浙江平湖九龙山通天桥猫道的设计[1]

文章编号:025822724(2003)022*******
浙江平湖九龙山通天桥猫道的设计
廖礼坤
(中国铁路工程总公司十一局集团公司建筑安装工程处,湖北襄樊441003)
摘　要:通天桥是浙江省九龙山旅游度假区内的一座空间索桁架结构人行桥,主桥跨度208m.该桥具有自重较轻和抗风性能好的特点1桥跨结构由承重索、背索、桥面索及抗风索等组成,所有索都施加了预应力以增加结构的刚度和稳定性.由于桥塔、主缆和桥面索都采用空间结构形式,使施工难度增大.介绍了该桥猫道结构的设计方案和设计思路,采用了考虑非线性影响的解析的索结构计算理论.计算了该桥猫道结构恒载与活载下的结构线形和内力.
关键词:悬索桥;非线性;空间索桁架;猫道;索结构
中图分类号:U448.25 文献标识码:A
Design of C at w alk of Tongtian Bridge
L IA O L i 2kun
(Engineering Construction Company ,China Railway 11th Bureau Group Corporation ,Xiangfan 441003,China )
Abstract :Tongtian bridge is a foot bridge in Jiulonghsan tourism region ,Zhejiang province.Its main span is 208m.It is light in weight and has good anti 2wind properties.A special cable truss structure is adopted.The bridge span consists of the supporting cables ,the backward pulling cables ,the cables for road surface ,the anti 2wind cables ,and so on.To increase the structural stiffness and stability ,all the cables are prestressed.The construction is difficult ,because of the s patial structure of the bridge tower ,the main cables and those for road surface.The design scheme and nonlinear calculation applied in the design are presented in this paper.The curves and stresses of the cables are calculated under the static and dynamic loads.
K ey w ords :suspension bridges ;non 2linear ;spacial cable trusses ;catwalk ;cable structure
通天桥工程位于浙江省平湖市乍浦镇九龙山旅游度假区内.桥址位于海狭风口,风力大(设计风速54m/s ),海底深达30余m ,海面宽约290m.根据地形和环境条件,设计该人行桥时考虑采用跨度较大、抗风性能好的结构.主桥采用空间索桁架结构,主跨长208m ,桥面宽3m ,两端接引桥.
主桥结构由承重索、背索、桥面索及抗风索等组成,缆索中都施加了预张力,外载产生的负张力,抵消了部分预张力,使得结构变位较小,刚度较大,同时有利于结构抗风稳定性.桥面采用钢丝网结构,风阻力小,抗风性能好.
图1为通天桥总体布置立面图1
图2为平面布置图1
图3为桥塔结构布置图.
从其结构总体方案图可见,结构总体布置与常规悬索桥[1]大不相同.本桥具有结构形式新颖、自重较轻、抗风性能好、跨越能力强等特点,该结构形式桥型为国内首创.为满足该新型结构的施工要求,在桥轴线位置设计了一条猫道结构.
收稿日期:2002211213
作者简介:廖礼坤(1961-),男,高级工程师,博士研究生.
第38卷　第2期2003年4月 西　南　交　通　大　学　学　报J OU RNAL OF SOU THWEST J IAO TON G UN IV ERSIT Y
Vol.38　No.2Apr.2003
图1　通天桥立面布置图(单位:高程为m ,其余均为cm )
Fig.1　The elevation of Tongtian Bridge (altitude unit :m ;the rest units :cm
)
图2　通天桥结构平面布置图(单位:cm ) 图3　桥塔结构图
Fig.2　The plan of Tongtian B ridge sturcture (unit :cm ) Fig.3　B ridge tower st ructure 1　猫道系统的设计原则
悬索桥施工猫道是架设在主缆之下、平行于主缆线形布置、让施工人员进行施工作业的高空脚手架,是主缆系统乃至悬索桥整个上部结构的施工平台,担负着诸如索股牵引、调股、整形入鞍、紧缆、索夹及吊
索安装、箱梁吊装及工地连接、主缆缠丝、防护涂装等重要任务[2].其结构主要由猫道承重索、猫道面层、
栏杆及扶手、抗风系统、横向天桥及塔架等构成.
根据本工程特点及设计要求,上部结构安装施工猫道系统的设计原则为:
(1)猫道垂度要符合主缆在无应力状态下的施工作业要求,即猫道面的线形应符合主缆在无应力状态下的线形,以确保主缆最终成形质量.
(2)在安全上应保证有足够的强度和抗风稳定性.
(3)作为施工用临时脚手架,应尽量减轻自重,减少挡风面积,既能防火又能满足作业所需的工作面和操作净空要求,在构造上应尽量为施工作业提供便利条件.
(4)猫道系统本身要构造简单,架设调整和拆除方便,节约临时工程的作业时间和费用.
(5)本工程猫道系统与架空运输索道同时设计,共用支架系统.
2　猫道结构的非线性计算理论
2.1　恒载状态的计算理论
猫道承重索的线形与恒载的形式有关.对于索结构,当作用于其上的荷载沿跨度均匀分布时,索的形状为二次抛物线;当作用于其上的荷载是沿索长均匀分布时,结构的线形是悬链线;当作用于其上的荷载是集中荷载时,结构的线形是分段的多边形折线.对于实际的猫道承重索,作用于其上的荷载可分为两类,一类是沿索长分布的均匀荷载,如索自重、猫道面层重、扶手结构重量等,另一类应作为集中荷载简化,如比较重的横梁、门架、横向通道等.如果将主要为集中荷载的重量换算为匀布荷载,一方面结构的实际线形与计算的不一致,另一方面结构的内力可能偏小,使结构设计偏于不安全.
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因此,本工程中对于猫道承重索的荷载计算模式,采用沿索长均布的分布荷载加集中荷载计算.计算的方法是以保证猫道跨中标高为目标,迭代计算结构的线形和内力.计算的方法与过程如下[3]:
将承重索简化为柔性索.该索的受力状态为:承受承重索、面层、扶手绳和钢丝网等材料自重产生的分布荷载(简化为沿索长均匀分布的荷载);在门架、抗风索横梁等处索承受集中力.集中力的大小为这些结构的自重或外加力的大小.承重索在这样的力作用下的线形是分段悬链线,即在集中力作用点之间为悬链线,集中力作用点为分段悬链线的端点.根据设计要求,索上跨中应达到设计标高.
对图4所示力学模型,在两集中力作用点之间的曲线段i 有如下的曲线方程:
y i (x i )=F H ch αi -ch 2βi x i l i
-αi
q
αi =arsinh
βi c i
l i sh βi
+βi βi =ql i
F H ,(1)式中F H 为索力的水平分力,其它符号意义如图所示.
若将索分为n 段,则由图4有如下的力平衡及变形相容条件:(1)∑c i =c ;(2)跨中或索上任意点通过给定点;(3)各局部坐标原点处满足力平衡条件,即
F H d y i
-1d x i -1x i -1=l i -1-F H d y i d x i x i
=0=P i -1.根据式(1)及以上3个条件,即可建立非线性计算的迭代过程,从而求出索力水平分量F H 与索的恒载线形、各段索的无应力长度及弹性伸长.
索的计算力学模型如图5所示.按照索的受力特点和指定点的标高,可以建立索线形的计算过程.
图4　索的计算模式示意图
Fig.4　Calculating mode of the cable
2.2　外部影响的计算理论
作为施工脚手架的猫道,在其使用过程中将受到悬索索股、施工人员、施工设备、温度和风等外部影响的作用,这些作用是在恒载基础上产生的.由于索结构在外部影响作用下其受力与变形是非线性的,因此对于外部影响的受力分析应采用非线性的方法.
对于已经计算出结构恒载状态的猫道承重索结构,已知的条件是索的无应力长度和作用于其上的荷载.利用索曲线的平衡条件,可推导出图5所示结构的力与线形的关系[4,5]:l =
F H L 0EA +F H L 0W arsinh F V F H -arsinh F V -W F H ,(2)h =WL 0EA F V W -12+HL 0W 1+F V
F H 21/2-1+F V -W F H
21/2,(3)式(2)和(3)中:l ———索段的跨度;h ———索段两端点的高差;F H 和F V ———索段左端索张力的水平分力和竖直分力;W ———索段的竖向荷载;EA ———为索的弹性模量与截面面积乘积;L 0———索段的无应力长度.
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实际的猫道承重索结构受外荷载作用可简化为图6所示的多个集中荷载,在已知各集中力分段之间的索无应力长度后,其计算仍然可以利用式(2)和式(3),只需将各分段的F H 和F V 用式(4)代替即可.
F H i =F H -
∑i -1m =1Q m , F V i =F V -∑i -1m =1P m -∑i -1
m =1W m ,(4)
式中W m 为索段内分布荷载的总重,其它如图6所示
.
图5　索段悬链曲线
　图6　多个集中荷载作用的索 Fig.5　Catenary of suspension cable section Fig.6　The cable under multi 2concentrated load 计算的思路是假定F H 和F V ,代入式(2)和(3),计算各分段的跨度l i 和两端点的高差h i ,利用已知的索的跨度l (l =∑l i )和两端点的高差h (h =∑h i ),检查假定H 和V 是否是真实值,如果不是,根据计算差值所获得的信息,修正F H 和F V ,重新计算.经过反复迭代,直到计算的跨度l 和两端标高差h 满足精度要求.
3　猫道的设计及构造
(1)总体设计1根据上部结构和桥塔结构的特点,本桥的施工方案设计与常规悬索桥不同.施工中利用贝雷片另外架设塔架作为施工猫道的塔,在两边跨搭设钢管脚手架作斜坡引道,即设计了图7所示的施工猫道作为施工脚手架
.
图7　施工脚手架———猫道结构布置示意图
Fig.7　Structure of the catwalk
设计的猫道中跨跨度为208m ,跨中处垂度为19m ,猫道面宽3m ,于桥址中心线处布置.在南北塔墩体上安装贝雷架塔架,塔架高24m.承重索采用连续式布置形式,在塔架顶部设置滑车,将承重索置于滑槽内,承重索南北两端分别斜向锚固于锚碇体及北引桥桥墩上,在北端设置承重索长度调节装置.
(2)猫道承重索设计1承重索是猫道结构的主要受力构件,应选用强度高、耐腐蚀性好,耐疲劳性、柔软性能优越、徐变小的材料.选用5<21钢丝绳作为承重索.一般多股缠绕式新钢丝绳非弹性变形大,弹性模量小,为保证猫道的线形和主索制作质量,承重钢丝绳应在下料前进行预张拉,消除非弹性变形.
(3)猫道面层设计1猫道面层布置不仅应具有便于安全作业的结构构造,还应在选材时考虑满足猫道整体具有足够的刚度.可采用木板及木梁结构,也可采用钢丝网.
根据本工程工艺要求,承重索制作需要严格控制其长度及角度,猫道面层除满足人员走行、材料机具
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摆放、承重索制作等使用功能外,还要确保承重索制作时猫道变形在允许的范围内1为此,猫道面层采用以下方案:在猫道承重索上布置联接木横梁,上面再铺设木板.横梁间距2m,木板厚4cm.
猫道两侧每2m设一根栏杆立柱,全长范围每侧栏杆上设2<15钢丝绳作为扶手索.
(4)猫道抗风设计1由于猫道自重小,且桥址正处于风口,上部结构施工又属高空作业,风的影响尤为突出1为了提高施工期间猫道的抗风稳定性、足够的刚度及调整线形的需要,需在猫道下方设抗风缆系统来保证.在猫道跨度1/4和3/4处的承重索上设置角钢横梁,两侧分别设置<21钢丝绳作为抗风缆与角钢横梁连接,抗风缆另一端分别锚固在南北抗风锚碇预埋件上.
(5)塔架设计1在墩体顶面预埋6片12mm厚钢板作预埋件,随后在预埋钢板上搭设贝雷片标准节,横桥向3排,间隔1.18m,高24m(8片贝雷片),两岸各24片.贝雷片阳头向下、在底部用两穿孔钢板与预埋钢板焊接后销结,横向采用角钢组合件联系,顶部焊接24a工字钢,两侧穿孔后安装葫芦组合,四周拉风缆完成安装.
4　猫道的设计计算
根据以上介绍的非线性分析理论和设计资料,对本桥的猫道结构进行了恒载状态计算和活载、风载作用下的结构内力与变形计算.
(1)基本资料:
猫道承重索自重荷载(5<21钢丝绳):90N/m;
猫道扶手索自重荷载(4<15钢丝绳):36.8N/m;
猫道面层重量荷载(4cm厚木板,宽3m):840N/m;
其它横梁及连接件等荷载:200N/m;
活载:缆索28<15.2,重量荷载为322N/m;
人员及机具等荷载:50N/m1
(2)恒载线形和内力计算.根据前述的计算理论,恒载线形计算以跨中标高为控制点,按作用于猫道上的恒载经反复迭代计算出结构的线形.由于本结构的恒载可全部作为沿弧长均布荷载,因此其结构线形为悬链线,结构的内力为:最大索张力356.22kN,安全系数为5×295.4/356.22=4.146>3.中跨索的伸长为0.509m,曲线形状为悬链线.
(3)活载线形和内力计算.由于猫道结构柔性较大,是非线性影响较大的结构物,因此计算采用前述的索结构的非线性计算理论.全猫道满跨作用活载时,结构的最大索力为461.8kN,安全系数为3.198,大于3.0.结构跨中的最大位移为0.319m,结构变形对称.
在全桥半跨活载作用下,结构的最大内力为406.6kN,向下的最大竖向位移为0.72m,向上的竖向位移为0.54m,可见结构是非常柔性的,非线性的影响也很明显.
5　结束语
通天桥工程上部结构安装工程已经完成.由于猫道结构设计计算采用了考虑非线性影响的解析的索结构计算理论,施工的猫道结构与设计的一致1利用猫道制作和安装的桥梁主缆线形平顺,整个上部空间索桁架结点位置准确,成桥形状符合设计要求,全桥轻巧美观,与旅游区环境协调.具有良好的景观效应.
参考文献:
[1]　钱冬生.大跨悬索桥的设计与施工[M].成都:西南交通大学出版社,1999:13219.
[2]　牛和恩.虎门大桥工程———第二册悬索桥[M].北京:人民交通出版社,1998:1252134.
[3]　沈锐利.悬索桥主缆系统设计及架设计算方法研究[J].土木工程学报,1996;29(2):329.
[4]　王慧东.现代吊桥施工控制与恒载初内力分析迭代法[A].1992全国桥梁结构学术大会论文集[C].上海:同济大学
出版社,1992:5812587.
[5]　Jayaraman H B.A curved element for the analysis of cable structures[J].Com puters&Structures,1981;14(324):3252
333.。