AS法主纜架設用貓道施工控制計算方法

【摘 要】為確保貓道架設線形滿足施工要求，填補AS法施工技術方面的空白，文章以陽寶山特大橋為研究背景建立有限元模型進行計算分析，重點介紹了AS法主纜架設用貓道的特殊功能以及貓道施工空索階段的標高控制方法，綜合考慮了承重索彈性模量、溫度、橋塔偏位及塔高對標高的修正，能夠有效地提高承重索現場架設精度。

【關鍵詞】AS法; 貓道; 施工控制; 線形調整; 有限元計算

【中圖分類號】U448.25【文獻標志碼】A

貓道是懸索橋施工過程中的臨時腳手架，架設于主纜之下，線形平行于主纜布置。在懸索橋上部結構施工過程中，貓道擔負著輸送索股、緊纜、安裝索夾及吊桿、吊裝加勁梁及纏絲防護等重要任務[1]。貓道系統組成構件多，結構復雜，架設難度大，在施工過程中需通過計算進行精確調整及轉換。

目前國內已建成的大跨度懸索橋（除香港青馬大橋外）均采用預制平行索股法（PPWS法）進行主纜架設，暫無空中紡絲法（AS法）相關參考經驗。現有關于懸索橋貓道的研究主要集中在優化設計、抗風穩定性及貓道線形計算理論等方面，而基于有限元方法的貓道施工控制計算的研究還較少。本文主要總結了AS法主纜架設用貓道施工控制有限元計算分析的關鍵技術，為其它類似工程施工提供參考。

1 AS法主纜架設方法概述

AS法是懸索橋主纜架設方法之一，是將直徑5～7 mm的鍍鋅鋼絲掛在紡絲輪上，往返于橋梁兩側的錨碇之間，以鋼絲為單元架設主纜的工藝，流程示意如圖1所示。

紡絲輪重復工作，當牽引鋼絲達到一股的設計數量時，利用圓形整形器整理成圓形索股，用強力纖維帶間隔3 m包扎定型，后續施工工序與PPWS法基本相同。

紡絲輪每一個來回過程為：兩個紡絲輪包括去程和回程，去程時死絲落入主纜索股成型器，活絲由牽引外側的滑輪支撐，此時另一個紡絲輪回程，紡絲輪轉動一定角度，將去程時的活絲抬起，導入索股成型器。

目前國外普遍采用改進后的恒張力AS法，其基本原理是將架設過程中的鋼絲張力限定為自由懸掛時所需張力的80 %～85 %，剩余部分的鋼絲重量通過安裝在門架上的索股成型器由貓道承受。因此在AS法架設主纜的施工過程中，貓道會因鋪設在其上的鋼絲重量的增大而逐漸下撓，需要及時對貓道線形進行調整，即在索股成型器下端安裝兩根垂度控制索，通過逐步張拉控制索，使貓道恢復到初始線形，保證紡絲完成后的同一索股內的鋼絲張力誤差在允許范圍內。

單層鋼絲架設時，按照上層鋼絲作用于下層鋼絲，下層鋼絲對整個貓道體系具有剛度貢獻考慮，即第一層鋼絲架設計算按照將鋼絲15 %～20 %的重量全部由貓道承擔;第二層鋼絲架設時將15 %～20 %的重量作用在第一層鋼絲上，貓道與第一層鋼絲共同承擔第二層鋼絲重量;以此類推至鋼絲全部架設完成。這就表明隨著已完成紡絲數量的增加，貓道的變形會變得越來越小，線形調整頻率會逐漸下降直至不需要再進行貓道線形恢復控制。

本文采用西南交通大學開發的軟件BNLAS進行計算，BNLAS具有很強的索結構分析功能，可以充分考慮結構幾何非線性的影響，完全能夠滿足計算需求[2]。以陽寶山特大橋為背景建立貓道計算模型，貓道承重索和門架承重索用空間懸鏈線索單元進行模擬;橋塔和門架用空間梁單元進行模擬;變位剛架、橫向通道等構件以集中荷載的形式作用在貓道承重索上。

2 工程簡介

陽寶山特大橋主橋采用主跨650 m單跨鋼桁架懸索橋，中跨主纜矢跨比為1/10，2根主纜中心間距36.0 m。貓道采用三跨連續式布置，上下游各1幅，相對橋中心線對稱布置，主跨和邊跨貓道距主纜中心線鉛垂方向控制距離1.4 m，設計寬度4.0 m，主要由承重索、扶手索、貓道面層、塔頂轉索鞍及變位系統、橫向通道、錨固系統、貓道垂度調整系統等組成。貓道系統總體布置圖如圖2所示。

（1）單幅貓道布置6根48 mm貓道承重索和2根48 mm門架承重索，彈性模量取1.19×105 kPa，貓道承重索總面積為6.51×10-3 m2，門架承重索總面積為2.17×10-3 m2。

（2）貓道門架是主纜架設的關鍵構件，底橫梁上裝有AS法門架特有構件——索股成型器，考慮貓道承重索與門架承重索的錨固點差異，線形不完全平行，貓道門架立柱設計為可調式。全橋共布置門架44道，單個門架重量為1 445.26 kg，門架示意圖如圖3所示。

（3）橫向通道主要作用是提高貓道整體穩定性和抗風穩定性，同時考慮施工人員通行便利，貓道在兩側邊跨各設置1個橫向通道，在中跨設置3個橫向通道，間隔160 m，單個橫向通道的重量為6 409.74 kg。

（4）變位剛架設置在主塔兩側，實現貓道承重索橫向變位[3]，單個變位架重量1 508.78 kg，單個下壓架重量3 304.55 kg。

3 承重索施工控制計算分析

AS法主纜架設用貓道的施工過程大致可分為空索架設、變位下拉裝置安裝、面網及橫向通道安裝、門架承重索架設、門架安裝、索股成型器高度調整等幾個階段。承重索作為貓道結構的主要受力構件，其施工線形的精確控制是至關重要的一環，它關系到主纜架設的施工質量和工期[4]。控制空索狀態下的每一根承重索的標高最為關鍵，其重要程度與懸索橋基準索架設相當[5]。貓道施工控制計算的主要內容就是得到恒載狀態下的承重索無應力長度及每一個施工階段中的承重索標高。

3.1 承重索無應力長度

根據貓道恒載狀態下各類荷載的布置情況在BNLAS中計算得到承重索中心線各跨的無應力長度如表1所示。

理論上，按照由貓道設計線形計算得到的無應力長度下料的貓道承重索進行架設，則架設完成后的線形即為設計線形，而實際上由于鋼絲繩計算彈性模量與實際彈性模量不一致會導致承重索的線形誤差，往往需要施工單位對承重索進行試驗得到準確數據。通過改變彈性模量計算出各跨貓道承重索的無應力長度變化量，可擬合出彈模修正系數，其結果如表2所示，承重索中心線的無應力長度計算公式為：

l=L+E×K+E×K

式中：l為實測彈性模量下的承重索無應力長度;L0為設計彈性模量下的承重索無應力長度;E為彈性模量變化量，增加為正，減小為負;K1、K2為彈模修正系數。

3.2 空索標高控制

在空索架設階段，變位剛架尚未安裝，每一根貓道承重索的無應力長度存在差異，需要利用幾何關系對各根承重索的無應力長進行修正，得到標準橋塔狀態（無塔偏、設計塔高）和設計溫度（20 ℃）下的各根承重索控制標高結果如表3所示，圖4為變位剛架處承重索編號示意圖。

在貓道施工過程中，橋塔發生的偏位、現場溫度的變化、橋塔高度等因素都會對承重索的線形產生影響，為了保證架設的精度，需要將各種因素進行修正才能得到滿足設計要求的空索標高。為計算出各類影響因素的修正系數，可采用單一變量的控制原則：

（1）溫度修正系數：約束塔頂縱向、豎向自由度，進行整體升降溫。

（2）跨度修正系數：約束塔頂縱向、豎向自由度，通過施加塔頂縱向強迫位移來改變每一跨的跨度。

（3）塔高修正系數：約束塔頂縱向、豎向自由度，通過施加塔頂豎向強迫位移來改變橋塔高度。

依據上述方法計算可得到不同溫度、跨度及塔高下的承重索各跨跨中標高變化量，根據數據變化規律可判斷各跨貓道承重索的標高變化量與溫度變化量、跨度變化量及塔高變化量均成線性關系，擬合得到的各根承重索的溫度、跨度、塔高修正系數結果見表4、表5。

貓道承重索中心線的標高控制點位置及標高計算公式為：

x=X+D·K

y=Y+K·（T-20）+D·K+（H+H）×K

式中：x為考慮各種影響時控制點到橋塔中心線的距離;y為考慮各種影響時控制點的標高;KyT為溫度修正系數;KxD、KyD為跨度修正系數;KyH為塔高修正系數;T為實測溫度（℃）;D為相對設計位置的跨度變化量（m），跨度增加為正，跨度減小為負;H1、H2：貴陽岸（H1）橋塔、黃平岸（H2）橋塔相對于設計位置的塔高變化量（m），塔高增加為正，塔高減小為負，計算貴陽跨時H2=0，計算黃平跨時H1=0。

利用上式和各項修正系數可以方便且較精確地根據施工現場溫度、跨度、塔高的實測數據對貓道承重索線形作出調整。

3.3 后續施工階段標高控制

調整好空索階段的貓道承重索標高后，方可進行后續面層鋪設、變位剛架、橫向通道和門架等構件的安裝工作，在每一個施工階段承重索的線形都會發生變化。一般來說，空索階段的承重索標高確定后，后續施工階段的實測線形與計算值相差不大，僅需提供不同溫度下貓道承重索各跨跨中控制點的標高及塔偏結果給施工單位即可。下面僅以變位剛架安裝后的貓道承重索線形結果為例，如表6所示。AS法對貓道的架設線形精度要求較高，若有必要可在每一個施工階段對承重索標高進行修正計算。

4 門架安裝

門架高度由貓道承重索和門架承重索恒載狀態下的高差決定，計算結果如表7所示（僅給出部分位置）。陽寶山特大橋設計門架高度調節范圍為6.6～7.4 m，最小調節刻度5 cm，因此計算的門架高度結果能夠滿足現場施工的要求。

5 成型器高度調整

索股成型器是AS法主纜架設用貓道特有的結構，作為主纜架設過程中與鋼絲直接接觸的構件，是紡絲輪往返工作時死絲和活絲的重要支承結構，更是鋼絲傳遞重量到貓道的重要中間結構，它的高度會直接影響到架設鋼絲的線形精度，因此成型器的高度調整也是非常重要的施工控制內容。索股成型器構造示意如圖5所示。

根據施工方案，成型器理論安裝高度的計算公式為：

H=ΔH+H

式中：H為成型器理論安裝高度;△H為向上調整距離;H0為貓道承重索中心到索股成型器受力梁頂部距離，由成型器的型號尺寸決定。

索股成型器理論安裝高度計算結果見表7（僅給出部分位置）。由于貓道架設誤差、成型器安裝位置誤差、基準絲架設誤差等都會影響成型器最終高度，因此待基準絲架設完成后，需要根據基準絲線形對成型器高度進行精細調整。

6 結束語

（1）介紹了AS法主纜架設用貓道的特殊功能以及改進后的恒張力AS法的基本原理。

（2）以陽寶山特大橋為研究背景，基于有限元分析軟件BNLAS介紹了貓道施工過程中的主要控制計算分析內容，重點介紹了如何考慮承重索無應力長度的修正、綜合考慮溫度、跨度及塔高對空索標高的影響并給出了修正計算公式。

（3）以陽寶山特大橋貓道為例給出了無應力長度結果、各項修正系數、施工階段對應的承重索線形、門架理論安裝高度以及索股成型器調整高度。

參考文獻

[1]孫勝江，梅葵花，黃平明.貓道承重索施工控制計算方法[J].中外公路，2008，28（1）：89-92.

[2]唐茂林.大跨度懸索橋空間幾何非線性分析與軟件開發[D].成都：西南交通大學，2003.

[3]徐陽.大跨懸索橋貓道設計與結構驗算[J].湖南交通科技，2017（2）：174-177.

[4]楊學成，張明卓，朱艷，等.大跨度懸索橋施工貓道若干問題綜述[J].世界橋梁，2007，（2）：61-64.

[5]唐茂林，曾前程，吳玉剛.貓道施工控制計算方法[J].公路，2018，（5）：157-161.

[定稿日期]2021-01-13

[作者簡介]王冠青（1995～），女，碩士，研究方向為橋梁與隧道工程。