大跨度玻璃吊橋設計方案及容許上橋人數(shù)的計算分析

莫山峰

(大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司 大連市 116024)

1 工程概況

張家口人行吊橋工程位于張家口尚義縣大青山森林公園景區(qū)，距離張家口市區(qū)87km，距離北京市區(qū)236km。本項目為景區(qū)的人行橋，大致為南北走向，橋梁結構的選擇在滿足基本功能的同時，還應注重景觀效果。經(jīng)過多輪方案比選，最終確定本橋的橋型為地錨式懸索橋。本橋連接兩側山脊，橋梁跨度為445m，橋跨間最大溝谷深度約120m，橋梁有效通行寬度2.4m，橋面采用玻璃鋪裝。

圖1 大青山玻璃吊橋效果圖

2 主要技術標準

(1)橋面布置： 吊索間距為3.6m，欄桿內(nèi)側凈寬2.4m；

(2)設計荷載：局部計算人群荷載為3.5kN/m2；整體計算橋上人數(shù)不超過800人；

(3)橋梁縱坡：橋梁縱坡為3.7%；

(4)抗震烈度：7度，地震加速度峰值為0.15g；

(5)環(huán)境類別：Ⅱ類；

(6)設計使用年限：50年；

(7)結構設計安全等級：一級；

(8)高程系統(tǒng)：黃海高程系；

(9)坐標系統(tǒng)：西安坐標系。

3 橋梁設計方案

3.1 總體方案

本橋采用單跨地錨式鋼桁架懸索橋結構形式，結構輕盈、橋型美觀。橋梁全長445m，橋梁有效通行寬度2.4m。主梁為鋼桁架，索塔為鋼筋混凝土結構，南側塔高52.13m，北側塔高40.64m。主跨跨度為445m，成橋狀態(tài)下理論矢高為37.5m，矢跨比為1/11.87。全橋設有65對豎向吊桿，順橋向吊桿間距為6.66m，橫橋向吊桿間距為3.6m。方案總體布置如圖2。

3.2 主要構造設計

(1)主梁

主梁為鋼桁架結構，桁高為2.6m，縱向桁距3.33m，橫向桁距3.6m。所有桿件均采用標準型鋼，其中主弦桿、豎桿、斜桿、下橫撐、橫向斜撐均采用雙角鋼形式，下平聯(lián)采用單角鋼形式，上橫撐和用于支撐橋面鋪裝的小縱梁采用寬翼緣H型鋼，具體型鋼規(guī)格：主弦桿采用L180×14角鋼，豎桿和下橫撐采用L80×10角鋼，下平聯(lián)采用L110×10角鋼，斜桿采用L90×10角鋼，橫向斜撐采用L70×7角鋼，上橫撐采用HW200×204×12×12，小縱梁采用HW200×200×8×12。主桁鋼材均采用Q345D。

(2)索塔及其基礎

圖2 大青山玻璃吊橋方案總體布置圖

索塔采用門式塔，兩塔柱橫向內(nèi)傾，中間設兩道交叉橫撐。塔柱截面接近于矩形截面，從美觀出發(fā)外側輪廓線采用倒圓處理，南側塔高52.13m，北側塔高40.64m，塔柱分上塔柱、中塔柱、下塔柱，索鞍底座以上的塔柱部分為上塔柱，采用鋼結構，其余塔柱部分均為混凝土結構，中塔柱外輪廓尺寸為2.5m×1.5m，下塔柱外輪廓尺寸為4.1m×3.0m。塔柱下接臺階形擴大基礎，基礎底面全部進入中風化巖層或強風化巖中。索塔采用C40混凝土，擴大基礎采用C30混凝土。

(3)錨碇及其基礎

錨碇分為錨碇基礎、前錨室和后錨室三部分。錨碇基礎采用階梯形式，為節(jié)省成本，錨碇基礎下部采用C30混凝土，錨碇基礎上部及錨固區(qū)部分采用C40混凝土?；A底面全部進入強風化巖層中，最小入巖深度不小于0.5m。前錨室主要設置散索鞍及前錨板，后錨室主要設置后錨板及錨固系統(tǒng)，同時預埋索管及勁性骨架，并設置人孔，便于后期進入室內(nèi)維護。

(4)風纜錨碇

風纜端部采用鋼錨箱加預應力錨索結構，風纜通過鋼錨梁將力傳遞給預應力錨索基礎。每個風纜端部設一個風纜錨固結構，在風纜端部設置熱鑄錨端頭，可以對其進行張拉調(diào)整內(nèi)力和線形。

(5)主纜

主纜采用非對稱布置，北側IP點比南側IP點高5m，主跨跨度為445m，成橋狀態(tài)下理論矢高為37.5m，矢跨比為1/11.87。橋梁橫向設兩根主纜，每根由19根37絲Φ5.2mm預制平行鋼絲索編排而成組成，鋼絲為高強度鍍鋅鋼絲，強度為1770MPa。

(6)風纜

全橋設兩根風纜，每根風纜采用公稱直徑Φ104mm的1×127-547類鋼絲繩，標準強度為1770MPa。鋼絲繩端頭采用熱鑄錨形式錨具，并對其進行張拉。

(7)吊桿

全橋豎向吊桿共65對，中央扣索處設兩對斜向吊桿，跨中處8對吊桿采用Φ30mm剛性吊桿，其余吊桿采用Φ19mm高強度鍍鋅鋼絲成品索，標準強度為1670MPa，雙層PE保護層。吊桿設長度調(diào)節(jié)桿。

(8)風纜拉索

風纜拉索采用公稱直徑30mm鋼絲繩，每根鋼絲表面均采用鋅-5%混合稀土合金鍍層，強度等級1770MPa，彈性模量1.65×105MPa，拉索設置調(diào)節(jié)桿，調(diào)節(jié)量±50mm。

(9)索鞍

主索鞍鞍體采用全鑄型結構，主索鞍鞍體下設鋼板-聚四氟乙烯板滑動副，以適應施工中相對移動。

散索鞍采用滑移造型式。散索鞍鞍體采用全鑄式結構。

(10)索夾

索夾由上下兩個半圓鑄鋼構件組成，高強螺栓連接，根據(jù)吊桿力及索夾處主纜傾角的不同，索夾長度與螺栓數(shù)量也不同。

(11)玻璃鋪裝

橋面玻璃板采用勻質鋼化夾膠玻璃，玻璃的板邊緣均應進行機械磨邊和倒棱，磨邊宜細磨，倒棱寬度不宜小于lmm。

3.3 設計關鍵技術

3.3.1總體布置及基礎類型

橋位處地形為峽谷類型，為體現(xiàn)吊橋跨越效果，采用大跨跨過峽谷，結構形式采用單跨簡支模式，兩個橋塔分別布置在峽谷兩側山脊處，跨度445m。由于兩岸地形高差較大，主梁加勁梁設單向3.7%縱坡，北岸主梁頂面較南岸高16.465m。

索塔采用鋼筋混凝土門式塔，兩塔柱橫向內(nèi)傾，中間設兩道交叉橫撐。橋塔處地質中風化玄武巖層，裂隙輕微發(fā)育，巖體整體較完整，巖芯呈柱狀，局部呈塊狀，裂隙充填為少量填性土，且埋藏淺，因此橋塔基礎采用擴大基礎形式。

錨碇位于山坡處，山坡的走向與邊跨纜索一致，錨碇處強風化玄武巖埋深淺，承載力較高、穩(wěn)定性好，采用重力式錨碇比較合理。

3.3.2結構防腐方面

主纜、塔柱、錨碇及鋼桁梁采用常規(guī)做法防腐，著重說明下欄桿及風纜纜索的防腐做法。

本橋欄桿采用不銹鋼欄桿，不銹鋼材質避免了橋梁養(yǎng)護階段欄桿涂漆，可以保護玻璃橋面免受涂漆過程的污染破壞。另外不銹鋼材質欄桿比較光亮，增強了玻璃吊橋的景觀效果。

本橋風纜纜索采用高帆鍍層索，高帆鍍層索是國內(nèi)新型的預應力拉索，索體采用單捻股鋼絲繩，它是以一根圓鋼絲為中心，在其外面以螺旋形狀包捻一層或多層的圓鋼絲，每根鋼絲的表面均采用5%鋁混合稀土合金鍍層，防腐性能優(yōu)秀，其產(chǎn)品的抗腐蝕性能約是普通鍍鋅的2～3倍。索體梁端以壓制或澆筑的方式連接錨具。

3.3.3結構風振控制

本橋跨度445m，加勁梁寬度3.6m，加勁梁寬跨比1/123，遠遠小于1/60。抗風穩(wěn)定性問題尤為突出。設計通過以下幾方面技術措施增加結構橫向剛度和抗扭轉剛度、提高結構抗風穩(wěn)定性：

(1)對于加勁梁寬跨比較小的大跨懸索橋，增加抗風纜索來提高結構抗風穩(wěn)定性是最為經(jīng)濟和簡單的結構措施。本橋設置了風纜系統(tǒng)，并且風纜索力張拉數(shù)值較大。風纜采用高帆鋼絲索，索力松弛較一般鋼絲繩要小很多，可以有效保證風纜索力發(fā)揮作用。

(2)在主跨中央主梁和加勁肋之間設置中央扣，中央扣可提高結構非對稱豎向振動、橫向振動和扭轉振動的頻率，進而提高顫振穩(wěn)定性。

(3)加勁肋采用橫向剛度和扭轉剛度尚可的桁架結構形式，抗風通透性比較好。

3.3.4玻璃鋪裝

橋面玻璃采用經(jīng)過均質處理的鋼化夾層玻璃，共設置3層厚15mm的鋼化玻璃，層間填1.14mm的膠片，以保障玻璃橋面遭受意外沖擊力時行人的安全。玻璃正式生產(chǎn)前選取符合本橋要求的尺寸及規(guī)格的鋪裝玻璃進行承載力試驗，要求承載能力不能低于20kN/m3。玻璃與鋼結構之間，玻璃與玻璃之間都設置橡膠墊塊，并用硅酮密封膠密封，保證玻璃不會由于加勁梁變形而發(fā)生擠壓破壞。

4 上橋人數(shù)計算分析

4.1 計算模型

采用大型空間有限元計算軟件Midas/Civil建立有限元模型進行計算分析。纜索和吊桿采用索單元進行模擬，除此之外的所有包括塔、主梁等在內(nèi)的結構均采用空間梁單元模擬，支座及隔震墊塊等連接構件采用彈性連接模擬。如圖3為該橋有限元計算模型。

圖3 計算模型立面圖

4.2 上橋人數(shù)的確定

景區(qū)吊橋容許上橋的人數(shù)對于景區(qū)盈利而言是越多越好，容許上橋人數(shù)的上限是由塔柱的承載能力來控制，塔根應力的影響線如圖4所示。由塔根應力影響線可以看出，在同樣上橋人數(shù)的情況下越在跨中區(qū)域集中，塔根受力就越大。

圖4 塔根應力影響線

本橋計算按照兩種額定人數(shù)，800人和1000人，每種額定人數(shù)的計算考慮4個工況，分別按照人群密度每平米2人、3人、4人、5人來計算。計算結果如表1。

由表1可以看出，額定人數(shù)800人和1000人兩種情況計算結果塔根應力均在規(guī)范容許范圍內(nèi)，鑒于該橋為景區(qū)人行吊橋，運營階段游客人流密度大，保守考慮行人安全問題，決定該橋容許上橋人數(shù)定為800人。

5 結語

隨著旅游業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)諸多玻璃吊橋正在大量的建設。通過大青山人行玻璃吊橋設計概況的介紹，分析了該橋設計的關鍵技術，計算了該橋容許上橋的人數(shù)，對同類橋梁的設計起到了一定的參考作用。

表1 容許上橋人數(shù)計算表