山区单跨回转缆悬索桥猫道设计施工关键技术

Key techniques for catwalk design and construction of single-span rotating-cable suspension bridge in mountainous

摘要

为总结山区复杂环境下回转缆悬索桥猫道施工的关键技术经验，该文以黄河三峡大桥（主跨为540 m的单塔单跨回转缆钢桁梁悬索桥）为工程背景，采用两跨连续式无抗风缆猫道作为上部结构施工平台，系统阐述猫道设计施工中的三大关键技术对策。针对北侧146 m缆梁交叉区域猫道与钢梁冲突、回转猫道锚固系统设置难度大等问题，采用在锚碇前端设置支架、锚梁锚固猫道索，并随架梁进度分两次安装北侧变位钢架，实现猫道对钢梁的避让。桥址处为黄河三峡库区，猫道施工条件差，分别采用“无人机+垂度控制法”由索塔向回转锚碇牵引迪尼玛绳先导索过江、“单滑钩吊挂法”架设门架支撑索、“双吊环法”架设猫道承重索。施工实践表明：该方法具有牵引力要求低、垂度控制方便、施工高效等优点，对山区陡峭河谷环境下的桥梁架设施工具有良好的适应性。

Abstract

To summarize the key technical experience in catwalk construction for rotating-cable suspension bridges under complex mountainous conditions, this paper took the Three Gorges Bridge on the Yellow River(a single-tower and single-span rotating-cable steel truss girder suspension bridge with a main span of 540 m) as the engineering background. A two-span continuous catwalk without wind-resistant cables was used as the superstructure construction platform, and three major technical countermeasures in catwalk design and construction were systematically elaborated. In the 146 m cable-girder intersection area on the north side, the catwalk and the steel girder collided, and setting up the looping anchorage system for a catwalk was difficult. To address these problems, brackets and anchor beams were set at the front end of the anchorage for anchoring catwalk cables. Following the schedule of girder erection, the profile-shifted steel frame on the north side was installed in two stages to realize the avoidance of the catwalk from the steel girder. The bridge site was in the Three Gorges Reservoir area of the Yellow River, and the construction condition of the catwalk was poor. The pilot cable of Dyneema rope was pulled across the river from cable tower to looping anchorage by using the unmanned aerial vehicle (UAV) + sag control method. The single hook hanging method was used to erect the portal support cable, while the double-suspension-ring method was used to erect the catwalk load-bearing cable. Construction practice shows that this method has the advantages of low traction requirements, convenient sag control, and high construction efficiency, and exhibits good adaptability to bridge erection construction in the steep valley environment in mountainous areas.

Graphical abstract

0 引言

随着交通基础设施的建设与发展，中国桥梁工作者在悬索桥猫道的设计、施工两个方面均积累了丰富的经验。设计方面，除关注强度、抗风稳定等受力性能外，还通过不同的构造方案适应桥型特点。例如，刘家峡大桥^［1］采用小断面三跨连续式猫道，解决了塔顶空间受限问题；宜昌至喜长江大桥^［2］将猫道承重索转向位置由散索鞍支墩提前至锚碇前方，并单独设置承重索转向架，保证了猫道和锚碇的同步施工，有效缩短了施工工期；杨泗港长江大桥^［3］猫道为避让主索鞍和散索鞍，在两岸的主索鞍和散索鞍鞍座主跨侧设置变位钢架，以实现猫道索的水平转向。施工技术方面，根据牵引跨度、地形地貌、可用设备、航道管理要求等条件选择先导索施工方法。清水河大桥为跨越超400 m深V形峡谷，采用“人工配卷扬机空间状态法”完成先导索架设^［4］；万州新田长江大桥桥位为长江三峡库区U形河谷地貌，采用“无人机牵引法”架设先导索^［5］；杨泗港长江大桥采用拖轮拽拉“水面过渡法”架设先导索^［6］；怀来官厅水库特大桥在静水库区则采取“水面浮拖法”架设先导索^［7］。但对于回转缆悬索桥，尤其是主缆位于加劲梁梁面以下、存在缆梁交叉区的情形，尚鲜见针对猫道设计施工的系统性研究报道。

济（源）—新（安）高速黄河三峡大桥为单塔单跨回转缆钢桁梁悬索桥。单根回转式主缆在北侧环绕覆表式重力锚碇形成锚固；且北侧20个节间范围内，主缆位于钢桁梁上下弦之间，导致猫道构造设计面临较多限制。桥址处山形陡峭，北岸锚碇与南岸索塔均紧邻裸岩崖壁，且黄河三峡库区可用工程船舶少，进一步增加了猫道架设难度。本文在借鉴既有工程经验基础上，通过构造和方法创新，成功攻克了项目面临的难题。

1 工程概况

济新高速黄河三峡大桥^［8-9］为单塔单跨钢桁梁悬索桥，主缆跨径布置为（540+185）m，成桥状态垂跨比为1/16。南岸为109 m高混凝土桥塔及散索鞍重力式嵌岩锚^［10］，北岸为回转缆覆表式重力锚。如图1所示。

主梁采用板桁结合钢桁梁，主桁架为带竖腹杆的华伦式结构^［11］，桁高7.5 m，两片主桁中心间距为34.2 m，主梁共划分34个节段，节段长度布置为（17.9+30×15+11.2+15+17.9） m。全桥共设7对钢拉杆吊索、26对平行钢丝吊索，吊索间距15 m。主缆为1根预制平行钢丝索回转缆，包含121根索股，每股由127根ϕ5.3 mm高强镀锌‒铝钢丝组成。主缆与主桁横向中心间距1.6 m，济源侧146 m范围内主缆在梁面以下，桥塔侧364 m范围内主缆在梁面以上。主缆通过在济源岸覆表式重力锚碇的槽道内设置的1座主索鞍和2座转索鞍实现180°水平转向，济源岸无需单独散开锚固，锚固端设置在新安岸重力式嵌岩锚碇内。

横截面布置见图2，回转锚碇、主缆构造见图3。

2 工程特点

（1） 部分区间猫道与钢梁空间冲突

主缆北侧146 m范围位于梁面以下，主缆中心与钢梁竖杆外边缘的水平距离仅1.285 m，远小于瓯江北口大桥缆梁交叉区的距离^［12］；索夹与下弦牛腿的净高差仅1.084 m，此范围内钢梁与猫道面层、内侧防护索冲突，猫道需在避让索鞍的基础上，再增加一次避让钢梁的变位处理。猫道改吊时，索梁交叉区的改吊吊挂系统也需避免妨碍后续钢梁安装，适应二次变位后的猫道结构特点。

（2） 猫道北端锚固布置难度大

回转锚碇结构新颖，前端为一体式桥台，水平环形锚室的外侧壁厚仅1.3 m，内侧桥台胸墙则被钢梁遮挡，猫道在北侧的横向锚固布置困难。主缆嵌入水平锚室内，距离锚室顶面约3.4 m，桥台胸墙可利用高度空间不足。为适应结构空间特征，需对猫道承重索、防护索与扶手索、门架支撑索分别设置锚固系统，设计难度较大。

（3） 南引桥侧空间受限

南岸边跨采用40 m T梁，桥幅全宽34.26 m，防撞护栏边缘与主缆中心距仅1.57 m。受环保限制，南岸主塔、5^#墩处山体不允许爆破放坡、距离桥面防护栏杆最近仅4.3 m。对边跨猫道布置限制较多。

（4） 施工条件差

桥址处为山岭重丘，桥梁斜跨黄河U形陡峻峡谷，台阶状岩质崖壁达70°且为环境保护区，有大量珍稀鸟类筑巢，回转锚碇前端距离悬崖壁边缘仅约5 m，先导索牵引地面施工条件差。小浪底库区内可用工程船舶少，往来观光游船多，封航时进行先导索水面牵引困难。

故猫道需进行针对性设计以适应项目新颖构型，并采用合理的施工方案以适应特殊施工环境条件。

3 猫道设计与验算

3.1 猫道设计

3.1.1 猫道总体设计

采用两跨连续无抗风缆猫道系统^［13］。综合考虑空间限制后，单幅设计宽度为4 m、高度为7 m。为保证缠丝机1.3 m作业半径，6根ϕ48 mm承重索设置于主缆中心以下1.5 m处；面层设置1层ϕ1 mm×20 mm×20 mm步行钢丝网和1层ϕ1 mm×50 mm×50 mm承重钢丝网，每隔0.5 m绑扎1根50 mm×30 mm防滑方木，横向80 mm×80 mm×5 mm方钢大横梁间距12.5 m，大横梁中间再设置1根ϕ48 mm钢管小横梁。布置1根ϕ22 mm扶手索、2根ϕ16 mm防护索，用于固定侧立面ϕ5 mm×70 mm×100 mm钢丝防护网，并每隔12.5 m设置1根扶手立柱。猫道门架间距50 m，主跨布置10个、边跨布置3个，由2根ϕ36 mm钢丝绳固定，与猫道共同形成空间结构；猫道门架可调式立柱调节范围为6.05~7.60 m，以适应承重索与猫道门架支撑索之间的线形差异。主跨设2道横向天桥，间距150 m；边跨设1道横向天桥，位于边跨跨中。猫道索主要参数如表1所示，猫道总体布置如图4所示。

3.1.2 猫道初始变位系统

除在塔顶两侧2.607 m、4.441 m处设置变位钢架以避让主索鞍外，另在距离南岸锚碇上锚固点19.243 m处设置变位钢架，将猫道宽度由4 m缩减至3.2 m，以避让南引桥T梁防撞护栏，如图5所示。

为减少对索股施工阶段的不利影响，钢梁架设前，承重索在北岸锚碇附近不做变位处理。

3.1.3 猫道锚固系统

为适应北岸回转锚碇结构特点，在锚室前端上方设置门式锚固支架，以锚固门架支撑索；在锚室外侧壁的内侧、胸墙前端分别设置预埋件，锚固防护索、扶手索；在水平距离胸墙2.5 m、主缆下方1.5 m处横跨锚室设置埋入式锚梁A、B，以锚固承重索。南岸在散索鞍前方的支墩上设置三角锚固支架，用于锚固扶手索、防护索、承重索，门架支撑索则利用索鞍门架进行锚固。因主跨仅540 m，猫道索与锚固系统直连，不设置用于垂度调整的调节拉杆，以预张拉消除钢丝绳非弹性变形为前提，施工时，在测量监控指引下，通过塔吊卷扬机、南锚碇侧卷扬机拽拉，调整猫道索垂度。锚固系统布置如图6所示。

3.2 猫道结构验算

3.2.1 荷载标准值取值

（1） 恒载

猫道结构自重由程序自动加载，其他荷载取值如下：猫道面层取485.6 N/m；ϕ32-6×36WS+IWR索股牵引索取42.8 N/m；间隔6 m一个的索股拖轮及支架取97 N/m；门架滑车取2 646 N/个；电缆及灯具取20 N/m。

（2） 活荷载

主缆单根索股自重220 N/m。

人群荷载按《悬索桥猫道设计与施工技术规程》（T/CECS G：D64-02—2023）取80 N/m。

（3） 风荷载

工作工况取6级风；在非工作工况取20年一遇阵风。

（4） 温度荷载

温度荷载按照整体降温15 ℃计算。

3.2.2 计算结果

采用Midas/civil软件建立有限元模型进行分析，钢丝绳采用索单元模拟，两端固结，门架、天桥、横梁等采用梁单元模拟。各工况下猫道索最大索力和安全系数计算结果见表2。承重索锚梁A、门架索锚固支架最大组合应力分别为110 MPa、104 MPa，最大剪应力分别为54 MPa、46 MPa；塔顶变位钢架最大组合应力、最大剪应力分别为88 MPa、15 MPa（图7）。结果表明：猫道设计满足规范要求。

4 猫道施工关键技术

4.1 先导索施工

自由悬挂牵引法、水面浮索牵引法等水上过渡方法均无法解决先导索在台阶状陡崖区间内的人员通行、先导索牵拉问题，经综合论证，决定采用冠通云天DL-2型工业电力放线无人机，牵引线密度为4.65 g/m的ϕ3 mm迪尼玛绳作为先导索过江。为降低对无人机起升力、拖拽力的要求，将先导索索盘放置在索塔门架处，无人机牵引先导索^［14］自索塔沿弦线飞往北侧回转锚碇。

牵引过程中，先导索的垂度取决于无人机飞行速度与索盘放索速度的差值以及无人机牵引张力。这三项参数均为动态且相互关联。施工中，无人机飞行速度并非施工控制项，施工关注点为：① 索端竖向分力始终在无人机允许范围内；② 索体在通航高度以上保持一定安全距离且不与山体干涉。故采取控制垂度法进行施工^［15］。为减少先导索牵引完成后的收绳长度，选取1/15矢跨比，计算4个特征点的垂度及无人机索端所需的提升力，如图8所示。

由图8可知：ϕ3 mm迪尼玛绳线最小破断力为8 531 N，大于最大张力T_max=49.80 N；无人机最大提升能力为75 N，大于最大竖向分力V=21.36 N。结果表明该方案可行。施工中，无人机按设定航迹自动飞行，通过调节索盘放索速度，并及时监控垂度，确保各项参数符合设定要求。

4.2 牵引系统施工

上游侧先导索过江完成后，经6级转换实现ϕ22 mm猫道牵引索过河^［16］。先导索过江前，将首尾相接的ϕ16 mm、ϕ10 mm、ϕ6 mm迪尼玛绳卷入北锚碇侧10 t卷扬机内，并留出ϕ6 mm迪尼玛绳索头备接；将ϕ16 mm钢丝绳卷入塔顶10 t卷扬机内，并留出索头备用。无人机到达北岸后，将ϕ3 mm、ϕ6 mm迪尼玛绳连接，并将塔顶一端与ϕ16 mm钢丝绳连接。启动塔顶10 t卷扬机收绳，经ϕ3 mm→ϕ6 mm→ϕ10 mm→ϕ16 mm共4级迪尼玛绳转换后，将ϕ16 mm迪尼玛绳与ϕ16 mm钢丝绳连接，再由北锚碇侧10 t卷扬机收绳，将ϕ16 mm钢丝绳牵引过江至北岸，并与ϕ22 mm猫道牵引钢丝绳连接。随后，塔顶10 t卷扬机退出所有迪尼玛绳过渡索，将过渡索ϕ16 mm钢丝绳卷入，最终将ϕ22 mm猫道牵引索顺利牵引过河至塔顶。与南岸通过塔吊提升至门架并临时打稍的ϕ22 mm猫道牵引索连接后，经线形调整，形成上游侧单线往复牵引系统。

下游侧猫道牵引索利用上游侧猫道牵引索牵引过江后，采用“高空横移法”就位^［17-18］。猫道牵引系统布置如图9所示。

4.3 猫道架设

猫道架设时，索盘均放置在南岸锚碇侧，按门架支承索→承重索→变位钢架→面层、横向天桥→防护索、扶手索→侧网、门架→线形精调的顺序依次施工。其中，门架支承索利用猫道牵引索上每50 m设置1道的“单滑钩”进行施工^［6］，猫道承重索则利用已架设的2根门架支撑索每50 m设置1道的“双吊环滑钩”进行施工^［19］，以防止索体垂度过大，同时保证施工高效，如图10所示。

4.4 缆梁交叉区猫道变位

索梁交叉区内猫道与钢梁冲突，为保证猫道、缆索的施工方便与安全，北锚碇侧的变位钢架在猫道改吊完成、钢梁架设启动后，跟随架梁进度分2次安装。第1次变位91.5 m，安装6个节段钢梁；第2次变位76.5 m，安装5个节段钢梁。变位后，猫道内侧配置2根ϕ48 mm压重钢丝绳，并与钢梁下弦牛腿之间临时用钢丝绳拉结，以防止横向扭转，如图11所示。猫道变位后横向发生不对称变形（图12），最大扭转角为0.8°，猫道抗扭稳定性可满足要求。

5 结语

济新高速黄河三峡大桥为中国首座采用回转主缆的大跨径独塔地锚式悬索桥。在设计方面，根据覆表式回转锚碇内水平锚室、一体式桥台构造特点，设置了锚固系统；针对缆梁交叉区的空间冲突，通过2次后装变位钢架，实现了猫道对桥型构造的适应，解决空间冲突难题。在施工方面，采取“无人机+垂度控制”组合法，由索塔往回转锚碇牵引迪尼玛先导索过江。该方法具有牵引力要求低、U形峡谷地形适应能力强、施工速度快的优点；门架支撑索和承重索分别采用“单滑钩吊挂法”和“双吊环法”施工，垂度控制方便、施工效率高。工程实践表明，本文提出的猫道设计与施工方案是成功的，可为同类工程提供参考。

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