□文/馬亮 屈喜慶 李飛 高璞

空間索面懸索橋貓道設(shè)計與施工

□文/馬亮 屈喜慶 李飛 高璞

張家界大峽谷玻璃橋為主跨430 m的空間索面地錨式懸索橋，貓道設(shè)計施工和平行索面懸索橋大致相同。由于主纜和吊索的空間位置變化極大，貓道改吊后主纜經(jīng)過橫向?qū)两咏蓸蚓€形，該過程中貓道與主纜線形保持同步變化。文章對工程貓道設(shè)計與施工技術(shù)進行介紹。

空間索面；懸索橋；貓道

空間索面懸索橋的主纜和吊索都采用三維空間的布置形式，來提高整個橋梁結(jié)構(gòu)的橫向剛度和抗扭剛度［1］。張家界大峽谷玻璃橋主纜在空纜和成橋狀態(tài)下的線形有著明顯的差異，在西側(cè)橋塔處橫向中心距為45 m，在東側(cè)橋塔處橫向中心距為50 m，在跨中位置則變?yōu)?.14 m，整個主纜和吊索為空間索面結(jié)構(gòu)，而且整個索面的空間度在世界范圍都極為少見。

1　工程概況

張家界大峽谷玻璃橋為主跨430 m的空間索面地錨式懸索橋，主跨加勁梁跨度為385 m，加勁梁為縱、橫梁體系，鋼縱梁內(nèi)灌注混凝土，鋼縱、橫梁間露空部分鋪設(shè)鋼化夾層玻璃，見圖1。

圖1　加勁梁平面布置

橋面距谷底272 m，橋中間設(shè)有世界最高蹦極點。兩根主索為空間索面，南北側(cè)主索呈不對稱狀態(tài)，北側(cè)主纜跨度布置為55 m+430 m+45 m，南側(cè)主纜跨度布置為80 m+430 m+82 m，矢跨比均為1/10。橋塔基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ)，西側(cè)兩錨碇設(shè)置為隧道式錨碇，東側(cè)兩錨碇設(shè)計為重力式錨碇，見圖2和圖3。

圖2　大峽谷玻璃橋立面布置（北側(cè)主纜）

圖3　大峽谷玻璃橋平面布置

2　貓道設(shè)計

2.1貓道構(gòu)造比選

貓道是架設(shè)在主纜之下、平行于主纜線形的懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工平臺，是施工人員進行主纜架設(shè)、緊纜、索夾安裝、吊桿安裝、防護施工等一系列作業(yè)的重要通道［2］。貓道按照承重索在塔頂?shù)目缭叫问椒譃榉蛛x式和連續(xù)式兩種。

1）分離式貓道。貓道承重索按主跨和邊跨分成3段，各自錨固，塔頂預(yù)埋件數(shù)量較多，布置困難。施工中貓道線形放樣時需多點調(diào)整，投入設(shè)備數(shù)量較多，調(diào)整過程復(fù)雜，工作面多，效率較低，貓道改吊后線形保持較差。由于主、邊跨承重索分離，水平分力不等，會對橋塔產(chǎn)生不平衡力。但其施工簡單，架設(shè)速度快。

2）連續(xù)式貓道。兩邊跨和中跨3段貓道繩在架設(shè)后連成一根整索，在塔頂處設(shè)置轉(zhuǎn)索鞍、變位鋼架以及下壓裝置，使得其施工時架設(shè)較困難。但是由于連續(xù)式貓道在塔頂處可以自由滑動，不會出現(xiàn)不平衡水平力，對降低施工過程中的調(diào)索難度、提高安裝精度均有好處，對懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工控制有利。連續(xù)式貓道需要的預(yù)埋件數(shù)量相對少。

本項目貓道改吊后，要隨著主纜一起進行橫向?qū)敝林骼|接近成橋線形，在這個過程中，連續(xù)式貓道比分離式貓道更容易保證線形。結(jié)合不同形式貓道的靜力分析、貓道和索塔的連接，本項目采用三跨連續(xù)式。

2.2貓道總體設(shè)計

根據(jù)本項目的結(jié)構(gòu)參數(shù)和特點，將主纜空纜線形向下平移1.2 m，作為貓道線形輪廓，整體采用三跨連續(xù)式結(jié)構(gòu)。貓道總寬3 m，凈寬2.8 m。貓道主要由承重索、扶手索、貓道面層、塔頂轉(zhuǎn)索鞍及變位系統(tǒng)、橫向通道等組成。

1）貓道鋼絲索。承重索采用6根φ32 mm鋼絲繩，低于主纜1.2 m；牽引索采用2根φ21.5 mm鋼絲繩；扶手索為φ15.5 mm鋼絲繩，護欄索采用2根φ12 mm鋼絲繩；以上鋼絲繩編織形式均為6×37+1，公稱抗拉強度1 670 MPa。

2）貓道門架。用50 mm×50 mm×5 mm角鋼制作而成的貓道門架主要用于限制錨端承重索的高度，門架高3 m，在主跨按50m一道布置，邊跨各設(shè)計2道。

3）貓道橫梁。由10#槽鋼加工而成，每道間距4 m，用于增強貓道的穩(wěn)定性。

4）扶手、扶手繩。由∠50型鋼組成，扶手高度1.2 m，間距為4 m。采用φ15.5 mm。

鋼絲繩作為貓道扶手繩，中間設(shè)置兩道φ10 mm鋼絲繩，作為安全欄桿繩。

5）貓道面層。貓道寬度為3 m，面層鋪設(shè)鋼板網(wǎng)和密網(wǎng)各一道，兩側(cè)安裝高度450 mm的側(cè)網(wǎng)，鋼板網(wǎng)和側(cè)網(wǎng)規(guī)格相同，均由4 mm厚的鋼板沖孔制作、網(wǎng)格大小為100 mm×60 mm。在貓道面無橫梁區(qū)段，間距500 mm用50 mm×50 mm×1 000 mm木條作為防滑設(shè)施。整體鋪設(shè)完成后見圖4。

圖4　貓道斷面布置

6）橫向通道。貓道結(jié)構(gòu)整體剛度較小，對風(fēng)作用非常敏感?？諝忪o力失穩(wěn)主要是由于橫向通道之間的貓道床面在風(fēng)力作用下發(fā)生過大的扭轉(zhuǎn)變位而致［3］。橫向通道的設(shè)置能夠增大貓道的抗風(fēng)穩(wěn)定性。主纜施工需要橫向?qū)尚?，加勁梁采用纜索吊機施工前需要進行試吊。若設(shè)計橫向通道，主纜對拉前要將其拆除，施工繁瑣并與纜索吊機試吊時的主索空間位置上沖突。放置在橋位附近設(shè)置的風(fēng)速儀經(jīng)過幾年的觀測發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域風(fēng)速很小。貓道自身的剛度能夠滿足抗風(fēng)的需要。綜合考慮多方面因素，貓道設(shè)計中不添加橫向通道。

7）貓道錨固體系。貓道為三跨連續(xù)式，承重索通過東西兩側(cè)的錨固系統(tǒng)錨固在預(yù)埋件上，通過調(diào)節(jié)螺桿調(diào)整承重索的長短。在東側(cè)兩個錨錠的端墻主纜出口下方1.2 m的位置布設(shè)預(yù)埋件，橫向中心距2.1 m，按主纜中心線對稱預(yù)埋。西側(cè)巖錨同樣布置預(yù)埋件進行貓道承重索的錨固，見圖5。

圖5　貓道錨固體系

8）塔頂轉(zhuǎn)索鞍。塔頂貓道承重鋼絲繩固定在主索鞍兩側(cè)的承重索索鞍上，上下鞍槽由5 cm鋼板精加工而成，使用8.8級高強螺栓連接，壓緊鋼絲繩，控制鋼絲繩在塔頂?shù)乃揭苿樱妶D6。

圖6　承重索塔頂固定裝置

2.3貓道的計算

常用的索結(jié)構(gòu)線形計算理論有拋物線理論和分段懸鏈線理論。其中拋物線理論假設(shè)貓道受均布荷載的作用，是一種較實用的方法，懸索橋在跨度不大的情況下采用［4］。本項目采用拋物線理論對貓道的無應(yīng)力長度進行計算。

南北兩側(cè)跨中貓道撓度，4個邊跨跨長、撓度均不相等，所以需要對以上6跨應(yīng)用公式S=S1-△S=L別進行計算。

式中：S為無應(yīng)力索長；S1為計入彈性變形后的索長；△S為承重索的彈性伸長量；L為貓道承重索跨度；f為貓道承重索跨中撓度；H為貓道承重索水平張力；C為兩支點高差。

不同跨相應(yīng)參數(shù)取值見表1，得出北側(cè)連續(xù)式貓道無應(yīng)力長度為553.9 m，南側(cè)連續(xù)式貓道無應(yīng)力長度為613.8 m。

表1　南北側(cè)跨貓道無應(yīng)力長度計算參數(shù)

對貓道承重索進行靜力結(jié)構(gòu)強度驗算和風(fēng)荷載組合結(jié)構(gòu)強度驗算，見表2。

表2　貓道計算荷載組合

經(jīng)過計算分析可以得到，在表2的不同荷載組合下，承重索的安全儲備均滿足要求。

3　貓道施工

3.1貓道架設(shè)

3.1.1貓道承重索架設(shè)

在貓道承重索架設(shè)之前，應(yīng)將鋼絲繩按理論計算長度，做好標記并將貓道承重索的一端固定在東錨錠貓道錨固件上，另一個端頭則與西錨錠卷揚機的鋼絲繩相連并同時將東錨錠反牽引卷揚機φ10 mm鋼絲繩固定，收緊西岸卷揚機，將承重索牽引至東塔頂，用撬棍輔助兩根鋼絲繩的接頭，越過門架頂端的滾輪，調(diào)節(jié)兩臺卷揚機的收放速度，緩慢向西岸牽引；在鋼絲繩連接頭越過東塔約80 m時，東錨錠的另兩臺卷揚機，交替反牽住承重鋼絲繩，防止鋼絲繩向峽谷底部下滑。第一根承重索架設(shè)完成后，用同樣的方法架設(shè)其余承重索至完成貓道承重索的架設(shè)。

3.1.2貓道面層鋪設(shè)

貓道線形調(diào)整到位后，開始架設(shè)貓道面層，在塔頂處，利用吊車將所需物資吊上塔頂，在塔頂施工平臺上，鋪設(shè)貓道橫梁和面網(wǎng)并通過塔底的反牽卷揚機下放，直至跨中，對中間較平緩位置不能自由到達的地方，則通過對岸牽引卷揚機輔助牽引到位。貓道面層牽引到位后，從塔頂向兩側(cè)開始固定貓道面網(wǎng)，安裝扶手、扶手繩，綁扎防滑木條等附屬構(gòu)筑物。

3.2貓道線形調(diào)整

主纜在西側(cè)橋塔橫向中心距為45 m，在東側(cè)橋塔橫向中心距為50 m，在橋梁跨中位置變?yōu)?.14 m。主纜空纜架設(shè)完成后近于平行狀態(tài)，根據(jù)索夾安裝和鋼箱梁架設(shè)需要，要對主纜進行水平偏移，使得兩根主纜水平方向的線形接近于成橋線形。施工中，在索夾及吊索安裝完成后，對主纜1/4、1/2、3/4處分別施加橫向?qū)?，完成主纜橫向偏移，而主纜由平面索向空間索做轉(zhuǎn)換時，貓道也隨同主纜橫向偏移，此時貓道成折線形。在隨后的吊索張拉過程中，通過吊索張力的施加和主梁節(jié)段的吊裝，調(diào)整主纜線形，使其達到成橋狀態(tài)，貓道也隨著主纜變化，過程中要注意貓道向橫橋向內(nèi)側(cè)傾斜時的調(diào)整及貓道改吊鋼絲繩繞索夾的轉(zhuǎn)動。

4　結(jié)語

空間索面懸索橋主纜是空間結(jié)構(gòu)，其貓道設(shè)計與平面纜索結(jié)構(gòu)懸索橋大致相同。而在主纜對拉過程中，要求貓道線形與主纜同步變化。采取有效措施解決貓道變位的困難并降低貓道對主纜體系轉(zhuǎn)換的影響，順利實現(xiàn)由平面到空間索面的轉(zhuǎn)換。

［1］何湘峰.空間纜索懸索橋受力特性及纜索成橋線形分析［D］.大連：大連理工大學(xué)，2009.

［2］王紫超，羅自立，郭勁.官山大橋貓道設(shè)計及抗風(fēng)穩(wěn)定性研究［J］.公路，2015，（1）：67-71.

［3］周暢，杜洪池.三塔兩跨懸索橋貓道設(shè)計與施工［J］.施工技術(shù)，2010，12（4）：63-67.

［4］盧義.大跨懸索橋貓道選型、控制與靜力檢算［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2009.

□屈喜慶/中國建筑第六工程局有限公司。

□李飛、高璞/天津市土木工程綠色建造與節(jié)能技術(shù)企業(yè)重點實驗室。

U443.38

C

1008-3197（2016）03-51-04

中建股份科技研發(fā)課題（CSCEC-2015-Z-06）；天津市土木工程綠色建造與節(jié)能技術(shù)企業(yè)重點實驗室

2016-03-18

馬亮/男，1986年出生，工程師，中國建筑第六工程局有限公司橋梁分公司，從事工程技術(shù)管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.03.017