鋼絲繩主纜人行吊橋設(shè)計(jì)

【摘要】目前，針對車行吊橋的分析文獻(xiàn)較多，分析理論和計(jì)算方法也日趨成熟，但對于人行吊橋這種對于撓度要求不高、結(jié)構(gòu)較柔的體系，分析文章較少，亦無特定規(guī)范供參考，有必要對其進(jìn)行進(jìn)一步分析，以供類似設(shè)計(jì)提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】鋼絲繩主纜；人行吊橋；柔性橋梁；無應(yīng)力索長

人行吊橋具有跨越能力大、線形優(yōu)美等特點(diǎn)，通過合理選擇主纜材料，能夠使得主纜受拉特性得以充分發(fā)揮。與其它橋型相比，吊橋具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.跨徑越大，相對材料耗費(fèi)越少，橋梁的造價(jià)也相對越低；2.吊橋橋面標(biāo)高可根據(jù)通航水位和通航凈空進(jìn)行靈活調(diào)整；3.施工時(shí)無需在河道中心建立臨時(shí)橋墩，因此，可以在水位較深和水流較急的河道上空建立吊橋；4.只要吊橋具備一定的剛度和強(qiáng)度，就能適應(yīng)大風(fēng)地區(qū)和地震地區(qū)的需要。另外，吊橋主纜懸鏈線的曲線形狀能夠給人以舒緩柔和的美感，因此，目前在橋梁跨度較大時(shí)，尤其是景觀要求較高時(shí)，這一經(jīng)典橋型具有很強(qiáng)的競爭力。

對于人行橋梁設(shè)計(jì)，主要參考現(xiàn)行規(guī)范《城市人行天橋和人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69-95），由于規(guī)范發(fā)布時(shí)間較久，且關(guān)于懸索橋條文內(nèi)容又較少，以致設(shè)計(jì)人員參考困難，若完全依據(jù)《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD65-05-2015）進(jìn)行設(shè)計(jì)，勢必又會增加橋梁自身結(jié)構(gòu)的工程量，不能達(dá)到經(jīng)濟(jì)、美觀的目的，也不能反應(yīng)人行橋的自身特點(diǎn)。

1、工程概況

某橋梁上部結(jié)構(gòu)采用1×86m懸索結(jié)構(gòu)，橋面系凈跨78m，兩岸設(shè)置寶塔式橋頭堡。橋面全寬2.8m、凈寬2.5m。橋面系為由槽鋼組成的縱橫梁結(jié)構(gòu)，橫梁采用[20a、縱梁采用5根[18b，為增加橋面系整體剛度，橋面板采用3mm厚花紋鋼面板并與縱梁焊接。橋面兩側(cè)各設(shè)置一道弓字型伸縮縫。總體布置圖如圖1所示。

2、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 計(jì)算模型及成橋主纜線形的確定

分析模型采用MIDAS/Civil建立橋梁空間三維模型，主纜采用索單元建模、主塔、縱橫梁采用梁單元，為方便計(jì)算，建模時(shí)按照橋塔剛度等效原則，將橋塔簡化為門式結(jié)構(gòu)，全橋共分為162個(gè)索單元和522個(gè)梁單元，如圖2所示。

成橋主纜線形的確定主要由兩個(gè)計(jì)算步驟完成，首先確定主纜的垂點(diǎn)、錨固點(diǎn)和塔頂轉(zhuǎn)向點(diǎn)，然后計(jì)算橋面系每延米的重量，通過調(diào)用幾何剛度初始荷載矩陣建立主纜的初始狀態(tài)，然后考慮主纜和吊桿的自重，得到結(jié)構(gòu)的初始平衡狀態(tài)，在對邊界條件和加勁梁按照實(shí)際成橋狀態(tài)修正后，進(jìn)行精確平衡狀態(tài)的非線性分析，得出成橋后主纜線形[1]。

2.2加載模式的確定

移動荷載是通過影響線方式在加勁梁上加載的，需要確定的剛度和邊界條件，而主纜屬于索單元，程序求解時(shí)通過采用初始荷載中的小位移（初始單元內(nèi)力）把索單元轉(zhuǎn)化為桁架單元來求解。由于吊橋?qū)賰?nèi)部多次超靜定體系，主纜垂點(diǎn)最大位移及最大拉力時(shí)布載方式不一定為橋面滿載，需采用影響線追蹤加載方式進(jìn)行確定。利用程序自帶移動荷載追蹤器進(jìn)行追蹤加載，如圖3～4所示。由圖3可以看出，主纜跨中發(fā)生最大位移時(shí)對應(yīng)的布置方式為橋面中間約1/3跨范圍內(nèi)布載，由圖4可以看出，主纜發(fā)生最大拉力時(shí)對應(yīng)的布置方式為橋面滿載。

2.3 主纜的選擇和無應(yīng)力索長確定

懸索橋尤其是大跨懸索橋的柔性特點(diǎn)，使其線形易受到施工現(xiàn)場條件、臨時(shí)設(shè)施和環(huán)境溫度的影響，因此主纜設(shè)計(jì)是懸索橋合理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[2]。根據(jù)吊橋多年的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，主纜材料主要有平行鋼絲束、鋼絞線和鋼絲繩三種[3]，平行鋼絲主纜由于受力性能優(yōu)良、施工工藝先進(jìn)而多被用在大跨車行懸索橋上，采用預(yù)制索股法（PPWS）施工；小跨人行吊橋主要采用鋼絲繩主索，采用空中曲線編股法施工，近年來，隨著鋼絲繩捻制工藝的提高，也有采用7根鋼絲繩整體捻制成一股，外包PE防腐的鋼絲繩主纜，由于此種主纜對生產(chǎn)工藝要求較高，還沒有完全推廣。相比較，國內(nèi)鋼絞線主索的應(yīng)用并不多，但是考慮到新型環(huán)氧涂裝鋼絞線外包PE有較好的防腐效果，在人行吊橋發(fā)展中有一定的競爭優(yōu)勢。經(jīng)計(jì)算，本橋主纜最大拉力為420kN，為節(jié)約造價(jià)，主纜材料采用6×19W+IWS1870型鋼芯熱鍍鋅成材鋼絲繩。但鋼絲繩主纜由于彈性模量相對較小、在后期易引起應(yīng)力松弛，在進(jìn)場后須進(jìn)行必要的預(yù)張拉，成橋后也應(yīng)對主纜線形進(jìn)行定期的觀測，以便及時(shí)調(diào)整線形。

求解主纜無應(yīng)力索長的目的是確定施工時(shí)的下料長度，求解時(shí)可按照倒拆法分析，步驟為：成橋狀態(tài)>拆除橋面二期荷載>拆吊桿（同時(shí)須對主梁進(jìn)行滿堂支架約束）。需要強(qiáng)調(diào)的是，對于主纜內(nèi)力的計(jì)算，主纜任一單元之間的I端和J端外觀是直線連接，但實(shí)際計(jì)算其內(nèi)力應(yīng)是由索單元的懸鏈線長度減去無應(yīng)力索長來推算得到，而不是單純的由兩點(diǎn)間直線減去無應(yīng)力索長推算得到。

2.4 橋面系的確定

國內(nèi)已建的人行吊橋主梁形式主要由型鋼格構(gòu)式和桁架式兩種。不同的主梁形式對結(jié)構(gòu)的動力特性影響較大，進(jìn)而會影響行人的過橋舒適性[4]。桁架式主梁由于建筑高度大、剛度較高，常被用在客流量較大的、對結(jié)構(gòu)剛度要求較高的橋型中。反之，格構(gòu)式結(jié)構(gòu)具有橋面系重量輕、體系柔、豎向撓度大等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)懸索結(jié)構(gòu)的大變形要求，常被用在跨度不大的、行人不密集的場所。本工程橋面系采用縱橫向格構(gòu)體系，縱橫梁均采用槽鋼，橋面板采用4mm厚花紋鋼面板，并在鋼面板表面開設(shè)規(guī)則圓孔，以減低風(fēng)振影響。同樣，為減小風(fēng)壓面積，橋面欄桿采用鋼管焊接形式，以減低風(fēng)荷載效應(yīng)。

2.5 錨碇形式的確定

錨碇形式應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)資料確定，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，橋頭兩側(cè)土層主要以粘土為主，不適宜采用隧道錨形式，最終確定錨碇采用重力式錨碇結(jié)構(gòu)。重力式錨碇塊又分前錨式和后錨式，考慮到鋼絲繩主纜成橋后存在應(yīng)力松弛現(xiàn)象，為方便后期對主纜線形進(jìn)行微調(diào)，本橋采用前錨式結(jié)構(gòu)。主索錨具為套筒式熱鑄錨，錨頭處采用預(yù)埋調(diào)質(zhì)拉桿，在拉桿上設(shè)置錨杯，在錨杯內(nèi)灌注鋅銅合金，通過在拉桿上設(shè)置螺紋，可在主纜架設(shè)后對主纜線形進(jìn)行微調(diào)，如圖5所示：

2.6 鞍座形式的確定

鞍座是供主纜通過塔頂?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)，由設(shè)有弧形索槽的肋形鑄鋼塊件組成，是將主纜荷載按弧線傳布于塔柱使其垂直受力的裝置，也是全橋的主要傳力構(gòu)件[5]。常用的人行吊橋鞍座通常分為剛性索鞍和柔性索鞍，剛性鞍座一般要設(shè)輥軸裝置，將傳來的集中荷載分布在塔柱上，而柔性鞍座或擺柱式則直接將鑄鐵上座與塔柱頂面用螺栓固定。

本橋鞍座采用鑄鋼材料的剛性構(gòu)件，索鞍主要由底板、座體兩部分組成，安放索股的鞍槽加工成精確的階梯形圓弧曲面，以適應(yīng)主纜索股在鞍內(nèi)的設(shè)計(jì)形狀和排列，在索槽加入鋼板墊片、以克服相對滑動，如圖6所示：

3、施工要點(diǎn)

主要施工流程：主塔下部基礎(chǔ)、承臺、塔架的施工，施工兩側(cè)主纜重力式錨碇塊>主纜索鞍的安放>架設(shè)鋼絲繩主纜母索（基準(zhǔn)索）>架設(shè)鋼絲繩主纜其余纜索>架設(shè)吊桿>架設(shè)橫、縱梁并形成格構(gòu)體系>施工橋面系附屬>檢測通行。

需要注意的是，鋼絲繩主纜送至場地后，要分別對主纜進(jìn)行預(yù)拉和標(biāo)定。選定一根母索作為基準(zhǔn)索，母索在一側(cè)先行錨固，另一側(cè)通過拖船拖至對岸進(jìn)行臨時(shí)錨固，對母索進(jìn)行線形調(diào)整，滿足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行連續(xù)觀測，下沉位移滿足規(guī)范要求后再用同樣的辦法對其余鋼絲繩主纜進(jìn)行安裝并編束成六角形。為最大限度減少累計(jì)誤差，從中間往兩側(cè)施工架設(shè)吊桿及橫梁，調(diào)整至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，在橫梁上鋪設(shè)縱梁并與之焊接，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后鋪設(shè)橋面花紋鋼面板。

結(jié)論：

1）人行吊橋具有造型美觀、施工周期短、工程造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，比較適合在旅游景區(qū)、城市濕地公園等場所修建，在設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮橋梁本身的安全性、實(shí)用性和耐久性，又要從實(shí)際情況出發(fā)，盡量節(jié)約工程造價(jià)。

2）對于無邊跨的吊橋，主纜跨中發(fā)生最大位移時(shí)對應(yīng)的布置方式為橋面中間約1/3跨范圍內(nèi)布載，主纜發(fā)生最大拉力時(shí)對應(yīng)的布置方式為橋面滿載。

3）主纜的無應(yīng)力索長可以通過“倒拆法”來求解，求解主纜內(nèi)力時(shí)應(yīng)采用懸鏈線長度減去無應(yīng)力索長來進(jìn)行換算。

4）但鋼絲繩主纜由于彈性模量相對較小、在后期易引起應(yīng)力松弛，在進(jìn)場后須進(jìn)行必要的預(yù)張拉，成橋后也應(yīng)對主纜線形進(jìn)行定期的觀測，以便及時(shí)調(diào)整線形。

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