吊索安装、 钢箱梁吊装、 主缆 防护等提供施工操作平台， 是材料及工具运输 的通 道 ， 猫道 的使 用贯 穿 整个悬 索 桥上 部结 构安 装工 程 ， 使用周期长 。如何 提高其抗风稳定性 ， 确保施工安 全 ， 且做到施工简便 、 费用节省是猫道系统设计的关 键 问题 。 收稿 日期 ： 2 0 0 8 1 o 一2 7 基金项 目： 广东 省交通科技项 目( 2 0 0 6 2 5 ) 作者简介 ： 王 中文 ( 1 9 6 5 ) ， 男 ， 教授级高工 ， 1 9 8 8年毕业于 长沙交 通学院路 桥专业 ， 获学士 学位 ， 2 0 0 1年毕业 于西南交 通大学交 通土建专 业 ， 获硕士学位 ， 现为华 中科 技大学 博士研究 生( w a n g z h o n g we n v i p 1 6 3 c o rn) 。 6 6 桥梁建设 2 0 0 9年第 2期 以珠 江黄 埔 大桥 南 汉 悬索 桥 为 背景 ， 研 究 大跨 度悬索桥施工猫道的设计 、 抗风性能和施工工艺 ， 其 结果 可为 同类 桥梁 的施 工提 供参考 。 2猫道 结构 设计 特征 珠江黄埔 大桥 是 同三、 京珠 国道主干线 绕 广州 公路 东环段 中连接广 州 市 区与番 禺区 的一座 特 大型桥梁， 其中南汊主桥为主跨 1 1 0 8 m 的单跨双 索面钢箱梁悬索桥 ， 主缆跨径组成为( 2 9 0 +1 1 0 8 + 3 5 0 )m。 猫 道 跨 径 组 成 与 主 缆 空 缆 时 相 同， 为 ( 2 8 8 8 1 +1 1 0 8 5 6 +3 4 8 4 4 2 )1t i ， 总体布置见图 1 。 猫道 面层 位于 主缆 空载 中心线 下方 1 5 m， 宽 4 m， 每条 猫 道 承重 结 构 由 8根 声 4 8的 承重 绳及 2根 4 8的门架支承索组成 ， 承重绳 和门架支 承索通过 猫 道 门架 及 门架斜 拉绳联 系 形成 空间结 构 。猫道扶 手 为 2根 声 3 6的钢丝绳 ， 也 参与 承重 受力 。 猫道 主要 结构 设计 特征 如下 ： ( 1 )承 重绳结 构 。该桥 猫道 承 重绳 采 用 三跨 连 续结构， 其优点是 预埋 件少 ， 偏 载时猫道不容易倾 斜 。为便 于承 重 绳 的安 装 及 拆 除 ， 每 条 猫 道 绳 分 3 段制作 ， 在索塔靠中跨侧设 2个索节， 架设及拆除均 可 以分成 3段 。 ( 2 )横 向天 桥及抗 风稳 定措 施 。由于珠 江黄埔 大桥 跨越 的水 道水 运 交 通 繁 忙 ， 故 猫道 系统 不 设抗 风缆绳。但为了提高猫道的抗风稳定性， 在 2条猫 道 间增加 横 向天桥 ， 并 在 天 桥 两 侧设 水 平 交 叉 抑振 钢丝绳 ， 以提高猫道 的水平刚度及抗倾覆能力 。该 桥 2条 猫 道 间 共 设 1 o道 横 向 天 桥 ， 其 中北 边 跨 1 道 ； 中跨 7道 ， 沿线 形 间距 1 4 9 m； 南边 跨 2道 ， 间距 1 5 9 1t i 。在中跨 5道天桥顺桥向两侧设交叉 2 8钢 丝绳 作为 水平 抑振 绳 。 ( 3 )猫道 底 梁及 门架 。猫 道底 梁 的作用 ： 把 8根猫道承重绳连成整体共同受力 ； 作为 门架及 天桥 的支 承连 接结 构 ； 把 猫道 面 层 固定 在 承重绳 上 防止面 层滑 动 。猫道底 梁 分 3 种 ： 横 向天桥 底梁 、 门 架底梁及 中间底梁 。采用“ 刚度大、 间距大” 的形 2 88 81 1 l 1 0 8 5 6 式布置猫道底梁， 这样既减轻 了猫道恒载又提高了 整体刚度 。猫道门架的作用 ： 作为索股牵引钢丝 绳导 轮组 的支 承结 构 ； 把 承重 绳 与 门架 钢丝 绳联 系起来共同受力 。每条猫道设门架 3 4 个 ， 其中北边 跨 5个 ， 中跨 2 3个 ， 南边 跨 6 个 。 ( 4 )猫 道 面 层 。猫 道 面 层 由承重 网 、 步行 网及 防 滑方木 组成 。承 重 网 可选 择 钢丝 扣 网、 s型 钢丝 编织网或钢丝焊网。钢丝扣网和 s型钢丝编织 网的 优点是铺设方便 ， 卷成筒 1次可 以铺 2 0多米长 ； 缺 点是面层刚度小 、 不平整 ， 使用效果差， 风阻系数大。 钢丝 焊 网的优 点是 刚度大 、 面层 平 整 ， 施 工人员 行走 舒适 ， 透风率大风阻系数较小 ； 缺点是铺设不方便。 从以人为本、 改善施工条件及文明施工的角度考虑， 采用 钢丝 焊 网的形 式 。 ( 5 )猫道 承重 绳锚 固系统 。猫 道承 重绳 锚 固系 统设计首先要考虑有足够的调整范围， 以满足悬索 桥在 不 同施工 阶段 的垂度 要求 ， 其 次考虑 操作方 便 、 结构简单降低成本 。该桥猫道锚固系统通过变位钢 架和转向索鞍锚 固在索股的前锚面 ， 其优点是受力 明确 ， 均采用普通常规材料， 调整量大， 扶手绳 、 门架 绳锚 固无 需另 外 设 计 ； 缺 点是 垂 度 调 整麻 烦 。承重 绳、 门架支承索及扶手绳均通过散索鞍支墩顶的转 向装 置 ， 锚 固在索 股 前 锚 面 上 。每 根 4 8钢 丝绳 通 过 2根 3 6精 轧螺 纹 钢筋 锚 在 锚 固件 上 ， 通 过精 轧 螺纹钢调整承重绳的垂度 。 ( 6 )变位 钢架 及下 压装 置 。 由于采 用 三跨 连续 钢丝绳 ， 当承重绳通过塔顶主索鞍或散索鞍两侧时 ， 通过 用 型钢 制 作 的变 位 钢 架 调整 承 重 绳 之 间 的 间 距 。为保 证 猫 道 面 层 与 主缆 之 间 有 足 够 的操 作 空 间， 在索塔顺桥 向两侧设承重绳下压装置， 下压装置 主要 由下 压梁 、 猫道 滑车 组及锚 固结构组 成 。 ( 7 )猫 道 牵 引 系 统 。牵 引 系 统 主要 由卷扬 机 、 钢丝绳和拽拉器串接而成 。牵引系统布设于每条主 缆上 方 ， 跨 越北 锚碇 、 北塔 顶 、 南塔 顶及南 锚碇 之 间。 牵 引系统 用 于猫 道 承重 索 、 猫 道 扶 手 绳 、 猫 道 面层 、 门架 承重 索 等牵 引 架 设 。牵 引 系统 为 单 线往 复 式 ： 水平抑振钢丝绳 2 8 图 1猫道总体布置 单位：m 大跨度悬索桥猫道抗风设计与施工 王 中文 ， 朱宏平 ， 钟建锋 ， 谭立心 6 7 主缆一侧牵引系统之北锚 、 南锚各布设 1台牵引卷 扬机。牵引系统的钢丝绳支承于主索鞍吊架和散索 鞍吊架的滑轮组之中。根据计算 ， 单套 牵引系统采 用 2 5 t 双 筒 摩 擦 式 无 级 调 速 ( 3 3 0 m mi n ) 卷 扬 机 ， 牵 引钢 丝绳 全部 采用 3 6 钢 丝绳 。 3施 工猫 道抗 风分 析 由于该桥桥址所在地 区属亚热带季风气候 ， 为 台风多发区， 特别是在 6 1 1 月份的台风季节， 特别 容 易遭 受 台风袭 击 。为 了保证该 桥 施工猫 道 在施 工 期 间 的抗 风稳 定 性 ， 对 施 工 猫 道 进 行抗 风分 析 。根 据 公路 桥梁 抗 风设 计 规 范 ， 桥 位 处 地 表 粗糙 度 应 为 a 类 与 b 类 之 间 ， 取 地 表 粗 糙 度 系 数 a为 0 1 4 。桥 位 基 本 风 速按 6级 风 v。 一1 3 0 m s 。桥 址区离地面 2 0 m高处 1 0 0年一遇 1 0 mi n平均最大 风速 为 v 。 。 一4 1 4 m s 。施 工 阶段 取 2 0 m 高 处 3 o 年一 遇 的平 均 风速 3 8 1 m s 。 3 1 猫道 节段 模 型三分 力 系数 猫道模 型 的三分 力 系数是 计 算猫 道抗 风稳 定 的 最重 要 的参 数 ， 通 过 节段 模 型风 洞 试 验 来 获 取 。本 猫道节段模 型的缩尺 比为 1：1 0 ， 刚体节段模型长 度取 1 2 0 0 m。在模型中采用相应尺寸的钢条代替 绳 、 索及猫道面层木条 ， 采用相同孔 隙率 的钢丝网。 在同济大学土木工程 防灾国家重点实验室 t j 一2 号 风洞 中进 行试 验 。试验 风速 v = = = 1 0 m s ， 攻 角 a 为 一2 o +2 0 。 ， 间 隔 1 。 。 由试 验结 果【 5 整 理 的三 分 力系数随风攻角 的变化 曲线见 图 2 。由图 2可知 ， 横 桥 向气 动 力系 数 c 与 阻 力 系 数 c 。随 风 攻 角 的 变 化 明显 ， 即在 风攻 角 为 0 。 时 最 小 ， 随着 风 攻 角 绝 对值 的增大而增大； 而竖 向气 动力系数 c 、 ，和气 动 扭矩 系数 以及 升力 系 数 c 与 风攻 角 大致 呈线 性 变 化， 但斜率较小并 接近 0 ， 尤其是 c m； 因此， 猫道 在 横 向风荷 载作 用下具 有 较好 的扭 转稳定 性 。 图 2猫道 三分 力系数随攻角变化 曲线 3 2 猫道 抗 风稳定 性 分析 采用 ans ys结 构分 析 软件对 该 模 型成 桥 状态 扶手绳参 与部 分受力情况下进行 结构动力 特性分 析。其 1阶反对称竖弯频率为 0 0 6 7 7 hz ， 1阶反 对称 扭 转频 率 为 0 1 4 1 6 hz ， 1阶 正对 称 竖 弯 频 率 为 0 1 6 6 5 hz ， 1阶正对称扭转频率为 0 1 9 4 8 hz 。 3 1 1 抗 风稳 定 性验算 公路 桥梁 抗 风设计 规 范 【 4 中给 出 的静力 横 向 屈 曲 、 静力 扭转 发散 的临界 风速估 算 方法 ， 根 据风洞 试 验 得 出的静 力 系数和 结构 动力 特性 计算 得 出 的最 不利振型组合为 1阶反对称扭转和反对称竖弯 ， 猫 道 抗 风稳定 的计算 结果 ( 临 界 检 验 风 速 为 2倍 的设 计 风 速) 见 表 1 。 表 1 抗风稳定性计算结果 3 2 2 猫道结构强度分析计算 按 照“ 恒 载 +活 载 +施 工 阶段 风荷 载 ” ( 工 况 1 ， 计算 风速 取 1 5 4 7 m s ) 及 “ 恒 载 +最 大 阵风荷 载 组 合” ( 工况 2 ， 计算风速取 5 9 2 5 m s ) 组合工况， 分别 在扶 手绳 参 与受 力及 不 参 与受 力 情 况 下 ， 对 猫 道 的 结构强度进行验算 ， 其轴力及安全 系数计算结果见 表 2 5 。 表 2扶手绳受力 时构件最大 轴力及安全系数 表 3 扶 手绳受力时主跨单元平均轴 力及 安全系数 表 4 扶手绳不参与受力时构件最大轴 力及 安全系数 表 5扶手绳不 参与受力时主跨单元平均轴力及安全 系数 由表 2 5可知 ， 绳索的轴力分布大体上是理想 分布 ， 平均轴力也完全满足安全系数大于 3的要求 。 因此 ， 猫道在横桥向风作用下抗风稳定性满足要求 。 同时可知， 在局部范围内， 刚度分布与理想化的绝对 6 8 桥梁建设 2 0 0 9年第 2 期 刚性和绝对柔性的刚度分布不同， 轴力分布与计算 相 比更趋于合理。但在较大风速下 ， 应撤离施工活 载 ， 并采取相应措施 以增大结构 的强度。在较大风 荷 载作用 下 ， 结 构姿 态会 发生 自适 应性调 整 ， 以整体 抵抗风荷载作用。考虑到这点， 在实际工程中， 整体 轴力分布应 与扶手绳不 参与受力计算时 的情况 相 吻合 。 4猫道 架设 4 1 猫 道安装 工 艺流程 该桥 猫 道安装 工艺 流程 见 图 3 。 l 塔顶 及支 墩 顶1 1 猫 道面 层及 横1 1 猫 道面 层及 横 l 门 架 系统 安 装l厂 向 天桥 安装 r 向 天桥 加工 面i l 面赢磊 i 备制造购置 l l l 主塔顶变位复测i l 中跨导索l l 调整猫道面层i l 过 江 安 装 l l _ r 一 = l 森 l 托 架 支 承 i i i 扶 手 、 安 全 嘲 i i =二= = = i i i 猫道门 架 支承f i 猫 道 承 重 l l索 及 门 架 安 装 l l 西 i锚 固 系 统 l l_ t _j l 孤 眄五丽 一 图 3猫 遭 安 装 工 艺 流 程 4 2主要安 装工 艺 猫道安装关键工序： 导索过江、 托架支承索架设 及 承重 绳架 设 。 ( 1 )导索过 江 。采用 “ 分段 牵 引 ， 江 中对 接” 法 ， 即用拖轮将南岸导索拖至定位驳船处 ， 临时连接 ， 待 北 岸导 索被 拖至 定 位驳 船 后 ， 用 钢 丝 绳 卡将 两岸 导 索对接卡紧， 然后提升至通航标 高。导索分 2段牵 引 ， 缩 短 了牵引距 离 ， 减小 了牵 引 动 力 ， 利 于 导索 牵 引和提升 ， 缩短封航时间。上 、 下游导索采用分别过 江方案 。 ( 2 )托架支承索架设。按设计 图， 先架设扶手 绳 ( 3 6 ) ， 将其作为托架承重绳 ， 待猫道承重绳架设 完成后 ， 再拆除扶手绳。用牵引绳直接架设 托架支 承索 ， 在牵 引过程 中， 为减小钢 丝绳 的垂度 ， 每 隔 1 0 0 it i 用双环式吊具将被牵引的托架支承索悬挂于 牵引索上。放索时 ， 卷扬机始终保持适当的反张力 ， 使钢丝绳保持一定垂度， 以维持一定的通航高度。 ( 3 )承重绳架设。基于安全及架设速度考虑 ， 结合该桥地形条件 ， 用索节连接南边跨及 中跨承重 绳 ， 采用 “ 托架 法” ， 从 南锚 开始 往北 塔架设 猫道 承重 绳 ； 北 边跨 承重 绳 在地 面展 开 后 ， 直 接提 升 ， 在 北 塔 靠中跨位置与中跨承重绳