人行懸索橋設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

陳芙蓉

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

水利樞紐工程庫區(qū)蓄水后，會淹沒該地區(qū)原有道路，影響當(dāng)?shù)匕傩粘鲂校瑸榭缭綆靺^(qū)解決交通不便的問題，需要修建人行橋。拱式橋?qū)Φ匦螚l件的要求比較嚴(yán)苛，梁式橋的橋墩需要在深水中打樁施工，工藝復(fù)雜、造價較高[1]。懸索橋跨越能力大、造型美觀，主跨采用鋼構(gòu)件，重量輕、抗彎能力強(qiáng)，且施工和后期維護(hù)較為方便，主要承重結(jié)構(gòu)由架設(shè)在橋塔上的纜索承擔(dān)，在豎向荷載作用下，通過吊索承受巨大拉力，充分利用了鋼絲繩抗拉強(qiáng)度大的優(yōu)良特性，形成受力明確的結(jié)構(gòu)體系，不需要很高的索塔，便可以修建跨度較大的橋梁[2- 4]。所以與其他橋梁型式相比，選擇人行懸索橋是比較經(jīng)濟(jì)合理的方案?？紤]到本工程人行懸索橋的具體情況，充分研究施工條件和設(shè)計(jì)要求，綜合研判選定最終整體方案和技術(shù)指標(biāo)，運(yùn)用有限元分析方法，對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行全面的分析和研究，使設(shè)計(jì)的人行懸索橋受力性能優(yōu)良、施工方便、經(jīng)濟(jì)安全。本文將結(jié)構(gòu)規(guī)格、材料品種選擇的有利經(jīng)驗(yàn)提供給同地區(qū)人行懸索橋設(shè)計(jì)從業(yè)者，為該地區(qū)脫貧攻堅(jiān)、扶貧項(xiàng)目提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

阿爾塔什人行懸索橋是阿爾塔什水利樞紐工程建成后，對淹沒區(qū)域中的麥孜蓋牧場的交通恢復(fù)工程。該橋左岸連接阿爾塔什水利樞紐工程庫周恢復(fù)道路，右岸通過牧道與現(xiàn)有牧場(6萬畝) 相接。工程位于葉爾羌河中游峽谷河段上，河谷呈“V”型谷，河流流向近東西向發(fā)育，河床高程1745～1750m，河谷底寬100～200m，河谷兩側(cè)山體雄厚，山頂高程通常2500～3000m不等，相對高度600～1000m。根據(jù)地形、地層及構(gòu)造特征為峽谷形庫盤。庫區(qū)兩岸大部分為裸露的基巖，主要由元古界和古生界的地層構(gòu)成，巖層穩(wěn)定，巖性以石英巖、礫巖、片巖、板巖、灰?guī)r、花崗巖及片麻巖為主，巖層產(chǎn)狀310°～355°SW∠40°～70°，走向與河谷走向夾角30°～55°。庫區(qū)主要構(gòu)造線與河谷斜交，除米亞斷裂為區(qū)域性活動斷裂外，其余斷層規(guī)模均不大。橋址區(qū)岸坡整體穩(wěn)定，局部岸坡較陡處分布少量卸荷巖體。橋址處河底高程約在1746m左右，后期水面高程將因蓄水上升到1820m(正常蓄水位)。

2 總體布置

該橋設(shè)計(jì)荷載采用人群荷載，橋面寬度1.8m，初始方案擬定為單跨兩鉸懸索橋，跨度為320m，主跨矢跨比為1/15，矢高21.333m，左岸背纜水平跨距44.402m，右岸背纜水平跨距17.413m。主梁豎曲線設(shè)置值為R=14000m，跨中處路冠高程1834.554m。橋型立面布置圖如圖1所示。

圖1 橋型立面布置圖(單位：mm)

2.1 主纜

懸索橋主要承重結(jié)構(gòu)由架設(shè)在橋塔上的纜索承擔(dān)，主纜通常由鍍鋅高強(qiáng)鋼絲制成的平行鋼絲束、鋼絲繩、鋼絞線制作，由于平行鋼絲束彈性模量大、不需預(yù)拉、抗腐蝕性好、空隙率低，所以現(xiàn)代懸索橋多采用這種形式[5- 6]。

全橋設(shè)置兩根間距為1.85m的纜索，線型為二次拋物線，另將61絲Φ5.1mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成一股平行鋼絲成品索，主纜由7股合制而成，纜索標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1670MPa，彈性模量為2.0×105MPa。索夾處空隙率值為18%，索夾外該值為20%。主纜錨固體系選用冷鑄錨型式，錨頭鍛造方式為現(xiàn)場加工，主纜在散索鞍后以輻射狀展開后分別錨固在加勁梁的端錨梁上。

2.2 吊索及索夾

吊索是傳遞橋面活載和加勁梁恒載的主要桿件，全橋吊索共159對，采用豎直布置方式，吊索間距2.0m，采用24-6×19S+IWR鋼絲繩(234kg/100m)，鋼絲繩最小破斷拉力363kN。吊索外包PE進(jìn)行防護(hù)，兩端均采用冷鑄錨，上端通過叉形耳板與索夾連接，下端通過叉形耳板與加勁梁吊點(diǎn)耳板連接。

索夾由兩個鑄鋼半圓部件組成，用高強(qiáng)螺栓連接緊固。索夾分成有吊索索夾和無吊索索夾，全橋共有173對，4種類型SJ1～SJ4。SJ1～SJ3為有吊索索夾，下端設(shè)有耳板與吊索聯(lián)接，由于各處吊桿力大小及索夾位置主纜傾角有所差異，造成索夾規(guī)格不同，緊固索夾的高強(qiáng)螺栓數(shù)量也不一致；SJ4為無吊索索夾，主要布置于無吊索區(qū)，沒有耳板，起夾緊主纜的作用。由于索夾和主纜形狀分別是圓形和六角形，不能完全重合，所以用鉛鋅填料邊填于縫隙處，確保索夾的抗滑系數(shù)在安全范圍內(nèi)[7]。

2.3 錨碇

主纜的錨固主要依靠錨碇，并通過錨碇將拉力傳遞給地基。錨碇主要有重力式和隧道式兩種。重力式錨碇適應(yīng)性較強(qiáng)，傳力機(jī)理簡單，主要通過錨碇自身重力和地基摩擦力承擔(dān)主纜拉力[8]。隧道式錨碇的特點(diǎn)是，利用錨塞體充分發(fā)揮圍巖的承載能力，并借助錨塞體自重和圍巖一起承受主纜拉力，節(jié)約材料、開挖量少、經(jīng)濟(jì)性好，對周圍環(huán)境破壞小，但對區(qū)域地形地質(zhì)條件要求較高[9]。

受地貌影響，左右兩岸錨碇都采取重力式，主體部分是C30鋼筋混凝土。預(yù)應(yīng)力操作室待預(yù)應(yīng)力張拉完畢并灌漿后用片石混凝土封填。錨碇長13.0m，寬8.0m，高10.0m，左岸錨碇基底設(shè)計(jì)高程1837.285m，右岸錨碇基底設(shè)計(jì)高程為1844.612m，放坡支護(hù)開挖，基底應(yīng)全部置于堅(jiān)硬巖體內(nèi)。澆注錨碇混凝土前需先采用固結(jié)灌漿對基礎(chǔ)底部巖體的裂隙進(jìn)行灌漿止水。橋位左右岸上下游側(cè)均設(shè)置抗風(fēng)錨碇，錨碇主體結(jié)構(gòu)尺寸6.5 m×6.5 m×7m，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸8.5 m×8.5m×2m；抗風(fēng)錨碇基底設(shè)計(jì)高程1821.131m，采用放坡支護(hù)開挖，基底應(yīng)全部置于堅(jiān)硬巖體內(nèi)。

2.4 索塔

橋塔主要承受通過主纜傳遞到自身的豎向荷載并將其傳遞至基礎(chǔ)，是支撐主纜的重要構(gòu)件[10]。橋塔設(shè)計(jì)需要綜合考慮地理因素、地質(zhì)條件和工程造價等方面，既要滿足結(jié)構(gòu)受力性能的要求，又需使其施工簡便、造型美觀，達(dá)到設(shè)計(jì)合理、經(jīng)濟(jì)適用的效果[11]。本橋索塔為拱門型框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)材料主要為C30鋼筋混凝土。索塔中部和上部分別設(shè)矩形下橫梁和上橫梁。塔柱由底部到頂部為等截面A型，縱向1.2m，橫向1.5m，塔底中心間距6.0m，塔頂中心間距2.0m，高度26.0m。索塔基礎(chǔ)選擇擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分為兩層，第一層長度11.5m，寬度5.2m，高度2.0m；第二層基礎(chǔ)需置于堅(jiān)硬巖體內(nèi)，索塔第二層基礎(chǔ)長度15.5m，寬度9.2m，高度2.0m，均采用C30混凝土澆注。澆注前需先采用固結(jié)灌漿對基礎(chǔ)底部巖體的裂隙進(jìn)行灌漿止水。

2.5 抗風(fēng)纜

對于建在山區(qū)的人行懸索橋，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)中的主要考量因素。在寬而深的山谷中，人行懸索橋的跨度往往比較大，橋面寬度因僅供人行不宜設(shè)置過大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)寬跨比值較小，橫向穩(wěn)定性差。此外山區(qū)風(fēng)力比較大，風(fēng)荷載的作用對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性也有一定影響，所以設(shè)計(jì)時務(wù)必要采取措施提高抗風(fēng)強(qiáng)度和剛度，降低風(fēng)致變形和避免風(fēng)致失穩(wěn)?？癸L(fēng)纜不僅可以提高橫向穩(wěn)定性，還能增強(qiáng)豎向穩(wěn)定性[12- 13]?？癸L(fēng)主索采用7根48-8×31WS+IWR鋼絲繩，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度1770MPa，公稱直徑144mm?？癸L(fēng)拉索采用66-8×31WS+IWR鋼絲繩，公稱直徑66mm，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度1770MPa。抗風(fēng)索采用立面跨比為1/50。鋼絲繩采用繩夾連接和錨固，繩夾間距為300mm，為了確保安全，每個繩夾應(yīng)擰緊至夾內(nèi)風(fēng)纜鋼絲繩壓扁1/3為止。抗風(fēng)拉索通過鋼筋環(huán)與橋面橫梁連接，鋼筋環(huán)焊接在橫梁上?？癸L(fēng)索與水平夾角為30°。

2.6 加勁梁

橋面板按材料不同主要有木質(zhì)、鋼質(zhì)和鋼筋混凝土等3種形式。木質(zhì)板強(qiáng)度低且易腐爛、耐磨損性差，也不便于維修，現(xiàn)行規(guī)范不允許使用；鋼筋混凝土板力學(xué)性能好，缺點(diǎn)是重量大且破壞后更換困難；鋼質(zhì)板力學(xué)性能優(yōu)良，且施工方便，可以通過優(yōu)化截面減小風(fēng)荷載來改善結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能，使用時需采取適當(dāng)?shù)姆浪冷P措施，延長使用壽命[14]。

加勁梁由橫梁、縱梁、橋面板三部分構(gòu)成，采用焊接拼裝聯(lián)結(jié)?？v梁、風(fēng)構(gòu)均與橫梁焊接；縱梁頂板間焊接方式為連續(xù)焊接；花紋鋼板縱向接頭須在板端倒角，形成V形焊縫，做多次施焊；橋面板采用花紋鋼板，板塊間距1cm，以便與縱梁頂面焊接。橫梁采用I20b工字鋼；縱梁采用I14工字鋼；風(fēng)構(gòu)采用75×8等邊角鋼；橋面板采用厚度為8mm的花紋鋼板。

3 分析模型

3.1 模型建立

利用MIDAS橋梁空間非線性計(jì)算軟件進(jìn)行有限元計(jì)算，有限元模型中主纜、吊索均作為只受拉的索單元(共計(jì)642單元)、加勁梁作為梁單元(共計(jì)2906單元)；塔柱及其橫梁結(jié)構(gòu)用梁單元建立(共計(jì)56單元)；結(jié)構(gòu)邊界約束條件是：主纜錨固點(diǎn)和塔柱結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底部采用固定支座來模擬；加勁梁縱向位移和轉(zhuǎn)動均不單獨(dú)約束，僅在豎向與橫向進(jìn)行約束；橋面板、縱梁、橫梁構(gòu)件之間的非剛性連接節(jié)點(diǎn)通過主從節(jié)點(diǎn)約束來模擬[15]。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 有限元模型示意圖

3.2 設(shè)計(jì)荷載

3.2.1永久作用

(1)結(jié)構(gòu)自重：加勁梁取用3.4kN/m。

(2)二期恒載：涵蓋橋面附屬結(jié)構(gòu)、欄桿等，共計(jì)0.7kN/m，按順橋向均布荷載施加。

3.2.2可變作用

(1)人群荷載：3.5kN/m2，加載方式為全橋加載，不考慮集中荷載。

(2)風(fēng)荷載：根據(jù)JTG/T D60-01-2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》附圖A：全國基本風(fēng)速分布圖，本項(xiàng)目地點(diǎn)對應(yīng)的基本風(fēng)速為34.7m/s。本次計(jì)算設(shè)計(jì)基本風(fēng)速采用32.5m/s。

(3)溫度荷載：按照整體升溫20℃、整體降溫20℃取值。

3.2.3荷載組合

按JTGD60—2015《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》要求對人行橋進(jìn)行荷載組合計(jì)算，荷載組合情況如下：

(1)組合1=1.1恒載+1.4人群荷載。

(2)組合2=1.1恒載+0.825風(fēng)+1.05升溫。

(3)組合3=1.1恒載+0.825風(fēng)+1.05降溫。

(4)組合4=1.1恒載+1.4人群荷載+0.825風(fēng)+1.05升溫。

(5)組合5=1.1恒載+1.4人群荷載+0.825風(fēng)+1.05降溫。

4 計(jì)算分析

對人行懸索橋整體進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，由JTGD64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.1條對橋梁承載能力極限狀態(tài)按下式進(jìn)行驗(yàn)算：γ0Sd≤Rd。對本橋在承載能力極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果如下。

4.1 主纜計(jì)算結(jié)果

圖3為最不利荷載工況活載作用下主纜的軸向拉應(yīng)力圖，主纜的拉應(yīng)力值在634.94～604.89MPa區(qū)間內(nèi)變化，由塔頂主纜最高點(diǎn)到跨中主纜最低點(diǎn)該值逐漸減小，并呈對稱分布的趨勢。主纜的抗拉強(qiáng)度為1670MPa，抗拉強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)為1.85，γ0Sd=1.1×634.94=698.434MPa<1670/1.85=902.703MPa，故主纜強(qiáng)度滿足要求。

圖3 主纜應(yīng)力圖(單位：MPa)

4.2 吊索計(jì)算結(jié)果

圖4為本荷載工況下吊索的軸向內(nèi)力圖，全橋吊索最大拉力為50.50 kN，位于橋塔附近，最小拉力為21.89 kN，位于跨中主纜最低點(diǎn)。全橋吊索受力比較均勻，呈對稱分布，吊索與主纜的鏈接方式采用的是銷接式，鋼絲繩吊索最小破斷力363kN，抗拉強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)為2.2，γ0Sd=1.1×50.50=55.55kN<363/2.2=165kN，吊索的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖4 吊索內(nèi)力圖(單位：kN)

4.3 加勁梁計(jì)算結(jié)果

圖5為本荷載工況下加勁梁的應(yīng)力包絡(luò)圖，加勁梁結(jié)構(gòu)包括橋面鋼板、縱梁、橫梁、風(fēng)構(gòu)。橋面系與索塔處設(shè)有支座，部分橋面系的重量由索塔下橫梁承受。因此，靠近索塔附近的加勁梁應(yīng)力有突變。全橋加勁梁最大拉應(yīng)力為132.57MPa，最大壓應(yīng)力為125.29MPa，小于Q345鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值270MPa，強(qiáng)度滿足要求。

圖5 加勁梁應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

4.4 抗風(fēng)纜及抗風(fēng)拉索計(jì)算結(jié)果

抗風(fēng)纜及抗風(fēng)拉索內(nèi)力如圖6所示?？癸L(fēng)纜最大拉力為4391.1kN，單根最小破斷力為1410kN，抗拉強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)為1.85，γ0Sd=1.1×4391.1=4830.21kN<7×1410/1.85=5335.1kN。故抗風(fēng)纜強(qiáng)度滿足要求。抗風(fēng)拉索最大拉力為61.9kN，最小破斷力為2670KN，抗拉強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)為2.2，γ0Sd=1.1×61.9=68.09kN<2670/2.2=1213.6kN。故抗風(fēng)拉索強(qiáng)度滿足要求。

圖6 抗風(fēng)纜及抗風(fēng)拉索內(nèi)力圖(單位：kN)

4.5 人群荷載與風(fēng)荷載作用下橋梁變形

由圖7可知，在全橋滿布人群荷載作用下，跨中最大撓度值為0.578mm，滿足撓度值在活載作用下小于L/250(1.28m)的條件，符合規(guī)范要求。

圖7 恒載作用下加勁梁豎向位移圖(單位：mm)

由圖8和圖9可知，無抗風(fēng)纜狀態(tài)下，在風(fēng)荷載作用下加勁梁的最大橫向變形為4.664m，不滿足規(guī)范中關(guān)于風(fēng)荷載作用下最大橫向位移不大于L/150(2.133m)的規(guī)定。當(dāng)設(shè)置了抗風(fēng)纜后，在風(fēng)荷載作用下加勁梁的最大橫向變形為1.129m，滿足規(guī)范規(guī)定。

圖8 無抗風(fēng)纜時加勁梁橫向位移圖(單位：m)

圖9 有抗風(fēng)纜時加勁梁橫向位移圖(單位：m)

5 結(jié)論

(1)該橋型跨越能力大，結(jié)構(gòu)簡潔，受力明確，便于施工且造價低，對于在水利工程庫區(qū)淹沒區(qū)修建跨越溝谷的人行橋具有明顯優(yōu)勢和參考價值。

(2)該類型人行橋跨度大，橋面寬度小，橫向剛度相對較弱，通過設(shè)置抗風(fēng)纜可以增加結(jié)構(gòu)的橫向剛度、豎向剛度以及抗扭剛度，并且改善整個結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性，進(jìn)一步加強(qiáng)了安全性。

(3)懸索橋的橫向剛度主要受加勁梁寬度和主跨跨徑比值的影響，設(shè)計(jì)時可采用合理的寬跨比增加結(jié)構(gòu)的橫向剛度，進(jìn)而優(yōu)化抗風(fēng)纜設(shè)計(jì)。

(4)本文僅對該橋的靜力特性進(jìn)行了研究，對于動力學(xué)特性和抗震分析有待進(jìn)一步研究計(jì)算。