大跨度懸索管橋在引水工程中的應(yīng)用

郭春雷 陳 端 孫建勛

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)需水量越來(lái)越大，為了改善局部缺水局面，許多調(diào)水、引水工程不斷提上日程。常用的引水建筑物多為明渠、埋涵等。在跨越山谷、河流等障礙物時(shí)，通常采用倒虹吸、渡槽及管橋等，但當(dāng)?shù)匦闻c水流條件不利于較小跨徑橋跨結(jié)構(gòu)布置時(shí)，可結(jié)合實(shí)際情況采用大跨度結(jié)構(gòu)方案來(lái)解決。本文通過(guò)西藏某地一座跨越雅江峽谷懸索管橋的設(shè)計(jì)，為大跨度引水工程提供一種解決方案。懸索橋有外形簡(jiǎn)潔輕巧、結(jié)構(gòu)跨度大、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在通過(guò)深山、峽谷以及山區(qū)寬深河流的地方上建造具有較好的適應(yīng)能力，可避免水下作業(yè)和下部結(jié)構(gòu)受水流影響等不利條件。我國(guó)在許多山區(qū)為連接交通已修建了許多大跨度的懸索橋，在設(shè)計(jì)大跨度輸水管橋時(shí)可作為參考。利用懸索橋架設(shè)管道在橋跨結(jié)構(gòu)滿足使用功能的同時(shí)，還需要重點(diǎn)解決管道變形的問(wèn)題。

1 工程概況

西藏地區(qū)某處自流引水線路需要跨越雅江，跨江段南北兩山組成一個(gè)巨大V形谷地。雅江河道寬深、水流速度較大，選擇普通多跨渡槽或管橋輸水，下部結(jié)構(gòu)排架較高、基礎(chǔ)施工難度大、工程安全性、可靠性無(wú)法保證。為此，設(shè)計(jì)推薦采用大跨度懸索管橋方式通過(guò)雅江，由南岸取水跨江自流引水至北岸灌片區(qū)。橋梁兩端山坡段管道采用淺埋式。根據(jù)引水口可供水量、灌溉區(qū)需水量及引水水頭確定引水設(shè)計(jì)流量0.301 m3/s，橋上鋪設(shè)的引水管設(shè)計(jì)采用DN400 mm無(wú)縫鋼管，壁厚10 mm。懸索管橋處最大壓力水頭為123.2 m，架空段長(zhǎng)度約為160 m。

橋梁所在地為青藏高原區(qū)氣候，屬溫暖半濕潤(rùn)氣候帶，多年平均氣溫8.6℃，最高氣溫32.3℃，最低氣溫-16.4℃。多年平均最大風(fēng)速17 m/s。運(yùn)行時(shí)段主要是在灌溉期（3～7月）過(guò)水，月平均氣溫均大于零度。

2 橋梁總體設(shè)計(jì)

懸索管橋以引水功能為主，橋面較窄，從節(jié)省投資出發(fā)，宜采用柔性吊橋形式，可利用兩側(cè)張緊的風(fēng)纜代替加勁梁結(jié)構(gòu)維持橋面橫向穩(wěn)定，其工程量減少較多、經(jīng)濟(jì)性較好。根據(jù)地形地質(zhì)條件，本工程跨江管橋設(shè)計(jì)采用三跨柔性吊橋形式，主跨跨徑為120 m，兩側(cè)邊跨采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，跨徑均為18 m，兩岸錨碇兼做邊跨橋臺(tái)。兩岸橋塔采用樁基礎(chǔ)，混凝土排架結(jié)構(gòu)，排架柱高度均為22.3 m。主纜設(shè)計(jì)矢跨比f(wàn)/l=1/12，繞過(guò)塔頂索鞍后向下錨固于兩岸錨碇上，邊跨主纜斜度：1∶0.55（平距比垂距）。在橋面兩側(cè)各設(shè)置1根風(fēng)纜，風(fēng)纜計(jì)算主跨徑120 m，矢跨比f(wàn)1/l1=1/10，根據(jù)上下游山坡地形條件，風(fēng)纜設(shè)計(jì)與水平面成20°夾角，風(fēng)纜兩端分別錨固于修建在山坡上的錨固墩?？癸L(fēng)拉索穿過(guò)橫梁端及風(fēng)纜上設(shè)置的滑輪，將橋面與風(fēng)纜連接成一體。懸索管橋平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 懸索管橋平面示意圖

管橋橋面設(shè)計(jì)寬度1.9 m，吊桿設(shè)置在橋面外側(cè)，主纜下吊桿沿跨度方向間隔2 m一道。吊桿采用345級(jí)直徑20 mm的IO1型鋼拉桿，左右各1根，橫向間距2.1 m，吊桿下端通過(guò)螺栓與橫梁連接。橋面橫梁及縱梁采用槽鋼焊接而成，水管鋪設(shè)在橋面中央，通過(guò)焊接在橫梁上的管托和管箍固定。水管兩側(cè)橋面各留出0.6 m寬作為檢修通道，外側(cè)設(shè)置欄桿及扶手?？缰袡M斷面布置見(jiàn)圖2。

圖2 管橋主跨跨中橫斷面示意圖

3 管橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

懸索管橋設(shè)計(jì)可根據(jù)現(xiàn)行《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》等橋梁規(guī)范和《鋼橋》《懸索橋》（橋梁計(jì)算示例）等參考書藉來(lái)計(jì)算和驗(yàn)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定與變形，以滿足使用要求?，F(xiàn)行規(guī)范是采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，并按照分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

橋梁承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算公式：

γ0Sd≤Rd

式中 γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

Sd——作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；

Rd——結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值。目前國(guó)內(nèi)直徑5 mm左右粗鋼絲生產(chǎn)工藝成熟、設(shè)備已配套定型，可降低生產(chǎn)成本，規(guī)范建議主纜采用直徑4.5～5.5 mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，設(shè)計(jì)過(guò)程中可根據(jù)初估荷載及工程經(jīng)驗(yàn)初步選擇主纜和風(fēng)纜直徑，再通過(guò)強(qiáng)度與變形驗(yàn)算逐步確定最優(yōu)纜索方案。本工程通過(guò)多次試算，最終采用φs15.2鋼絞線做為懸索管橋的主纜和風(fēng)纜，鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fk=1 860 MPa。每根纜索均由7束直徑15.2 mm熱鍍鋅低松弛鋼絞線組成平行索，其中主纜為4根，一側(cè)兩根；風(fēng)纜兩側(cè)各1根?？癸L(fēng)拉索因需要繞過(guò)風(fēng)纜和橋面橫梁端設(shè)置的滑輪，為減少鋼絲彎曲應(yīng)力，設(shè)計(jì)采用6×7+FC鍍鋅鋼絲繩，鋼絲直徑1.5 mm，鋼絲繩直徑14 mm，可以滿足滑輪凹槽寬度要求，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fk=1 770 MPa，鋼絲繩最小破斷拉力115 kN。

4 橋面變形控制

柔性吊橋在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的最不利因素應(yīng)是風(fēng)荷載產(chǎn)生的影響，世界上早期設(shè)計(jì)的一些吊橋因風(fēng)而毀的實(shí)例可以找到很多，為此在柔性吊橋設(shè)計(jì)中一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)就是在吊橋兩側(cè)增加風(fēng)纜來(lái)抗風(fēng)。一般風(fēng)纜施工時(shí)僅為張緊，基本可以滿足作為交通之用的吊橋在風(fēng)荷載作用下橋面橫向位移不應(yīng)過(guò)大的限制，甚至在大風(fēng)天氣時(shí)交通橋?yàn)榘踩紤]可以限行。但作為引水功能的管橋，水管與橋梁結(jié)構(gòu)相互連接成一體，輸水鋼管的變形不應(yīng)過(guò)大，橋梁變位需要滿足更高運(yùn)行要求，為此需要在風(fēng)纜張緊時(shí)預(yù)加一定拉力，以達(dá)到降低水平變位和減小震動(dòng)幅度的目的。將風(fēng)纜看作是作用在橋面兩側(cè)剛度相等的彈簧，根據(jù)虎克定律，在相同水平力H作用下，各預(yù)加H/2水平力給兩側(cè)彈簧時(shí)的橋面將比只張緊的橋面產(chǎn)生的水平位移減少約一半，且彈簧所受最大拉力不變。由此在施工時(shí)可預(yù)加相當(dāng)于一半風(fēng)荷載所產(chǎn)生的拉力在風(fēng)纜上，以減少由風(fēng)荷載引起的水平位移，同時(shí)又不會(huì)增加風(fēng)纜拉力。而在主纜設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮風(fēng)纜預(yù)加力對(duì)橋面系產(chǎn)生的豎直分力影響，因風(fēng)纜水平夾角較小，附加在橋面上的豎直荷載并不大。

溫度變化對(duì)懸索橋主索撓曲變形影響不可避免，在錨固施工時(shí)可根據(jù)當(dāng)天溫度的實(shí)際情況調(diào)整主索跨中安裝垂度?；詈奢d數(shù)值變化也會(huì)對(duì)懸索橋主索撓曲變形產(chǎn)生較大影響，設(shè)計(jì)時(shí)采用較高彈性模量的鋼索，結(jié)合風(fēng)纜附加荷載適當(dāng)增加鋼絲面積，可以減少主索彈性撓曲變形，保證跨中撓度滿足要求。參照現(xiàn)行《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》，懸索管橋豎向撓度及橫向變位限值參考剛性橋面懸索橋加勁梁設(shè)計(jì)，為計(jì)算跨徑的1/250。

5 橋面變形驗(yàn)算

成橋狀態(tài)下跨中橋面豎直撓度主要由溫度和活載變化產(chǎn)生，水平位移主要由風(fēng)荷載產(chǎn)生，目前許多結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件可建模計(jì)算索中內(nèi)力及變形，簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)也可根據(jù)《鋼橋》中關(guān)于柔性吊橋相關(guān)計(jì)算公式來(lái)手算，纜索由于荷載作用和溫度變化會(huì)引起索長(zhǎng)變化，而索長(zhǎng)變化又會(huì)導(dǎo)致跨中撓度改變，當(dāng)懸索橋設(shè)計(jì)矢跨比n=f/l確定后，橋面跨中垂度變化Δf可根據(jù)下面公式求得：

由主索長(zhǎng)度變化△S引起跨中垂度f(wàn)的變化公式：

由跨度變化△SL引起垂度f(wàn)變化的公式：

在計(jì)算主跨主纜變形時(shí)還需考慮邊跨主纜伸縮引起的主跨跨度和索長(zhǎng)變形影響。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，滿人時(shí)的人群荷載對(duì)跨中撓度影響最大，為保證橋面撓度滿足設(shè)計(jì)要求，該橋做為輸水管橋，需在橋兩端設(shè)置大門，平時(shí)上鎖關(guān)閉，檢修時(shí)打開。

橫向位移按照風(fēng)纜設(shè)計(jì)矢跨比n1=1/10，根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算，風(fēng)荷載在跨中產(chǎn)生的水平位移按正負(fù)撓度絕對(duì)值之和計(jì)算得：Δf1=0.70 m，大于位移限值L/250=0.48 m。

考慮風(fēng)荷載產(chǎn)生的一半拉力預(yù)加在風(fēng)纜上，則風(fēng)荷載在跨中產(chǎn)生的水平位移可減少約一半，即Δf1≈0.35 m＜0.48 m，則風(fēng)纜預(yù)加拉力后跨中撓度可滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文介紹，使大家了解利用大跨度懸索管橋作為一種跨江輸水方案設(shè)計(jì)是可行的。采用柔性吊橋設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)風(fēng)纜預(yù)加一定拉力以解決跨中水平變位過(guò)大問(wèn)題。另外需要注意，在橋梁伸縮縫處，主橋跨端不僅產(chǎn)生縱向水平伸縮變位，還會(huì)產(chǎn)生一定量的橫向或豎向角位移，這些角變位極易導(dǎo)致輸水管道損壞，為此需要在變形較大部位設(shè)置較為穩(wěn)妥可靠的伸縮節(jié)和轉(zhuǎn)向節(jié)，以便將架設(shè)在橋面上的活動(dòng)管道與兩岸地埋的固定管道連接在一起。管橋設(shè)計(jì)概算投資約3.5萬(wàn)元/m，與同類型人行吊橋設(shè)計(jì)造價(jià)指標(biāo)基本接近。