簡易人行懸索橋設計研究

□康迎賓 □楊 雪（華北水利水電大學）

簡易人行懸索橋設計研究

□康迎賓 □楊 雪（華北水利水電大學）

簡易人行懸索橋是指不設加勁梁的懸索橋。這種懸索橋的整體剛度較小,能夠充分發(fā)揮主索抗拉強度大的優(yōu)勢，橋塔相對較矮,橋面系構造簡單、施工相對容易、節(jié)省鋼材、維護方便、造型美觀以及工程造價較低,簡易人行懸索橋在山區(qū)、旅游景區(qū)、渠道上很是常見，但是很多人行懸索橋只是憑借工程經驗進行修建，缺乏系統的結構計算分析，造成結構不合理，安全性沒有保證。以塔南二干渠0+400樁號處人行懸索橋為例，研究簡易人行懸索橋的整體結構計算理論方法，細部構造及縱橫斷面設計等，不涉及大型橋梁設計軟件，方法簡單易學。

懸索橋；安全性；結構計算；細部構造；斷面設計

1 引言

人行懸索橋大多修建于山區(qū)，是一種非永久性的橋梁。人行懸索橋具有構造簡單、造價低廉、施工方便、便于架設等特點。我國很多人行懸索橋都是三無設計或者無設計施工圖，只是簡單的模仿其他修建好的橋或憑借以往的工程經驗來修建 [1]。因此，很多已經建成的人行懸索橋的建筑材料、結構設計等方面存在不合理之處，有些人行懸索橋由于安全系數過小，導致其存在安全隱患,這樣既浪費人力物力，又對人民群眾的生命安全造成損害。除此之外，一部分簡易人行懸索橋結構不合理，比如剛度不足，行走時搖晃嚴重；未設計主索長度調節(jié)構造，主索伸長后會導致橋面整體的下垂。國內目前為止仍關于簡易人行懸索橋設計的專門規(guī)范，通過對簡易人行懸索橋設計要點的研究，總結簡易人行懸索橋設計需要考慮的各個重要環(huán)節(jié)，驗證設計方法的合理性，對人行懸過橋的設計及安全具有重要的現實意義。

2 塔南二干渠測水橋設計

2.1 工程概況及主要參數

塔南二干渠位于第一師塔里木灌區(qū)的塔南灌區(qū)，塔里木灌區(qū)是第一師最大的一個灌區(qū)，也是阿克蘇河最下游的灌區(qū)。工程區(qū)地形平緩，地形坡降1/2500～1/4000左右，含水層以粉土質砂、含細粒土砂為主，滲透系數：2.07×10-5～5.57×10-4cm/s，屬弱透水層，因此地下水徑流緩慢，水循環(huán)強度弱。地下水埋深一般在1.00～2.50 m，局部埋深0.50～1.00 m。歷年極端最高氣溫39.80℃，歷年極端最低氣溫-28.40℃，年平均氣溫10.70℃。

0+400樁號處人行吊橋橋面凈寬：1.20 m，主跨長78.00 m，矢高吊桿間距3.00 m；吊桿間距3.00 m；邊跨斜度2∶1（平距與垂距）；主索中距1.00 m；偏拉索偏角25°，索塔高（加基礎）9.30 m。

依據：徐君蘭的《吊橋計算示例集》、交通部部標準《公路橋涵設計通用規(guī)范》。

2.2 主索和邊索的分析

2.2.1 基礎數據

2.2.2 主索結構內力計算分析

就簡易的懸索橋而言，橋面系結構選用型鋼不但簡化了施工工藝，而且節(jié)約了造價?？v梁采用適宜的槽鋼，橫梁采用工字鋼，這種結構相對而言較為穩(wěn)定。橋面板建議采用鋼板，既減輕了結構的自重又能保證其耐久性，而混凝土面板或者木板不建議采用。塔南二干渠0+400樁號處人行懸索橋按上述結構設計，橋面系自重計算表如表1所示。

主索水平向拉力計算公式：

式中：H—主索的水平向拉力，（kN）；q—單位長度半邊橋重，橋面系單位長度半邊恒重，（kN/m）；l—橋的凈跨度，（m）；f—不計墩臺高度的矢高，（m）。

由于本懸索橋為閘后測水橋，僅供行人，沒有汽車荷載，人行荷載按3.00 kN/m2，橋面系單位長度自重為1.33 kN/m，得到主索總水平拉力304.48 kN。

索鞍處主索的最大內力按下式計算：

表1 橋面系自重計算表

式中：T—主索在索鞍處的最大內力，（kN）。

主索在索鞍處的最大內力320.95 kN，該值直接影響主索鋼絲繩型號的選擇，橋跨越長，主索內力越大，主索的截面面積也越大。

2.2.3 邊索內力計算分析

邊索傾角tgφ0=0.50，cosφ0=0.89

式中：T'—邊索承受的最大內力，（kN）；φ0—邊索與水平向的夾角，（℃）。

2.2.4 索的強度計算分析

繩索采用一根φ50的鋼絲繩，整條鋼絲繩破斷拉力1480 kN，以邊索最大內力進行驗算。安全系數，符合安全性要求。K=4.35＞3.00

2.3 柔性吊橋的撓度計算分析

2.3.1 主索在溫度變化下的伸長

式中：α—溫度變化下的長度變化系數，取1.2×10-5；t—實時溫度與橋安裝完畢時溫度之差，（℃）；S—安裝完成時主索的長度，（m）；ΔS—溫度變化時主索的伸長量，（m）；

第一師塔里木灌區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠以北，屬于暖溫帶極端大陸性荒漠干旱氣候。具有氣溫差懸殊的特點。最高溫度為39.80℃，建橋地區(qū)最低溫度-28.40℃，安裝完畢時的溫度25.00℃，計算得到溫度上升時主索的伸長量為0.01 m，溫度下降時主索的變化量是0.05 m。

2.3.2 荷載作用下主索彈性伸長

式中：σk—荷載作用下鋼絲繩截面應力；F—鋼絲繩截面面積，（m2）；E—鋼絲繩彈性模量，取1.30×108KN/m2。

塔南二干渠0+400處人行懸索橋人行荷載全跨布載時彈性伸長0.09 m，恒載作用時彈性伸長0.09 m。設計選用φ50 6×Fi(29)+IWRC鋼絲繩。

2.3.3 主索伸長引起跨中矢高f的變化

由E.E.吉勃施曼所編著《公路鋼橋》229頁公式∶

式中：△f—跨中矢高的變化量，（m）。

分別計算升溫、降溫、活載、恒載，作用時的矢高變化量，選出最大變化量組合，作為最不利情況。塔南二干渠0+400處測水橋的矢高變化量按活載作用與升溫時的組合量為0.24 m。邊索因溫度及荷載作用引起主索跨中撓度的計算與上述主索的計算方法一致，不再贅述。主索與邊索跨中矢高的變化量之和視為跨中矢高的最終變化量。

撓度理論是在不考慮結構變形為內力的影響下導出的。而實際上結構變形對內力是有影響的，結構的變形，將減少梁的彎矩和主索的水平向拉力。

2.4 地錨混凝土設計

吊橋主索的錨固分為自錨式和地錨式，由于自錨式是將主索錨于吊橋自身的加勁梁上，簡易的人行吊橋不設加勁梁，故不采用采用此種形式；地錨式是將主索錨在地錨混凝土里，靠混凝土重力拉住主索，使橋體維持穩(wěn)定。地錨式錨碇是否穩(wěn)定，會直接影響橋體結構的穩(wěn)定性。錨碇的設計還要注意怎樣將主索與錨碇牢固地連在一起，使其強大的拉力傳遞給錨碇。

塔南二干渠簡易吊橋地錨混凝土長寬高設計為：7.00 m× 5.00 m×3.50 m，地錨混凝土的自重為2881.20 kN，采用抗滑穩(wěn)定公式計算其穩(wěn)定性，懸索橋設計中要求整體抗滑動穩(wěn)定安全系數＞2.00，塔南二干渠上吊橋設計為3.31，因此錨碇的結構設計符合要求。

2.5 橋塔設計

橋塔是支撐懸索橋主索的重要結構，橋上的荷載是通過橋塔傳遞給基礎，在運行期，橋塔主要承受主索傳來的壓力；若從施工工藝方面考慮，施工期索塔要承受主索架設時產生的強大彎矩。橋塔的設計可以采用鋼結構，優(yōu)點是自重輕，易于滿足地基承載力，施工方便；橋塔也可采用鋼筋混凝土結構，建成后不易變形，缺點是小型的懸索橋，鋼筋混凝土橋塔不易施工，支模困難，自重難于滿足地基承載力，而且值得注意的是：塔柱在運行期按軸心受壓柱計算配筋，在施工期按單筋矩形截面構件正截面受彎承載力計算配筋。由于施工期的配筋率遠大于運行期的配筋率，故只計算施工期配筋。塔南二干渠0+400處懸索橋由于地基承載力較差，施工水平的限制，橋塔采用鋼桁架形式，建成后至今運行良好。

2.6 吊桿索夾

中小型索橋吊桿間距一般以2～3 m為宜。吊桿的設計要同時考慮橋體承受的恒載和活載影響。本次吊桿設計是由上吊桿、下吊桿兩段組成，上吊桿一般由軋制圓鋼通過上部連接塊連接，下吊桿用兩根圓鋼與橫梁連接，便于在安裝和使用過程中適當調節(jié)吊桿長度。索夾由鋼板焊接而成。

2.7 偏拉索設計

偏拉索可以保持橋體的整體穩(wěn)定，不至于在風荷載作用或者其他活荷載作用下，產生大幅度的搖擺，影響正常使用。風荷載標準值的計算依據《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTGD60—2004）中風荷載的計算公式進行計算,塔南地區(qū)風速較大，因此橫橋向風荷載假定水平的垂直作用于橋梁各部分迎風面積的形心上，計算得風荷載的標注值為89.17 kN,選擇φ25偏拉索左右共8根，錨碇尺寸2.00 mm×2.00 mm×2.00 mm，采用C25混凝土。

3 結語

眾所周知，懸索橋的前身是吊橋，故鄉(xiāng)在中國，距離今天至少有3000 a的歷史。在大跨徑的懸索橋設計中，大多可以采用有限元軟件進行建模分析，可是在簡易的人行懸索橋的設計過程中，由于人力、物力等方面的條件限制，往往沒有經過完善的計算，或者只是模仿以往的工程經驗進行修建，缺乏安全性、可靠性。通過上述分析，塔南二干渠0+400樁號處人行吊橋的結構計算方法簡潔易懂、完善合理，建立重要環(huán)節(jié)的設計要點及計算分析方法，避免設計的不合理,作為成功范例為簡易人行吊橋的理論計算提供依據。同時結合塔南地區(qū)的地理環(huán)境，歸納總結出一種較為完善的設計思路及成果，可為相關橋梁的設計提供借鑒意義。由于設計條件和要求不同[4]，簡易懸索橋有非常廣闊的適用范圍如渠道上修建的測水橋，旅游景點的人行橋，偏遠山區(qū)的人行橋等，具有很大的發(fā)展空間。

[1]郝冬,高延.淺談懸索橋的發(fā)展史[J].科技致富向導.2015（14）:274.

（責任編輯：劉長垠 韋詩佳）

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2016-08-12