楊奉舉

（中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430050）

1 工程概況

南京長江第四大橋主橋?yàn)殡p塔3跨懸索橋，其跨徑布置為166 m＋410.2 m＋1418 m＋363.4 m＋118.4 m，施工貓道采用三跨連續(xù)無抗風(fēng)纜無制振索體系［1］，其跨徑組成為571.19 m＋1 421.11 m＋476.72 m。總體布置見圖1。

圖1 南京長江第四大橋主橋橋跨組成（單位：mm）

貓道面層位于主纜空纜中心線下方1.5 m，寬4 m，每條貓道承重結(jié)構(gòu)由8根直徑54 mm的承重索、2根直徑32 mm扶手索和2根直徑54 mm門架承重索組成。貓道承重索和門架承重索通過貓道門架形成空間整體結(jié)構(gòu)，共同受力。

2 貓道主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）承重索結(jié)構(gòu)。貓道采用3跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是塔上預(yù)埋件少，偏載時(shí)貓道不容易傾斜。為便于承重索的安裝及拆除，每條承重索分成中跨與2個(gè)邊跨共3段制作，在索塔旁靠中跨側(cè)設(shè)2個(gè)索節(jié)連接成一體。

（2）橫向通道及抗風(fēng)穩(wěn)定措施。由于橋位處長江航道交通繁忙，貓道系統(tǒng)不能設(shè)抗風(fēng)纜。為了提高貓道的抗風(fēng)穩(wěn)定性，在2條貓道之間每隔150 m左右設(shè)置1道橫向通道。全橋共布置14道，中跨9道，北邊跨3道，南邊跨2道。

（3）貓道底梁及門架。貓道底梁的作用：①把8根貓道承重索連成整體共同受力；② 作為門架及橫向通道的支承連接結(jié)構(gòu)；③ 把貓道面層固定在承重索上防止面層滑動(dòng)。貓道門架的作用：

（4）貓道錨固、調(diào)整系統(tǒng)。貓道承重索和扶手索通過設(shè)于散索鞍支墩上的變位剛架及轉(zhuǎn)索鞍錨固于索股前錨面前方底板上，通過錨固系統(tǒng)錨梁上拉桿系統(tǒng)調(diào)整貓道承重索和扶手索的線形。門架承重索錨固于索股前錨面頂部，通過精軋螺紋鋼調(diào)整線形。

（5）變位剛架及下拉裝置。由于采用3跨連續(xù)貓道，當(dāng)貓道承重索通過塔頂主索鞍或錨碇散索鞍兩側(cè)時(shí)，通過型鋼制作的變位剛架調(diào)整承重索之間的間距。為保證貓道面層與主纜之間的操作空間，在索塔兩側(cè)設(shè)貓道承重索下拉裝置。

3 貓道結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

利用專用的計(jì)算軟件，通過對施工過程計(jì)算與調(diào)整，可以得到結(jié)構(gòu)最終的恒載線形，使貓道承重索與主纜空纜中心的距離保持在1.35～1.80 m之間。

計(jì)算貓道承重索的最大／最小內(nèi)力見表1，計(jì)算門架承重索的最大／最小內(nèi)力見表2。

表1 荷載組合作用下貓道承重索最大／最小內(nèi)力

表2 荷載組合作用下門架承重索最大／最小內(nèi)力

由表1，2可知，貓道承重索及門架承重索在施工期間張力安全系數(shù)滿足《規(guī)范》 要求。

4 貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算分析

貓道結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性研究可通過整個(gè)貓道氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)的方法進(jìn)行，也可通過將節(jié)段模型試驗(yàn)與非線性計(jì)算分析相結(jié)合的方法進(jìn)行。根據(jù)研究，上述2方法具有較好的一致性。對于南京長江第四大橋這樣大跨徑的懸索橋，考慮到整個(gè)貓道氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)的研究途徑將導(dǎo)致較大的幾何縮尺比，這會因尺寸效應(yīng)而損害結(jié)果的精度，因而本貓道采用后一種方法進(jìn)行貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性分析［3］。

4.1 風(fēng)速的計(jì)算

根據(jù)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)氣象資料，取施工階段距地10 m高20年重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)風(fēng)速為：vds＝27.5 m／s，由于貓道高度變化較大，在實(shí)際計(jì)算中應(yīng)考慮風(fēng)速沿高度的變化，貓道不同高度的計(jì)算風(fēng)速為：v＝vds×（Z／Z0）0.12。

為了保證貓道在施工過程中的靜力抗風(fēng)穩(wěn)定性，根據(jù)《公路橋涵抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］要求，橋梁結(jié)構(gòu)的靜力失穩(wěn)臨界風(fēng)速應(yīng)大于其設(shè)計(jì)風(fēng)速的2倍（線性分析）或者大于其設(shè)計(jì)風(fēng)速的1.2倍（非線性分析）。本項(xiàng)目按照非線性靜力抗風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算，檢驗(yàn)風(fēng)速取設(shè)計(jì)風(fēng)速的1.2倍，計(jì)算貓道平均高度處的檢驗(yàn)風(fēng)速為：

中跨 v＝1.2×vds（Z／Z0）0.12＝43.8 m／s

邊跨 v＝1.2×vds（Z／Z0）0.12＝44.0 m／s

4.2 貓道節(jié)段模型靜力三分力試驗(yàn)

作用于貓道上的靜力風(fēng)荷載與貓道的靜力三分力系數(shù)有關(guān)，因此，首先進(jìn)行貓道靜力三分力系數(shù)的測定試驗(yàn)。本試驗(yàn)的貓道節(jié)段模型采用1∶5.766的幾何縮尺比，模型長2.100 m、寬0.728 m、高0.253 m。模型上篩網(wǎng)的透風(fēng)率與實(shí)型上的透風(fēng)率盡量一致。試驗(yàn)在西南交通大學(xué)單回流串聯(lián)雙試驗(yàn)段工業(yè)風(fēng)洞（XNJD－1）第二試驗(yàn)段中進(jìn)行。試驗(yàn)風(fēng)速為25、30 m／s，試驗(yàn)攻角為α＝－20°～＋20°，間隔1°。試驗(yàn)結(jié)果表明，2種風(fēng)速情況下三分力系數(shù)非常吻合，證明了數(shù)據(jù)的可靠性。本次計(jì)算采用2種風(fēng)速的平均值，將試驗(yàn)結(jié)果整理的三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化曲線見圖2。由圖可知，橫橋向氣動(dòng)力系數(shù)CH與阻力系數(shù)CD隨風(fēng)攻角變化明顯，即在風(fēng)攻角為0°時(shí)最小，隨著風(fēng)攻角絕對值的增大而增大；而豎向氣動(dòng)系數(shù)CV和氣動(dòng)扭矩系數(shù)以及升力系數(shù)CL與風(fēng)攻角大致呈線性變化，但斜率較小并接近0，尤其是CM因此貓道在橫向風(fēng)荷載作用下具有較好的扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

圖2 貓道靜力三分力系數(shù)隨攻角的變化曲線（平均值）

4.3 貓道靜力穩(wěn)定性非線性分析

貓道的抗風(fēng)穩(wěn)定性，其實(shí)是索結(jié)構(gòu)在定常風(fēng)作用下的靜力穩(wěn)定問題，決定貓道結(jié)構(gòu)是否失穩(wěn)（傾覆）的主要因素是定常風(fēng)作用在結(jié)構(gòu)上的空氣力構(gòu)成的傾覆力矩能否被結(jié)構(gòu)內(nèi)力所平衡。利用貓道節(jié)段靜力三分力試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析軟件Ansys，對貓道進(jìn)行非線性抗風(fēng)靜力穩(wěn)定性分析。分析時(shí)作如下考慮：

貓道結(jié)構(gòu)靜力失穩(wěn)主要是發(fā)生在橫向通道之間的小跨徑范圍內(nèi)，在風(fēng)載的作用下，貓道結(jié)構(gòu)的變位過大及橫向通道之間的小跨跨中扭角過大時(shí)會發(fā)生靜力失穩(wěn)。

由于在主纜施工完成后，貓道將與主纜相聯(lián)，因而對貓道而言，最不利狀態(tài)應(yīng)為無主纜的狀態(tài)。

貓道在受強(qiáng)風(fēng)作用時(shí)，變位較大，該變位使得風(fēng)攻角也發(fā)生變化，因而風(fēng)載也隨之改變，所以貓道抗風(fēng)靜力穩(wěn)定性應(yīng)是幾何非線性、非保守的。

經(jīng)計(jì)算可得貓道各截面處在不同風(fēng)速時(shí)的位移。其中橫向位移、豎向位移均以中跨跨中截面為最大，扭轉(zhuǎn)角則以中跨跨中附近兩橫向通道之間的小跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角為最大。

4.4 無制振索貓道靜風(fēng)穩(wěn)定性結(jié)果

當(dāng)無制振索時(shí)，中跨跨中橫向和豎向位移隨風(fēng)速的變化關(guān)系見圖3，跨中附近兩橫向通道之間的小跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角隨風(fēng)速關(guān)系見圖4。由圖可見，當(dāng)貓道平均高度處風(fēng)速達(dá)到55.0 m／s時(shí)，小跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角急劇增大，表明貓道發(fā)生靜力扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。因而，該貓道的靜力發(fā)散風(fēng)速在貓道平均高度處為55.0 m／s，該風(fēng)速高于該高度1.2倍的施工階段設(shè)計(jì)風(fēng)速，即33.0 m／s，因而，無制振索時(shí)，中跨貓道的靜力穩(wěn)定性是安全的，貓道靜風(fēng)失穩(wěn)的風(fēng)速計(jì)算見表3。

計(jì)算表明，邊跨的靜風(fēng)失穩(wěn)風(fēng)速高于中跨，在無制振索時(shí)，2個(gè)邊跨的靜風(fēng)失穩(wěn)風(fēng)速分別56 m／s和57 m／s，由此可見，貓道的抗風(fēng)穩(wěn)定性受中跨控制。

圖3 中跨跨中橫向和豎向位移隨風(fēng)速的變化（無制振索）

圖4 小跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角隨風(fēng)速的變化（無制振索）

表3 貓道靜風(fēng)失穩(wěn)的風(fēng)速計(jì)算 m／s

4.5 有制振索貓道靜風(fēng)穩(wěn)定性結(jié)果

由于貓道的靜風(fēng)失穩(wěn)風(fēng)速只受中跨控制，因此在含有制振索的計(jì)算工況中，只考察貓道的中跨。中跨跨中橫向和豎向位移隨風(fēng)速的變化關(guān)系見圖5?？缰懈浇?橫向通道之間的小跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角隨風(fēng)速的變化關(guān)系見圖6。由圖可見，當(dāng)貓道平均高度處風(fēng)速達(dá)到55 m／s時(shí)，小跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角急劇增大，表明貓道發(fā)生靜力扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。

圖5 中跨跨中橫向和豎向位移隨風(fēng)速的變化（有制振索）

圖6 小跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角隨風(fēng)速的變化（有制振索）

計(jì)算表明，制振索對靜風(fēng)穩(wěn)定的影響較小。

4.6 紊流風(fēng)和非正交風(fēng)作用下的穩(wěn)定性

大跨度貓道最關(guān)心的問題是靜風(fēng)穩(wěn)定性，貓道是一個(gè)臨時(shí)施工結(jié)構(gòu)，高風(fēng)速（一般10 min平均風(fēng)速15 m／s）時(shí)，工人已經(jīng)不能在貓道上作業(yè)了，因此對于高風(fēng)速下的抖振響應(yīng)，并不影響施工安全。

風(fēng)洞試驗(yàn)表明，在10 min平均風(fēng)速大小一定的情況下，紊流風(fēng)環(huán)境中的三分力系數(shù)要比均勻流場中測到的三分力系數(shù)小，因此，貓道的靜風(fēng)穩(wěn)定性不考慮的紊流，將會帶來更為安全的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)對國內(nèi)外大跨度懸索橋貓道的研究表明，非正交風(fēng)作用下，貓道的靜風(fēng)穩(wěn)定性高于正交風(fēng)作用，因此，貓道的靜風(fēng)穩(wěn)定計(jì)算可以只考慮正交風(fēng)的作用。

5 結(jié)語

南京長江第四大橋施工貓道于2011年元月18日開始架設(shè)，2011年4月30日架設(shè)完畢，沒有施加制振索。2012年6月30日完成所有懸索橋上部結(jié)構(gòu)施工項(xiàng)目后拆除貓道，整個(gè)施工過程貓道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全，貓道線形與設(shè)計(jì)相符，施工方便。通過對貓道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抗風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算分析，得出以下結(jié)論和建議。

（1）貓道承重繩采用3跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，貓道門架支承索及扶手索參與結(jié)構(gòu)受力更符合實(shí)際工況。

（2）增加橫向通道，有可效提高結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能和整體穩(wěn)定性，而制振索對貓道靜風(fēng)穩(wěn)定的影響較小。

（3）貓道的穩(wěn)定計(jì)算可不考慮紊流和非正交風(fēng)的作用。

［1］ 崔 冰，張 克.南京長江第四大橋跨江大橋施工圖設(shè)計(jì)［Z］.北京：中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，2008.

［2］ JTJ041－2000公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2000.

［3］ JTG／T D60－01－2004公路橋涵抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.