施工猫道计算书
1. 概述
XX长江公路大桥主跨达1490米，是我国迄今跨度最大的悬索桥。
为了加快施工进度和降低费用，该桥施工单位拟采用不设抗风缆的施工方案，施工期间猫道的安全性是决定该施工方案能否成立的关键。
为保证该桥施工猫道的安全及其合理性，受XX路桥集团委托，西南交通大学土木工程学院对该桥施工猫道进行了计算分析研究，内容包括猫道在不同施工阶段受风载、温度变化、施工机具、人群荷载等作用下的静力安全性。
本报告介绍施工猫道计算分析研究的内容及主要结果。
2. 计算分析基本参数
2.1 猫道布置及结构参数
根据XX路桥集团技术发展处所提拱的猫道设计资料，XX长江公路大桥施工猫道总体布置图如图1a～图1c所示，猫道线形取平行于主缆在空缆状态时的中心线；架设钢箱梁之前，将猫道悬挂于主缆之下，并放松猫道承重钢丝绳两端的锚头。
考虑到XX长江公路大桥为国内最大跨度的悬索桥，为了保证猫道施工的安全性，XX 路桥集团率先提出了采用含上、下承重绳的门架式猫道，同时采用了制振装置使猫道更加合理。
根据最新设计资料，猫道矢高f=134.137m，猫道每延米重为133.17kgf/m（含下承重绳、扶手绳、底网、侧网、扶手立柱、猫道横梁、木踏板等）；上承重绳32.76 kgf/m；索股滚筒间距8m，单件重50kg，折算为分布荷载为12.5kgf/m；牵引索股折算的均布荷载为44.0kgf/m；猫道门架间距50m，单件重950kgf/个；横向天桥重量为7000kgf/个。
具体各分项值可见表1所示，计算中猫道承重绳的弹性模量取为E=1.15×105MPa。
图体总道猫a
1图
图样大装铺道猫b 1图
架门道猫c 1图
对于有抗风缆的方案，中跨抗风缆为φ52钢丝绳，每边两条，边跨抗风缆为φ48钢丝绳，每边两条，抗风拉杆为φ32钢丝绳如附图1所示。
2.2 风速的计算
根据《公路桥涵设计通用规范》JTJ021-89中全国基本风压图，镇江及扬州地区的
基本风压为600Pa ，相应的桥址20m 高度处100年一遇的10min 平均年最大风速为
s m V /98.3020=。
参考《公路桥梁抗风设计指南》关于不同高度处风速换算的规定，该地
区10m 高度处100年一遇10min 平均年最大风速（即基本风速）为s m V V /9.25836.02010==。
另外，根据XX 桥的实测风速资料，场地不同高度处的风速如表2所示。
显然，由XX 桥的实测风速资料所得的10米高度处基本风速较按《公路桥涵设计通用规范》JTJ021-89中全国基本风压图推算的结果要小，当然取现场实测资料应更附事实际，因而本报告取实测资料进行计算。
由表2资料统计分析得XX 长江公路大桥桥位地表粗糙度类别为介于I 、II 类场之间的场地，该桥主跨桥面离开设计水位的平均高度约为60m ，据此可推算出该桥在成桥状态下在桥面高度处的设计基准风速为
s m V d /0.29=
关于施工阶段的设计风速，可取重现期为10年，则 s m V V d s d /36.2484.0==
据参考文献[1]的规定，相应的阵风风速为阵风系数乘以设计基准风速，对于I 、II 类地区阵风系数取1.38，即有：
s m V V s d s g /62.3338.1=⨯=
为了保证猫道在施工过程中的安全，其发生静力失稳的临界风速须高于其施工阶段设计风速对应的阵风风速。
由于猫道高度变化较大，在实际计算时应考虑风速沿高度的变化，如采用幂指数律风剖面，由表2推算，可得在猫道的高度范围(60米～200米)，其幂指数为α=0.14，则该桥猫道不同高度处的计算风速为：
14
.060⎪
⎭
⎫
⎝⎛=Z V V q
式中: Z 为设计水位以上高度，q V 时主跨桥面处计算风速。
2.3 猫道的静力三分力系数
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。
XX 桥施工猫道的静力三分力试验已由西南交通大学风工程试验研究中心在XNJD-1风洞试验室完成，相关内容可参见文献[5]。
本报告列出试验结果，以数据列表的形式给出静力三分力系数，见表3
表3 猫道静力三分力系数数据
16 0.8905 0.1141 -0.0075 0.9651 0.0389 18 0.9202 0.1342 -0.0183 1.0190 0.0456 20
0.9197
0.1505
-0.0138
1.0426
0.0506
2.4 风荷载计算
静风作用下，采用有限元方法进行结构内力计算。
对于猫道结构，按下列公式
计算出作用于猫道上单位长度上的静风荷载：
阻力 H H HC V F 22
1
ρ= 升力 V V BC V F 22
1
ρ=
力矩
M C B V M 222
1
ρ=
式中：为空气密度（1.225kg/m 3），V 为计算高度处的阵风风速，H 为猫道高度（取1.45m ），B 为猫道宽（取4.0m ），C H 、C V 、C M 分别为主梁的阻力系数、升力系数、力矩系数，由节段模型试验提供。
索塔，其静风荷载只考虑阻力，其单位长度阻力为： 阻力
H H HC V F 22
1
ρ=
式中：H 为塔宽，C H =2.0，V 为计算高度处阵风风速。
在计算索塔和猫道承受的风荷载时，风速应按风剖面变化考虑不同高度的影响。
不同高度处的计算风速按2.2节的计算公式计算，计算可得各阶段各节点风荷载。
2.5 温度变化及人群荷载
根据当地气温情况温度变化按降温25℃考虑，人群荷载折算为均布荷载为5kg/m 。
3. 猫道计算及结果
根据XX 路桥集团所提供的资料，施工猫道在架设过程中较为不利的状态为：
a ． 猫道架设阶段，此时猫道承重绳、底网、侧网等已架设完毕，但门架
及门架承重绳未完成。
b.牵引索股阶段，此时猫道全部架设完毕，滚筒上亦有索股。
在两种状态下较为不利的荷载组合应为：
组合一：猫道自重+温度变化+人群荷载
组合二：猫道自重+风荷载
根据上述两不同的荷载组合和不利状态，采用ANSYS程序对猫道进行建模及非线性分析计算，可得各状态的结构内力及位移。
建模总体思路如下：
采用有限元法对XX长江大桥施工猫道进行离散，建立有限元计算模型，建模时考虑整个结构，即中跨、边跨及索塔等。
对于索塔、横向通道等按梁单元进行离散，对于每条猫道结构，考虑到在设计风荷载等荷载作用下，结构是静力稳定的[5]，各承重绳仍处于受拉状态，本报告为了简化计算，采用等效梁单元来模拟每条猫道，等效梁的刚度由较为细化的模型计算而得，由于猫道结构主要为缆索结构，其受力变形形态具有很强的非线性特征，应力等效梁的模型应考虑几何非线性（此主要指大位移，杆件轴力）的影响。
细化的模型如图2所示，细化模型将8根承重绳分别用索单元模拟，横梁用梁单元模拟。
利用图2的模型，根据有限元刚度的定义，将模型下端固定，上端加一单位位移（线位移或角位移）即可得相应自由度的刚度。
或者换算成等效梁的截面几何特性。
图2 细化猫道模型示意
3.1猫道架设阶段
此时猫道计算模型（见图3）及节点坐标（见表4）如下：
图3a 猫道架设阶段猫道计算模型
图3b 猫道架设阶段猫道计算模型
图3c 猫道架设阶段猫道计算模型
表4-1 猫道架设阶段节点坐标(索塔)
表4-2 猫道架设阶段节点坐标(猫道)
由于前面计算时采用的等效梁代替猫道进行计算的，所得的各截面计算内力是对应等效梁的，因而还应将等效梁的内力换算至各承重绳。
具体换算方法为：
仍采用图2所示的细化模型，在上端加上由等效模型计算所得的上下端相对位移，用ANSYS程序计算出各承重绳的内力
表5分别给出了猫道架设阶段两种工况下不同荷载组合下各典型截面最大单缆轴力及安全系数。
对于荷载组合一，其猫道自重（包括猫道承重绳、扶手绳、栏杆绳、底网、侧
网、横梁、立柱、横通道等）、温度变化、人群荷载等对于各承重绳来说都是相同的，因而各承重绳的轴力相差很少；对于荷载组合二，风载沿横桥向作用于猫道上，各缆受力不同，但轴力最大的缆一般位于各截面处下风侧的承重绳处。
3.2牵引索股阶段
此时猫道计算模型（见图4）及节点坐标（见表6）如下：
图4a 牵引索股阶段猫道计算模型
图4b 牵引索股阶段猫道计算模型
图4c 牵引索股阶段猫道计算模型
表6 牵引索股阶段有限元模型坐标值(单位m)
对计算模型进行加载（见图5），所加风荷载见表7，启动程序进行演算，利用ANSYS 的后处理程序可得到猫道模型各单元的内力和各节点位移。
图6和图7分别示出了索股架设阶段在荷载组合二作用下整个猫道横向位移的平面图和侧视图，从图中可以看出，在荷载组合二作用下猫道的最大横向位移位于中跨跨中截面，最大横向位移值为34.573m。
表7 牵引索股阶段的节点风荷载
页脚内容41
页脚内容42
页脚内容43
页脚内容44
页脚内容45
页脚内容46
页脚内容47
页脚内容48
页脚内容49
页脚内容50。