獨(dú)塔人行懸索橋升級(jí)改造設(shè)計(jì)

張紅喜, 喬耀星, 劉世明

(1.河南省城鄉(xiāng)建筑設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450000；2.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院；3.華北水利水電大學(xué) 河南省生態(tài)建材工程國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室)

1 工程概況

漢中市獨(dú)塔人行懸索橋位于陜西省漢中市南鄭縣黎坪景區(qū)，橋位處距縣城約60 km。南接四川旺蒼縣鼓城鄉(xiāng)、北鄰勉縣漆樹壩鎮(zhèn)、西與寧強(qiáng)二郎壩鎮(zhèn)接壤，東與黃官鎮(zhèn)、兩河鎮(zhèn)相鄰，所在區(qū)域地勢(shì)變化不大，橋梁錨碇尾端間距69.394 m，總寬2.15 m，凈寬1.8 m。原懸索橋采用3根直徑46 mm柔性鋼絲繩作為受力構(gòu)件，重力式錨碇。主塔采用單排雙柱式結(jié)構(gòu)，從上到下，圓形立柱直徑分別為1、1.2和1.4 m，在立柱變截面處和索鞍處均設(shè)置橫系梁，立柱下布置承臺(tái)與樁基礎(chǔ)。主梁采用型鋼鋼桁架結(jié)構(gòu)形式，橋面為木板結(jié)構(gòu)。由于修建年代久遠(yuǎn)且養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，該橋桁架梁銹蝕明顯，嚴(yán)重影響橋梁景觀效果，如圖1所示。為整體提升橋梁景觀效果，滿足景區(qū)對(duì)景觀的高水平需要，對(duì)現(xiàn)有獨(dú)塔人行懸索橋進(jìn)行升級(jí)改造。

圖1 漢中市獨(dú)塔人行懸索舊橋圖

2 橋梁總體設(shè)計(jì)

在漢中市獨(dú)塔人行懸索橋升級(jí)改造設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)大橋進(jìn)行多次現(xiàn)場(chǎng)勘察和調(diào)研，總結(jié)該橋設(shè)計(jì)主要存在如下技術(shù)重點(diǎn)與難點(diǎn)：① 大幅度提升舊橋景觀效果。橋梁升級(jí)改造設(shè)計(jì)與新建橋梁不同，需要結(jié)合現(xiàn)有橋型和周圍的環(huán)境，合理確定景觀設(shè)計(jì)方案，達(dá)到橋梁景觀與周圍環(huán)境融合的效果；② 原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的利用問題。在現(xiàn)場(chǎng)勘察與工程質(zhì)量檢測(cè)的基礎(chǔ)上，開展充分分析與論證，力求最大限度地利用原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以達(dá)到減少工程總投資的目的；③ 舊橋構(gòu)件拆除問題。在確定可利用的構(gòu)件后，對(duì)原有不利用構(gòu)件拆除過程中，應(yīng)進(jìn)行必要的計(jì)算分析，以確保對(duì)能利用構(gòu)件的不利影響降到最低。

在不降低現(xiàn)有橋梁承載力和凈寬的前提下，綜合考慮景觀效果提升、拆除施工可行性和工程經(jīng)濟(jì)性等，漢中市人行橋升級(jí)改造時(shí)利用現(xiàn)有的主纜、索夾及連接夾、錨碇、主塔和基礎(chǔ)，拆除銹蝕嚴(yán)重的鋼桁架主纜、欄桿、木橋面板、吊桿及下連接件。

為提升橋梁整體景觀效果，主要采用了如下措施和方法：① 采用玻璃橋面代替原木質(zhì)橋面板，提高橋梁的透空性，增強(qiáng)行人的視覺沖擊力及心理刺激體驗(yàn)；② 采用輕型橫、縱梁格結(jié)構(gòu)體系代替銹蝕嚴(yán)重的鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，提高主梁輕盈效果；③ 新增抗風(fēng)主索及拉索構(gòu)件，增強(qiáng)行人安全感；④ 采用透空性強(qiáng)、景觀效果好的鋼管欄桿代替現(xiàn)有欄桿；⑤ 通過對(duì)主纜、橫梁、縱梁、吊桿、抗風(fēng)主索及拉索等構(gòu)件涂裝不同的顏色，提升橋梁色彩的層次感和美學(xué)享受。

漢中市獨(dú)塔人行懸索橋升級(jí)改造后，橋梁全長(zhǎng)54.594 m。因懸索橋的矢跨比對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響較大，通過計(jì)算分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化，確定矢高為8.09 m，矢跨比為1/7.366。橋梁結(jié)構(gòu)總寬度為2.4 m，凈寬為1.8 m，其橋型布置如圖2所示。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，安全等級(jí)為二級(jí)。人群荷載為4 kN/m2，基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2，基本雪壓為0.25 kN/m2，溫度變化范圍為-5～33 ℃，安裝溫度為20 ℃。工程區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，動(dòng)峰值加速度為0.1g，按Ⅷ度抗震設(shè)防。

圖2 漢中市獨(dú)塔人行懸索橋橋型布置圖(單位：cm)

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

3.1 橋面系構(gòu)造設(shè)計(jì)

漢中市獨(dú)塔人行懸索橋改造前橋面系為型鋼鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，如圖3(a)所示。升級(jí)改造后，拆除原吊桿及以下部分構(gòu)件，采用輕型橫梁受力為主的縱橫梁格體系，如圖3(b)所示。橫梁長(zhǎng)2.4 m，截面采用邊長(zhǎng)為200 mm、壁厚為6 mm的方鋼管，縱橋向間距為2 m，兩側(cè)外掛耳板與抗風(fēng)拉索連接?？v梁固定于橫梁上方，長(zhǎng)度有1.8 m和2 m兩種類型，截面采用邊長(zhǎng)為150 mm×100 mm、壁厚為5 mm的矩形鋼管。人行橋面采用3層夾膠鋼化玻璃橋面板，為提高耐久性，在鋼化玻璃間隙間采用玻璃膠密實(shí)，鋼化玻璃厚度為(12+1.14+12+1.14+12)mm，鋼化玻璃下方墊厚15 mm、寬40 mm膠條，并嵌入縱梁梁體。鋼管欄桿立柱布置于橫梁上，立柱采用直徑42 mm、厚3 mm的鋼管制作。

圖3 橋面系布置圖(單位：cm)

3.2 吊桿構(gòu)造設(shè)計(jì)

根據(jù)吊桿受力特點(diǎn)，并綜合考慮材料性能、制造加工、安裝維護(hù)、后期更換等因素，升級(jí)改造后橋梁吊桿采用直徑25 mm組合吊桿，每一吊點(diǎn)設(shè)1 根吊桿，與橫梁采用夾板式連接?？赏ㄟ^上吊桿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)橋面高度。

3.3 抗風(fēng)索構(gòu)造設(shè)計(jì)

為增加輕型梁格主梁體系穩(wěn)定性，在主梁下方兩側(cè)設(shè)置抗風(fēng)主索?？癸L(fēng)主索由2根鍍鋅鋼絲繩組成，通過抗風(fēng)主索索夾鎖緊在一起，在兩端錨固于抗風(fēng)索錨樁?？癸L(fēng)主索公稱直徑為22 mm?？癸L(fēng)索上下端錨頭均采用雞心扣打結(jié)，繩卡禁錮形成環(huán)形扣與U形吊扣連接。

抗風(fēng)拉索將抗風(fēng)主索和橫梁聯(lián)系在一起，以提高橋面系抗風(fēng)能力和結(jié)構(gòu)整體剛度?？癸L(fēng)拉索公稱直徑為12 mm?？癸L(fēng)拉索上下端錨頭均采用雞心扣打結(jié)，繩卡禁錮形成環(huán)形扣與U形吊扣連接。其余采用動(dòng)滑輪與橫梁及抗風(fēng)主索間連接。

抗風(fēng)主索與抗風(fēng)拉索均采用B級(jí)鍍鋅鋼芯鋼絲繩，截面形式均為6×19s+IWR，抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度均為1 670 MPa。

3.4 橋梁施工順序

橋梁主要施工順序包括：對(duì)稱均勻拆除舊橋鋼桁架主梁→拆除舊橋吊桿→轉(zhuǎn)換貓道→調(diào)整主纜→吊裝主梁→安裝玻璃橋面板及欄桿→安裝抗風(fēng)主索→安裝抗風(fēng)主索索夾→安裝抗風(fēng)拉索→索夾螺桿二次緊固→主纜及抗風(fēng)纜防護(hù)→進(jìn)行纜索系統(tǒng)的防護(hù)涂裝→安裝景觀照明及避雷設(shè)施等→拆除貓道。

4 主橋結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算

4.1 舊橋拆除分析

根據(jù)前期橋梁檢測(cè)結(jié)果和運(yùn)營(yíng)情況，采用橋梁專用分析軟件Midas/Civil 2019，構(gòu)建該橋倒拆分析計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果表明：主纜最大豎向變形為92 mm，主纜應(yīng)力極值較小，舊橋拆除施工順序可行，橋梁拆除施工對(duì)結(jié)構(gòu)整體影響小。

4.2 升級(jí)改造后橋梁靜力分析

基于以上倒拆分析計(jì)算模型，計(jì)算升級(jí)改造后梁格體系的主纜、吊桿、風(fēng)纜單元的初應(yīng)力和無應(yīng)力長(zhǎng)度，并對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行恒載下受力驗(yàn)證，完成完整的橋梁計(jì)算分析模型，如圖4所示。全橋共586個(gè)節(jié)點(diǎn)，854個(gè)單元，模型中橋塔、橋墩及系梁、橫梁、縱梁采用梁?jiǎn)卧M，主纜和風(fēng)纜按只受拉桁架單元模擬，玻璃橋面板采用板單元模擬?；炷敛糠挚紤]配筋因素，鋼材考慮焊接及附屬構(gòu)件的影響，計(jì)算模型材料自重考慮5%的附加重量，材料熱膨脹系數(shù)和溫度梯度均按照橋梁通用規(guī)范選用。橋梁約束體系對(duì)結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要，該橋邊界條件共66個(gè)，將錨碇、風(fēng)纜基礎(chǔ)和橋塔基礎(chǔ)視為剛體，主纜在散索鞍處為固結(jié)，縱梁與橫梁采用主從約束模擬，橋面板與主纜采用固結(jié)模擬，橋面端部主梁按只受壓彈簧模擬。采用規(guī)范規(guī)定的荷載組合，開展了承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算和活荷載下的變形驗(yàn)算。

圖4 橋梁靜力計(jì)算分析模型

計(jì)算結(jié)果表明：在承載能力極限狀態(tài)下橋面主纜最大應(yīng)力值為434.2 MPa，對(duì)應(yīng)安全系數(shù)為3.8大于3；風(fēng)纜主索及拉索的最大應(yīng)力值為372.6 MPa，對(duì)應(yīng)安全系數(shù)為4.5大于3，主纜、風(fēng)纜主索及拉索應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。吊桿最大拉應(yīng)力為55.98 MPa，小于Q345鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值270 MPa，對(duì)應(yīng)安全系數(shù)為4.8大于4，吊桿應(yīng)力滿足規(guī)范要求?？v梁、橫梁最大組合應(yīng)力和剪應(yīng)力極值分別為137、15.4 MPa，均小于Q235鋼材組合應(yīng)力和剪應(yīng)力設(shè)計(jì)值190、110 MPa。玻璃橋面板有效應(yīng)力最大值為13.4 MPa，小于鋼化玻璃設(shè)計(jì)值90 MPa。主塔最大拉應(yīng)力為0.39 MPa，混凝土整體應(yīng)力水平較低，不控制設(shè)計(jì)。

JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》和JTG/T D65—2015《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：在人群荷載和風(fēng)荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)容許位移不超過計(jì)算跨徑的1/150。計(jì)算結(jié)果表明：在人群荷載作用下，主梁豎向位移極值為98 mm(計(jì)算跨徑的1/483)；風(fēng)荷載下主梁水平向位移極值為32 mm(計(jì)算跨徑的1/908)，橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度滿足規(guī)范要求。

4.3 升級(jí)改造后橋梁動(dòng)力分析

在靜力分析基礎(chǔ)上，將結(jié)構(gòu)自重轉(zhuǎn)為質(zhì)量，采用蘭索斯(Lanczos)方法，開展升級(jí)改造后人行橋動(dòng)力特性分析，得到前10階動(dòng)力特性參數(shù)如表1所示，對(duì)應(yīng)的前3階振型如圖5所示。

表1 橋梁振動(dòng)特性

由表1和圖5可知：升級(jí)改造后人行橋振型單一，前10階振型不存在耦合。該橋豎向基頻為1.643 Hz，小于CJJ 69—95《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》規(guī)定值3 Hz，建議設(shè)置阻尼器以避免與行人產(chǎn)生共振。

圖5 橋梁振型圖

5 結(jié)語

在漢中市獨(dú)塔人行懸索橋升級(jí)改造設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)性地提出升級(jí)改造設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，利用現(xiàn)有主纜、橋塔和錨碇，通過縱梁、橫梁梁格體系代替鋼桁架主梁、鋼化玻璃代替木板等具體措施大幅提升橋梁整體景觀效果，工程經(jīng)濟(jì)性好。有限元分析表明，橋梁拆除方案切實(shí)可行，升級(jí)改造后橋梁整體剛度良好，結(jié)構(gòu)承載能力滿足規(guī)范要求。