探究悬索桥施工猫道风致、人致响应及控制

探究悬索桥施工猫道风致、人致响应及控制

王洪涛

王洪涛

（河南许昌；461200）

摘要：在进行主缆高空施工的过程中，猫道会受到较大风荷载的影响，同时猫道会因自身的狭长状态而常常出现摇晃的情况，这种具有大跨度的典型柔性结构对风荷载具有非常强烈的敏感性，所以在施工猫道会受到风的严重影响。在这种情况下，会降低猫道的稳定性，影响施工进程和人员安全，对此本文将通过有限元软件在风致和人致响应两个方面对悬索桥的施工猫道进行详细的分析，希望能够为相关工作人员提供一些参考。

关键词：悬索桥；施工猫道；风致响应；人致响应；控制分析

悬索桥的施工猫道是在主缆的下方向进行平行架设和布置的[1]，需要施工人员在实际的施工过程中对脚手架进行高空作业。在主缆系统，甚至是整体悬索桥的上部结构中，施工猫道为其实际的高空作业提供了施工操作平台，其承担着在主缆的整体系统施工中对索股进行输送、对索夹进行安装以及对主缆缠丝进行防护等众多重要的任务。由此可见，我们需要加强悬索桥施工猫道的研究，以提高其悬索桥施工的安全稳定性，促进其施工质量的提升。

一、有关悬索桥施工猫道的阐述

本文所要研究的是一座具有820米主跨，由单跨式简支钢箱梁构成的悬索桥，其具有192米的北边跨，820米的中跨，176米的南边跨。在施工期间施工猫道属于临时结构，所以需要使用施工期间的基准设计风速来对施工猫道的风速进行检验和确定[2]。该悬索桥采用的是分离式的施工猫道，根据两根处于上下游位置的主缆情况设置了两幅处于上下游位置的猫道，为了确保悬索桥横向的安全稳定，在猫道之间设置了7条横向通道。猫道具有多个组成部分，其中包括承重绳、扶手绳以及门架等。

施工猫道结构在以众多活载作用与风荷载作用等为前提的情况下与桥梁结构大同小异，其同样会在横竖桥向、桥轴向以及扭转方向出现静力变形和动力响应现象，所以，对此进行分析则需要借助有限元三维模型的建立，其可以对施工猫道的变形效应和结构受力情况进行真实的反映，本文是通过ANSYS有限元软件进行具体的分析计算的。建立有限元模型的过程中需要对模型的选取条件和边界条件、猫道的结构简化过程、承重绳和门架绳的模拟以及横梁和门架等的模拟进行特别的注意，对其进行充分的考虑。

二、悬索桥施工猫道的风致响应及控制分析

具有细长、高大特点的结构受风荷载影响较为突出，其会对结构造成非常严重的破坏和损害[3]。换言之，风会对桥梁产生静力效应和动力响应，其中静力效应主要是由静风荷载所导致的，其包括变形和失稳等现象[4]；而动力响应则主要有颤振、抖振、驰振和涡振四种。下面我们就从静风稳定性与抖振动力响应来对施工猫道的风致响应进行分析。

（一）施工猫道的静风稳定性

在计算机还未得到普及的阶段，主要是通过二维线性方法来对猫道的静风稳定性结构进行计算和分析，在后来的一段时间内，有专家和学者以此方法为基础对其进行了更为深入的研究，并成功推导出了二维线性的静风稳定性计算和分析方法，其可以对侧倾失稳的临界风速和扭转发散的临界风速进行具体的计算。

由于二维线性的静风稳定性计算和分析方法无法对几何非线性机构进行考虑，无法对处于风荷载情况下的结构的三维受力情况进行真实模拟，通过多年的研究和发展，有学者提出了非线性三维静风稳定性计算和分析方法[5]。其中的非线性主要指的是材料、结构几何以及静风荷载三种非线性。在计算和分析静风稳定性的过程中，如果假设材料是保持弹性状态不变的，那么就可以只对结构几何与静风荷载这两方面的非线性进行考虑[6]，而对材料非线性进行忽略不计处理。

（二）施工猫道的抖振动力响应

风荷载所导致的动力效应主要有颤振、抖振、驰振和涡振四种组成。猫道主要有两个组成部分构成，即钢丝绳、钢丝网，其具有较大的透风率。相关资料显示，猫道很少出现颤振和涡振响应，下面主要通过抖振对猫道的动力响应进行分析。

抖振主要指的是在大气紊流的影响下，桥梁结构出现随机振动现象，这种现象会严重影响到桥梁构件的疲劳程度和舒适性能，因此，任何桥梁工程师都会在桥梁设计和施工中给予其高度的重视。施工猫道由于是临时结构，具有较短的使用时间，因此可以不用考虑疲劳程度问题。不过，由于施工风速所导致的振动情况则需要对其进行详细的分析和研究，以避免对施工效率和质量以及工作人员的身体健康造成严重的影响。

分析脉动风结构抖振响应情况可以采用两种方法，即频域和时域两种方法。其中，频域方式主要是对结构线性和激励平稳随机情况进行假设，根据激励统计特征使用傅立叶变换技术对结构响应所具有的统计特性进行计算和分析，其具有的优点是高计算效率和简单的计算过程，缺点是只有线性分析一种形式；而时域方法则是利用随机荷载所具有的统计特性的模拟过程对激励完成时间系列的具体转化，然后再通过动力有限元分析方法对结构响应进行确定。时域方法可以对结构响应的时程进行计算，而且还能够对结构几何、气动荷载等非线性影响因素进行充分的考虑。

（三）如何对悬索桥施工猫道的风致响应进行控制

在静风荷载作用下，会对猫道和索股的相对变位造成影响，由此发生的碰撞现象会对桥梁施工造成极大的不便，在架设索股时需要对此进行充分的考虑，采取有效的方法临时固定猫道和索股，以防止猫道与主缆在风速的影响下出现间隙过大的现象而引起横桥向发生位移的现象。猫道抖振会在风速影响下降低施工的精度，在室外施工环境下风条件的影响是无法避免的，这就需要在实际的施工过程中对猫道的横向和竖向风速进行有效的控制，使其与相关规定和标准的要求相符合。

三、悬索桥施工猫道的人致响应及控制

悬索桥施工猫道的人致响应与人行桥一样，其同样具有行人动荷载的人致振动激励源。以行人数量为依据人行桥具有四种人行动荷载，主要包括单人动荷载；行人小组结伴行进；在人行桥进行全桥低密度的均匀行进；在人行桥进行全桥高密度的均匀行进并保持长时间的不变。本文主要是对第一种，单人动荷载进行研究。

（一）施工猫道的人性荷载分析

在人行荷载的研究中，单人动荷载是一种最为基础的研究内容，经过多年时间的研究和发展，许多专家和学者均发现，在横方向和竖方向由行人激励所导致的动力荷载是具有一定的周期特性的，而且随着步频的增大，其激励力也会随之而增大。由此可知，在对行人激励所引起的横方向和竖方向荷载进行分析时可以利用傅立叶级数进行具体的表示。

（二）施工猫道人致响应及控制分析

行人过桥的过程较为复杂，本文仅对单人过桥情况进行分析，为了方便分析可以假设行人个体的变异性等因素是保持不变的。将单人的步行力施加到猫道面层上时，针对可能出现的不利状况进行充分考虑，可以在处于猫道面层上面最外侧位置的承重绳进行荷载的施加，以便有最大偏心状态产生。通过ANSYS瞬态分析方法进行分析，猫道在施加人行荷载的情况下，其振动响应是以竖向加速度为主。为了对人行荷载所引起的猫道振动进行控制，需要对门架和横向通道间的局部竖向基频进行合理的设计，使其与相关规定相符合，以便对人致振动所导致的加速度响应进行减少。

结语：

综上所述，施工猫道在风致响应和人致响应的影响下，会出现失稳、抖振以及加速度等多种响应情况，对桥梁施工造成了极大的困扰，增大了施工操作的难度，对其进行深入的分析和研究，可以对上述响应情况进行有效的预防，以提高悬索桥的施工效率和质量，并确保施工人员的身体健康。

参考文献：

[1]宋磊,吴璐莎.悬索桥施工猫道的架设与拆除[J].城市建设理论研究（电子版）,2012,(6).

[2]周畅,杜洪池.三塔两跨悬索桥猫道设计与施工[J].中国工程科学,2010,12(4).

[3]熊锐.大跨度悬索桥风致振动研究[D].武汉理工大学,2012.

[4]侯光阳.超大跨径悬索桥风致静动力稳定性研究[D].西南交通大学,2011.

作者简介：

王洪涛（1977-），男，河南许昌人，本科，毕业于长沙理工大学土木工程专业，从事高速公路施工、监理、工程管理等工作。