重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074
摘要：猫道是施工人员在其上完成施工任务的重要操作平台。猫道的线形在成桥之后便无法调整，需对其进行控制计算；猫道在使用期间会受到各种荷载的影响，会使猫道产生内力及位移上的变化。本文使用有限元软件BNLAS建立相关的猫道模型计算猫道线形，并研究在几种常见荷载下猫道的内力变化和变形。
关键词：连续式猫道；承重索；有限元；荷载影响
一、工程简介
某悬索桥缆跨布置为（300+738+204m），矢跨比1：9，两根主缆中心距为31.2m。猫道采用三跨连续结构，跨径与桥型布置相同：289m+738m+195m，线型与主缆空缆线型一致，在左右幅对应于主缆中心线下方各设一幅猫道，猫道面长约1320m。猫道承重索距主缆空载中心线净空边跨为1.5m，中跨也为1.5m，宽4m。
二、猫道承重结构组成
每条猫道承重结构由8根Φ48面层承重钢丝绳及2根Φ40门架支承钢丝绳组成，面层承重绳和门架支承绳之间通过猫道门架联系形成空间结构。猫道上层扶手绳采用2根Φ30钢丝绳，下层采用1根Φ14钢丝绳。
猫道横向通道平均每隔112m布置一道，其中中跨5道，两岸边跨各一道横向通道，全桥共布置7道。单个横向通道的重量为3287kg；门架每隔56m布置一道，门架垂直高度6.5m，横桥向宽度6.4m，全桥共布置门架42道(单侧21道)。猫道结构基本布置见图1。
猫道面层布置采用较为常规的结构布置形式，猫道中心与主缆中心一致，上下游两侧猫道中心间距为31.2m，单侧猫道宽度为4m，承重索(Φ48)的间距布置形式为3×0.45+1.1+3×0.45=3.8m。猫道承重网采用Φ5×50×70的粗面网，步行网采用Φ2×25×25的细面网，侧面则采用Φ5×100×70的防护钢丝网；猫道每隔0.5m布置一道60×30×1500的防滑方木；护栏底梁每隔4m布置一道，护栏立杆每隔4m布置一道。
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图1猫道立面结构基本布置图
三、计算参数
本桥猫道承重索钢丝绳的弹性模量E=119000000MPa；等效容重为202.05KN/m3；等效质量密度为20.6t/m3；线膨胀系数0.00012；面积0.004323m2。
门架承重索钢丝绳的弹性模量E=119000000MPa；等效容重为103.69KN/m3；等效质量密度为10.57t/m3；线膨胀系数0.00012；面积0.000634m2。
在猫道工作时的主要荷载有风荷载、温度荷载、主缆索股荷载、人群荷载。在横桥向风作用下猫道承重索及门架承重索单位长度上的横向静阵风荷载可按下列公式计算：
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式中ρ为空气密度（kg/m3），取为1.25；GV为静阵风系数，对猫道承重索均取1.335；VZ为基准高度Z处的风速（m/s）;CH为阻力系数，对猫道承重索取0.70，对门架承重索取0.70；H为阻风高度，对猫道承重索取0.7518m，对门架承重索取直径0.040m；验算的风速中工作风速为12m/s，50年一遇风速为28.6m/s。温度效应按如下组合计算：体系变温，考虑结构体系升温20℃和降温20℃的情况。主缆索股自重考虑施工时每侧猫道放置两根主缆索股，单根索股重量为21.2kg/m。人群荷载按单侧5kg/m计算。
四、计算模型的建立
本次计算分析采用西南交通大学的软件BNLAS进行空间静力特性分析，该系统采用的非线性有限元理论以改进的增量迭代法为非线性迭代格式，以不平衡力和相对位移差的无限范数作为迭代收敛检查准则考虑空间单元的大位移大转动影响采用高精度的方法计算单元的内力及变形。
以猫道成桥状态为控制线形，计算猫道承重索和门架承重索的合理线形，根据猫道系统的实际组成，将16根猫道承重索和4根门架承重索组成的空间结构建成4根猫道承重索单元和4根门架承重索单元。猫道承重索、门架承重索以分段空间悬链线索单元将节点连接进行模拟，桥塔和门架用空间梁单元进行模拟。两侧猫道承重索之间的横向通道以集中荷载的形式分别加在猫道承重索的两侧，在门架位置处建立门架。根据中跨猫道承重索和门架承重索的跨中设计标高、各索锚固点坐标、桥塔处的平衡状态和上述荷载计算出合理的猫道承重索和门架承重索的线形。最后在有限元文件BNLAS中建立西江大桥猫道承重索以及门架承重索的空间模型，模型如图2所示。
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图2BNLAS猫道空间模型
五、猫道承重索结构分析
承重索是承受主要荷载的，需对其进行计算分析。猫道承重索上作用的荷载分为两类：一类是沿索长分布的均匀荷载，如猫道承重索自重、牵引索猫道面层、扶手索等结构；另一类作为集中荷载简化如横向通道、门架的重量。
（一）猫道承重索线形计算
根据以往经验选取8个控制点，控制点的坐标如下表1所示，计算各控制点间猫道承重索段在标准温度下的长度，结果见表2，表中的长度为锚固点到锚固点间的长度，实际长度应扣除锚固点到小拉杆销较中心点。
表1猫道承重索控制点坐标
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表2猫道承重索在标准温度下的长度（单位：m）
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（二）道承重索在各种荷载作用下内力和位移
根据规范可知，一根Φ48的钢丝绳最小破断力为1610kN，因此8根Φ48的钢丝绳最小破断力为12880kN。将前文中所提及的荷载分别加载，得出各荷载下承重索的最大最小张力和位移如表3。由计算结果可知：在主缆索股荷载作用下会产生最大的张力，在50年一遇风载作用下会参生最大竖向位移和最大横向位移。
表3各荷载下作用下猫道承重索的张力与位移
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注：表中张力单位为KN，位移单位为m
（三）猫道承重索荷载合工况验算
猫道计算主要考虑以下4种荷载组合进行计算，组合1：恒载+索股荷载+人群荷载+工作风载；组合2：恒载+索股荷载+人群荷载+降温+工作风载；组合3：恒载+50年一遇风载；组合4：恒载+降温+50年一遇风载，以上各项组合中的分项组合系数均取1.0，计算结果见表4。由表4见各种荷载组合作用下猫道承重索的最大内力出现在荷载组合2中，猫道承重索最大张力2715.18kN，可知最小破断力安全系数4.74，大于3，满足规范要求。在各种组合工况中，荷载组合4作用下出现最大竖向位移为5.489m（向上），荷载组合3和荷载组合4作用下出现最大横向位移27.213m。
表4荷载组合作用下猫道承重索的张力与位移
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注：表中张力单位为KN，位移单位为m
六、结论
施工猫道是否安全、适用，将直接影响到整座桥梁的工程质量和施工工期，本文以某连续式猫道为工程背景运用BNLAS桥梁非线性分析系统进行计算分析得出结论如下：
（1）通过BNLAS软件计算猫道的线形，计算结果表明该软件具有很强的索结构分析功能，能够涉及结构的所有的非线性，能满足猫道线形的计算要求。今后同类型猫道可采用此软件进行计算分析。
（2）本文通过对各种荷载作用在猫道上引起的内力和位移变化进行分析，得出在风载作用下横向位移较大；温度的变化对结构变形影响大，但对结构内力影响小。在施工中应特别注意大风下可能对主缆产生的影响，提前准备好预防措施。
参考文献
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作者简介
姚松宏(1997-)，男，汉族，重庆人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：桥梁工程。