杨奉举

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司 武汉 430050）

1 工程概况

南京长江第四大桥主桥为双塔3跨悬索桥，其跨径布置为166 m＋410.2 m＋1418 m＋363.4 m＋118.4 m，施工猫道采用三跨连续无抗风缆无制振索体系［1］，其跨径组成为571.19 m＋1 421.11 m＋476.72 m。总体布置见图1。

图1 南京长江第四大桥主桥桥跨组成（单位：mm）

猫道面层位于主缆空缆中心线下方1.5 m，宽4 m，每条猫道承重结构由8根直径54 mm的承重索、2根直径32 mm扶手索和2根直径54 mm门架承重索组成。猫道承重索和门架承重索通过猫道门架形成空间整体结构，共同受力。

2 猫道主要结构设计

（1）承重索结构。猫道采用3跨连续结构，其优点是塔上预埋件少，偏载时猫道不容易倾斜。为便于承重索的安装及拆除，每条承重索分成中跨与2个边跨共3段制作，在索塔旁靠中跨侧设2个索节连接成一体。

（2）横向通道及抗风稳定措施。由于桥位处长江航道交通繁忙，猫道系统不能设抗风缆。为了提高猫道的抗风稳定性，在2条猫道之间每隔150 m左右设置1道横向通道。全桥共布置14道，中跨9道，北边跨3道，南边跨2道。

（3）猫道底梁及门架。猫道底梁的作用：①把8根猫道承重索连成整体共同受力；② 作为门架及横向通道的支承连接结构；③ 把猫道面层固定在承重索上防止面层滑动。猫道门架的作用：

（4）猫道锚固、调整系统。猫道承重索和扶手索通过设于散索鞍支墩上的变位刚架及转索鞍锚固于索股前锚面前方底板上，通过锚固系统锚梁上拉杆系统调整猫道承重索和扶手索的线形。门架承重索锚固于索股前锚面顶部，通过精轧螺纹钢调整线形。

（5）变位刚架及下拉装置。由于采用3跨连续猫道，当猫道承重索通过塔顶主索鞍或锚碇散索鞍两侧时，通过型钢制作的变位刚架调整承重索之间的间距。为保证猫道面层与主缆之间的操作空间，在索塔两侧设猫道承重索下拉装置。

3 猫道结构受力计算

利用专用的计算软件，通过对施工过程计算与调整，可以得到结构最终的恒载线形，使猫道承重索与主缆空缆中心的距离保持在1.35～1.80 m之间。

计算猫道承重索的最大／最小内力见表1，计算门架承重索的最大／最小内力见表2。

表1 荷载组合作用下猫道承重索最大／最小内力

表2 荷载组合作用下门架承重索最大／最小内力

由表1，2可知，猫道承重索及门架承重索在施工期间张力安全系数满足《规范》 要求。

4 猫道抗风稳定性计算分析

猫道结构的抗风稳定性研究可通过整个猫道气动弹性模型风洞试验的方法进行，也可通过将节段模型试验与非线性计算分析相结合的方法进行。根据研究，上述2方法具有较好的一致性。对于南京长江第四大桥这样大跨径的悬索桥，考虑到整个猫道气动弹性模型试验的研究途径将导致较大的几何缩尺比，这会因尺寸效应而损害结果的精度，因而本猫道采用后一种方法进行猫道抗风稳定性分析［3］。

4.1 风速的计算

根据当地有关气象资料，取施工阶段距地10 m高20年重现期的设计风速为：vds＝27.5 m／s，由于猫道高度变化较大，在实际计算中应考虑风速沿高度的变化，猫道不同高度的计算风速为：v＝vds×（Z／Z0）0.12。

为了保证猫道在施工过程中的静力抗风稳定性，根据《公路桥涵抗风设计规范》［3］要求，桥梁结构的静力失稳临界风速应大于其设计风速的2倍（线性分析）或者大于其设计风速的1.2倍（非线性分析）。本项目按照非线性静力抗风稳定性计算，检验风速取设计风速的1.2倍，计算猫道平均高度处的检验风速为：

中跨 v＝1.2×vds（Z／Z0）0.12＝43.8 m／s

边跨 v＝1.2×vds（Z／Z0）0.12＝44.0 m／s

4.2 猫道节段模型静力三分力试验

作用于猫道上的静力风荷载与猫道的静力三分力系数有关，因此，首先进行猫道静力三分力系数的测定试验。本试验的猫道节段模型采用1∶5.766的几何缩尺比，模型长2.100 m、宽0.728 m、高0.253 m。模型上筛网的透风率与实型上的透风率尽量一致。试验在西南交通大学单回流串联双试验段工业风洞（XNJD－1）第二试验段中进行。试验风速为25、30 m／s，试验攻角为α＝－20°～＋20°，间隔1°。试验结果表明，2种风速情况下三分力系数非常吻合，证明了数据的可靠性。本次计算采用2种风速的平均值，将试验结果整理的三分力系数随风攻角的变化曲线见图2。由图可知，横桥向气动力系数CH与阻力系数CD随风攻角变化明显，即在风攻角为0°时最小，随着风攻角绝对值的增大而增大；而竖向气动系数CV和气动扭矩系数以及升力系数CL与风攻角大致呈线性变化，但斜率较小并接近0，尤其是CM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 猫道静力三分力系数随攻角的变化曲线（平均值）

4.3 猫道静力稳定性非线性分析

猫道的抗风稳定性，其实是索结构在定常风作用下的静力稳定问题，决定猫道结构是否失稳（倾覆）的主要因素是定常风作用在结构上的空气力构成的倾覆力矩能否被结构内力所平衡。利用猫道节段静力三分力试验结果和有限元分析软件Ansys，对猫道进行非线性抗风静力稳定性分析。分析时作如下考虑：

猫道结构静力失稳主要是发生在横向通道之间的小跨径范围内，在风载的作用下，猫道结构的变位过大及横向通道之间的小跨跨中扭角过大时会发生静力失稳。

由于在主缆施工完成后，猫道将与主缆相联，因而对猫道而言，最不利状态应为无主缆的状态。

猫道在受强风作用时，变位较大，该变位使得风攻角也发生变化，因而风载也随之改变，所以猫道抗风静力稳定性应是几何非线性、非保守的。

经计算可得猫道各截面处在不同风速时的位移。其中横向位移、竖向位移均以中跨跨中截面为最大，扭转角则以中跨跨中附近两横向通道之间的小跨跨中截面扭转角为最大。

4.4 无制振索猫道静风稳定性结果

当无制振索时，中跨跨中横向和竖向位移随风速的变化关系见图3，跨中附近两横向通道之间的小跨跨中截面扭转角随风速关系见图4。由图可见，当猫道平均高度处风速达到55.0 m／s时，小跨跨中截面扭转角急剧增大，表明猫道发生静力扭转失稳。因而，该猫道的静力发散风速在猫道平均高度处为55.0 m／s，该风速高于该高度1.2倍的施工阶段设计风速，即33.0 m／s，因而，无制振索时，中跨猫道的静力稳定性是安全的，猫道静风失稳的风速计算见表3。

计算表明，边跨的静风失稳风速高于中跨，在无制振索时，2个边跨的静风失稳风速分别56 m／s和57 m／s，由此可见，猫道的抗风稳定性受中跨控制。

图3 中跨跨中横向和竖向位移随风速的变化（无制振索）

图4 小跨跨中截面扭转角随风速的变化（无制振索）

表3 猫道静风失稳的风速计算 m／s

4.5 有制振索猫道静风稳定性结果

由于猫道的静风失稳风速只受中跨控制，因此在含有制振索的计算工况中，只考察猫道的中跨。中跨跨中横向和竖向位移随风速的变化关系见图5。跨中附近2横向通道之间的小跨跨中截面扭转角随风速的变化关系见图6。由图可见，当猫道平均高度处风速达到55 m／s时，小跨跨中截面扭转角急剧增大，表明猫道发生静力扭转失稳。

图5 中跨跨中横向和竖向位移随风速的变化（有制振索）

图6 小跨跨中截面扭转角随风速的变化（有制振索）

计算表明，制振索对静风稳定的影响较小。

4.6 紊流风和非正交风作用下的稳定性

大跨度猫道最关心的问题是静风稳定性，猫道是一个临时施工结构，高风速（一般10 min平均风速15 m／s）时，工人已经不能在猫道上作业了，因此对于高风速下的抖振响应，并不影响施工安全。

风洞试验表明，在10 min平均风速大小一定的情况下，紊流风环境中的三分力系数要比均匀流场中测到的三分力系数小，因此，猫道的静风稳定性不考虑的紊流，将会带来更为安全的结构。

根据对国内外大跨度悬索桥猫道的研究表明，非正交风作用下，猫道的静风稳定性高于正交风作用，因此，猫道的静风稳定计算可以只考虑正交风的作用。

5 结语

南京长江第四大桥施工猫道于2011年元月18日开始架设，2011年4月30日架设完毕，没有施加制振索。2012年6月30日完成所有悬索桥上部结构施工项目后拆除猫道，整个施工过程猫道结构稳定、安全，猫道线形与设计相符，施工方便。通过对猫道结构强度及抗风稳定性计算分析，得出以下结论和建议。

（1）猫道承重绳采用3跨连续结构，猫道门架支承索及扶手索参与结构受力更符合实际工况。

（2）增加横向通道，有可效提高结构抗风性能和整体稳定性，而制振索对猫道静风稳定的影响较小。

（3）猫道的稳定计算可不考虑紊流和非正交风的作用。

［1］ 崔 冰，张 克.南京长江第四大桥跨江大桥施工图设计［Z］.北京：中交公路规划设计院有限公司，2008.

［2］ JTJ041－2000公路桥涵施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2000.

［3］ JTG／T D60－01－2004公路桥涵抗风设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.