悬索桥施工猫道的非线性抗风静力稳定性分析
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摘要：为了保证大跨度悬索桥施工猫道的抗风安全，通过风洞试验对悬索桥施工猫道进行了动力特性和抗风稳定性分析，结果表明，虽然没有采取设置抗风索的措施来提高猫道的抗风稳定性，但仍然具有良好的抗风稳定能力。
关键词：悬索桥；风洞；猫道；抗风稳定性
中图分类号：U448文献标识码： A
引言
猫道施工工法适用于单跨和多跨悬索桥的猫道施工。为了保证大跨度悬索桥施工猫道的抗风安全,本文通过风洞试验对悬索桥施工猫道进行了动力特性和抗风稳定性分析。
一、悬索桥的原理
悬索桥中最大的力是悬索中的张力和塔架中的压力。由于塔架基本上不受侧向的力，它的结构可以做得相当纤细，此外悬索对塔架还有一定的稳定作用。假如在计算时忽视悬索的重量的话，那么悬索形成一个双曲线。老的悬索桥的悬索一般是铁链或联在一起的铁棍，现代的悬索一般是多股的高强钢丝。
二、猫道工艺原理
猫道由承重结构（包括承重索、支点索鞍、变位刚架、锚固机构等）和辅助结构（包括扶手、面网、门架、压梁、天桥、防滑木条等）组成，其上布置牵引系统、简易缆索吊（天顶小车）等机具，以辅助主缆和吊索安装。选择合理的计算模式，充分考虑猫道自重及可能作用其上的荷载组合，使承重索数学线性与主缆基本一致，并使作用于塔顶两侧的水平力处于平衡工况。为确保结构安全，承重索安全系数一般不小于3.0。猫道既要保证有足够的承载力和抗风能力，又要有合适的垂度和变形能力，还要保障其上作业人员的安全和必要的舒适度。猫道架设过程注意各跨的作业平衡、尽量减少对塔柱的变位影响、确保主缆的架设质量。
三、计算分析基本参数
1、猫道布置及结构参数
根据施工单位所提供的猫道设计资料，该公路大桥施工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。由于猫道线型主缆空缆并行，而主缆空缆矢高,，因而可取猫道承重缆矢高与主缆空缆矢高相同。该公路大桥施工每条猫道由根承重缆、扶手绳小和小两种、丝网、门架等等组成，计算中猫道承重缆的弹性模量取为。
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，该地区的基本风压为600Pa，相应的桥址20m高度处100年一遇的10min平均年最大风速为。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。
显然，由该桥的实测风速资料所得的IOm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符合实际，因而取实测资料进行计算。由表1资料统计分析得该公路大桥桥位地表粗糙度类别为介于I,H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:。关于施工阶段的设计风速，可取重现期为10年，则。
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，故采用幂指数律风剖面，由表1推算，可得在猫道的高度范围(60m-200m)，其幂指数，则该桥猫道不同高度处的计算风速为:。公式中:Z为设计水位以上高度，为主跨桥面处计算风速。
四、猫道节段模型风洞试验
1、猫道节段模型
猫道静力三分力系数通过猫道节段模型风洞试验获得猫道的节段模型采用I/6几何缩尺比，节段模型长，宽。高。长宽比,满足规范规定。模型钢筋、方钢、方木及钢丝网等组成采用钢筋，钢丝模拟猫道承重绳及扶手绳等，木踏板采明方木模拟，横梁，立柱采用方钢模拟为了提高猫道模型的整体刚度，在大横梁处将横梁与立柱的方钢焊接成U形框。由于猫道所受的空气力主要作用在钢丝网上，而其大小又主要取决于钢丝网的透风率。因此在模型设计中，除了满足上述结构总体几何尺寸相似之外，还应尽量保证模型钢丝网的透风率与猫道实型上的透风率一致。猫道面层下层钢丝网透风率83.3%，上层钢丝网透风率84%，总透风率67.3%:侧面防护网透风夔85%。在节段模型面层下层、上层及侧面网采用透风率为85.6%的钢丝网模拟安装在风洞中的猫道节段模型见图1、
(a)猫道节段模型(总体)
(b)猫道节段模型(细部)
2、猫道三分力系数测试
（1）试验测试了均匀流条件下的静力三分力系数。为了考查雷诺数的影响并保证试验数据准确性，试验风速取J个不同风速。试验风速U分别为10、15、20m/s，试验攻角范围a为。
根据试验数据整理出三分力系数随风攻角的变化曲线。结果表明，不同风速下所得的静力三分力系数一致性良好。猫道静力三分力系数曲线见图2。
图2试验测试猫道静力三分力系数曲线
（2）由图2可知，阻力系数随风攻角的变化明显，在风攻角在附近时较小，且阻力系数随风攻角绝对值的增大而增大;至于升力系数及升力矩系数与风攻角大致呈线性变化，但斜率较小且绝对值接近O，尤其是。此外，由图还可知，升力系数的斜率恒为正，因而不会发生不稳足的驰振现象。
在应用上述静力三分力系数作有限元建模分析时，应注意的是:猫道所受风荷载主要施加到承重绳上，而猫道节段模型试验测点并不在承重绳位置处.需进行作用点平移。
3、抗风静力稳定性非线性分析
猫道的抗风稳定性，就其实质而论，是索结构在正常风作用下的静力稳定问题。决定猫道结构是否失稳(倾覆)的主要因素是正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。
利用前面猫道节段静力三分力试验结果和有限元分析软件ANSYS，对猫道进行了非线性抗风静力稳定性分析。分析时作如下考虑:
用索单元模拟猫道承重缆和扶手绳，考虑索初始轴力对几何刚度的影响，但索单元不承压。用梁单元模拟横梁、扶手立柱、门架、桥塔等等。筛网的刚度很小，忽略筛网对刚度的影响。所建立的猫道有限元计算模型。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，因此，猫道抗风静力稳定性应是几何非线性、非保守的。风载沿横桥向作用于猫道(风向角为日=)，不同高度处风速按前述风剖面计算。
经计算可得当风速大于为60m/s时仍没发生静力失稳，而此时的风速发生静力失稳(扭转失稳)现象，表明该猫道的静力发散风速大于60m/s，该风速已远大于相应于施工阶段设计风速的阵风风速，因而，该猫道是抗风静力稳定的。
五、展望
1、目前的研究都假定主梁上的静力和动力风荷载沿桥跨方向和竖向都是均匀分布的，但对于大跨度的桥梁结构，风荷载沿桥跨方向尤其是竖向的非均匀分布将不容忽视。此外，在颤振稳定性分析中尚未考虑静风效应的影响。所以风荷载沿桥跨方向的非均匀变化如何影响超大跨度悬索桥结构的抗风稳定性，有待于进一步研究。
2、本文对施工过程抗风措施的研究未开展，而在施工过程中提高结构的抗风稳定性是一个不容忽视环节。已有的抗风措施对于改善施工过程超大跨度悬索桥的抗风安全性是否继续有效，有待于重新评价。在此基础上，需要探索更为合理有效可行的措施以提高结构的抗风稳定性。
3、本文未考虑大跨度悬索桥的抖振响应，而过大的抖振响应变形将影响到施工期施工人员和施工机具的安全。因此，在以后的研究中需同时考虑静风作用、抖振和颤振问题，强调结构的综合抗风安全性。
结束语
猫道安装操作简便，安装速度快，劳动强度低，可以节约劳动力，与传统安装节约30%。猫道设计采用标准匹配件设计，为今后同类桥梁可以作为周转材料使用，节约材料与加工费用。该猫道承重索有可调节空间与加长，使用范围大，便于修建不同长度的悬索桥的猫道。该猫道系统调整简单，对于安装精度调整可控方便。
参考文献
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