景區(qū)人行索道橋設(shè)計

陶小蘭， 孫軍舉

(招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067)

橋梁景觀是指以橋梁和橋位周邊環(huán)境為景觀主體，在美學(xué)的原則指導(dǎo)下，結(jié)合工程狀況和地域特征，融合藝術(shù)與結(jié)構(gòu)所進行的美的創(chuàng)造，橋梁自身要成為地標(biāo)性建筑，就必須在外觀上與周邊環(huán)境能夠有明顯的區(qū)分，結(jié)構(gòu)也需要有足夠的體量才能表現(xiàn)出自身的標(biāo)志特征，這就要求結(jié)構(gòu)能夠單獨成為區(qū)域環(huán)境的焦點[1]。隨著各地旅游資源的開發(fā)，景區(qū)橋梁景觀越來越被重視，人行休閑橋、觀光橋、玻璃橋等項目層出不窮。該類橋梁的特點是人群集中，安全敏感度、景觀要求高[2]。索橋以其跨度大，造型優(yōu)美，環(huán)境協(xié)調(diào)性好等優(yōu)點，成為大跨度景觀橋梁的優(yōu)先選擇[3-4]。人行索橋按其結(jié)構(gòu)體系主要分為懸索橋和索道橋，懸索橋主索設(shè)于橋面系以上，荷載通過吊桿傳遞給主索；索道橋由穩(wěn)定索、橋面索及橋面板組成懸索受拉體系，橋面系設(shè)置于主索上方，結(jié)構(gòu)造型簡潔。本文以武隆山風(fēng)景區(qū)人行索道橋為例，探討人行索道橋設(shè)計構(gòu)造特點及其受力特性。

1 項目概況

擬建橋梁位于武陵山風(fēng)景區(qū)，景區(qū)內(nèi)山峰、臺地、溝谷等景觀高低錯落，層次豐富，海拔從600 m到1 980 m，谷底至峰巔間的落差約達700 m，山勢奇峻多姿，極具壯觀之美。擬建橋梁連接天門洞景點與東側(cè)斜坡龜兔賽跑景點，橋梁起點側(cè)為天門洞，如圖1所示，洞口穿出即為懸崖，如圖2所示。擬建橋梁要求保護該景點并考慮該處景觀要求。

圖1 天門洞景點(西側(cè))

圖2 地形地貌(東側(cè))

擬建橋梁所處場區(qū)屬巖溶峰林槽谷段，基巖為灰?guī)r、白云巖及局部夾角礫巖，巖體破碎，孤峰突兀，巖溶發(fā)育有漏斗、溶洞及可能暗河分布，地表水漏失嚴(yán)重，巖溶塌陷范圍較大，兩側(cè)溝岸地形陡峭，坡度角均在60°～80°之間，山坳內(nèi)及山腳溝內(nèi)多崩落形成的巨塊石及山間河流洪積漂塊石，兩側(cè)岸坡均有坍塌崩積物及危巖分布，場區(qū)相對高差約450 m。

西側(cè)橋臺灰?guī)r均三面臨空，該處巖體的約束性差，邊坡巖體發(fā)育有溶穴及小溶洞，圍巖級別為Ⅳ級。邊坡巖體巖層傾角82°，層理發(fā)育，單層厚度較小，加上長期風(fēng)化剝蝕，巖體易沿層理向臨空面卸荷出現(xiàn)彎曲，出現(xiàn)傾倒破壞或形成楔形體坍塌墜落。高、陡、薄的單層巖體聳入空中形成孤峰，因而西側(cè)橋臺地基穩(wěn)定性較差。東側(cè)橋臺灰?guī)r為兩面臨空的巖質(zhì)邊坡，邊坡巖體較完整，巖體內(nèi)有溶穴分布，經(jīng)調(diào)查無規(guī)模較大的災(zāi)害巖溶，巖質(zhì)堅硬，邊坡直立時局部可能形成楔形體坍塌墜塊，易治理，地基穩(wěn)定性較好。

2 橋型選擇

在橋梁總體設(shè)計中，綜合考慮各方面因素，貫徹“重視功能，經(jīng)濟合理，安全耐久，技術(shù)可行，美觀和諧，以人為本，施工便利，環(huán)保節(jié)能”的思路。

1) 跨徑布置方面。西側(cè)起點側(cè)有重要景點，不允許破壞巖壁，該處崖壁陡立，巖壁基礎(chǔ)穩(wěn)定性較差，不宜設(shè)置橋墩等結(jié)構(gòu)；溝谷處要避開谷底位置；東側(cè)終點側(cè)靠近懸崖。跨徑選擇受限制頗多，跨徑選擇時應(yīng)綜合比選。

2) 與周圍環(huán)境、地域特性協(xié)調(diào)方面。橋梁位于景區(qū)內(nèi)，景區(qū)以峭壁、奇峰和地縫奇觀聞名，景觀要求較高，應(yīng)與景區(qū)整體自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，橋梁設(shè)計主題應(yīng)以舒適和自然為主。

3) 橋梁施工方面。地勢險要，建筑材料需要人工搬運，大型機械設(shè)備無法使用，橋梁施工受限，設(shè)計時應(yīng)注意協(xié)調(diào)橋梁施工的可行性。

綜合橋型方案特點和現(xiàn)場實際情況，提出懸索橋、拱橋和索橋方案，如圖3所示。獨塔懸索橋方案剛毅的門型桁架與柔美的懸鏈線纜索相結(jié)合，使橋型充滿動感，景觀效果顯著，但將門型桁架塔設(shè)置于橋跨跨中，可解決西側(cè)地基基礎(chǔ)差不適合設(shè)置橋塔的問題，但溝谷建塔導(dǎo)致現(xiàn)場施工材料運輸問題不能得到很好的解決。拱橋方案適于跨越溝谷地帶，拱肋和立柱均采用鋼管桁架拱方式，能部分解決現(xiàn)場施工運輸不便問題，但是該方案造價高。2跨索道橋方案跨中設(shè)置立柱能減少索道橋跨徑，增加橋梁剛度，但中間橋墩施工運輸困難問題依然存在，且景觀效果不如單跨索道橋方案好。綜合橋型方案結(jié)構(gòu)性能，建筑景觀，施工便利性和結(jié)構(gòu)造價等多方面影響，最終選擇單跨索道橋方案。

(a) 懸索橋

(b) 拱橋

(c) 2跨索道橋

(d) 單跨索道橋

3 總體布置

現(xiàn)代索道橋的特點是能充分發(fā)揮高強度鋼索受拉強度大的優(yōu)點，不需要修筑特別高的橋塔也可架設(shè)跨徑較大的橋梁，利于快速施工，橋面系結(jié)構(gòu)簡單，材料消耗量較少，橋梁的架設(shè)及后期養(yǎng)護方便[5-6]。

橋梁采用單跨索道橋，橋面跨度140.0 m，主索索鞍間距為156.0 m，矢高8.5 m，矢跨比為1/18.35。橋面人行道凈寬2.5 m，主索中心間距2.65 m。錨碇采用錨碇結(jié)合樁基礎(chǔ)方式。橋面系兩側(cè)對稱設(shè)置傾斜反吊抗風(fēng)索網(wǎng)，索網(wǎng)平面與水平面傾角為45°，抗風(fēng)主索跨徑為122 m，矢高4.0 m，矢跨比為1/30.5。橋型布置如圖4所示。

(a) 立面

(b) 平面

4 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 橋面系

橋面系采用縱橫梁形成的框架體系支撐預(yù)制5 cm硬木橋面板結(jié)構(gòu)，人行道凈寬2.5 m。其橫斷面設(shè)計如圖5所示。橫梁體系采用雙拼[16a槽鋼，間距為2.50 m，與縱梁焊接連接?？v梁體系由[16a槽鋼及硬木條組成，[16a槽鋼橫向共布置8根，間隔30 cm布置，沿縱橋向每2根橫梁間距約5.0 m處斷開10 mm，采用螺栓連接。主索通過U形螺栓與橫梁處欄桿鋼板進行連接，主索鋼絲繩兼作欄桿用，欄桿鋼板通過直徑30 mm吊桿圓鋼與橫梁綴板進行連接。主跨兩端橋面板端頭與橋臺的支承采用及U型槽鉸支座，在橋梁端部設(shè)置簡易伸縮縫[7]。

4.2 主索、索鞍及基礎(chǔ)

主索理論錨固點間距為156 m，橫橋向采用雙索面對稱布置，左右主索中心距2.65 m。主索布置一般采用兩側(cè)布置主索和橋面板底部橫向布置主索方式。經(jīng)過比較分析，兩側(cè)主索橋梁安全性和舒適性更好，且主索兩側(cè)布置可兼顧護欄作用[8-9]。主索截面由3根直徑32 mm的6×19W+IWR型鍍鋅鋼絲繩圓截面組成，公稱抗拉強度1 670 MPa，全橋共12束，每側(cè)豎向高度分為6束布置，沿高度方向間距為0.25 m。

單位：cm

主索在兩岸錨跨經(jīng)過索鞍滑輪組散開后，各索股端頭安裝熱鑄錨具，再通過連接拉桿、連接鋼塊和錨固拉桿傳力到重力式錨碇。由于天門洞口寬度及西側(cè)地質(zhì)條件的限制，西側(cè)索鞍與錨碇分開布置，采用獨立基礎(chǔ)，索鞍滑輪組支墩尺寸為長2.3 m，高6.0 m，寬3.25 m，支墩下設(shè)置1.3 m×1.3 m方樁一根，東側(cè)索鞍滑輪組直接設(shè)置于錨碇位置，索鞍滑輪組構(gòu)造如圖6所示，滑輪采用3個槽，主索3根鋼絲繩通過滑輪槽向錨碇方向擴散。

4.3 抗風(fēng)索網(wǎng)

抗風(fēng)索網(wǎng)在橋面系左右兩側(cè)斜向下方對稱布置，其所在平面與水平面的夾角為45°?？癸L(fēng)主索在索網(wǎng)平面內(nèi)按拋物線布置，矢跨比為1/30.5，在起點側(cè)采用嵌巖深度不小于10 m的錨桿與基巖錨固，終點側(cè)一側(cè)設(shè)置混凝土錨桿基礎(chǔ)錨固，另一側(cè)錨固于巖壁?？癸L(fēng)主索采用直徑36 mm的6×19W+IWR型鍍鋅鋼絲繩，它與錨固錨桿的接頭連接形式同于承重主索散索后與錨碇內(nèi)預(yù)埋錨固拉桿的連接形式，全橋共2根[10]。

抗風(fēng)拉索采用直徑10 mm的 6×7+FC型鍍鋅鋼絲繩，全橋抗風(fēng)拉索共采用4根鋼絲繩。每根抗風(fēng)拉索鋼絲繩在鄰近橋臺的一端均采用2-1/2×24美式OU型花蘭螺絲與橋面系鋼橫梁的扣點相連，在與橋跨中點橫梁扣點相連的一端采用鋼絲繩夾將其尾段與其自身固定。采用鋼絲繩夾將鋼鏈環(huán)緊固到抗風(fēng)拉索上，再將抗風(fēng)拉索穿過鋼鏈環(huán)與抗風(fēng)主索滑動連接[11]。

單位：cm

4.4 錨碇

兩側(cè)錨碇均采用重力式錨碇，其長12.5 m，寬7.0 m，高9.0 m，采用人工挖孔方樁基礎(chǔ)。為提高錨碇的抗滑移和抗傾覆能力，基礎(chǔ)采用方樁基礎(chǔ)，邊長為1.3 m×1.3 m，共6根，縱橋向布置3排樁基，間距為5.1 m，橫橋向布置2根方樁，間距為4.2 m。錨碇內(nèi)設(shè)置40Cr鋼棒作為錨固拉桿。主索錨固系統(tǒng)由錨固連接器、錨固拉桿、連接拉桿及相應(yīng)的錨固構(gòu)造共同組成。拉桿上端與主索索股錨頭相連接，另一端與前錨面的連接器相連接。

開挖基坑周圍邊坡順地勢設(shè)置截水溝，防止施工期間地表水匯入基坑。截水溝溝底縱向坡度不小于0.5%?；拥姿闹茉O(shè)置匯水溝和集水井并及時做好錨碇排水及防護工作，避免巖表風(fēng)化，保證基底巖石整體性不被破壞。

4.5 施工方法

本橋為人行索道橋，借助施工主纜時的貓道、牽引設(shè)備等進行拼裝，其施工也屬于常規(guī)的施工方法，施工工藝成熟且易操作。具體施工過程如下：

1) 先施工橋臺、錨碇并架設(shè)主纜。

2) 橋面系各構(gòu)件先行預(yù)制或工廠加工完成，并做好防腐涂裝，利用牽引系統(tǒng)從一側(cè)向另一側(cè)逐片安裝橫梁、吊桿及人行道欄桿鋼板，將主纜與橫梁進行連接，橫梁安裝完成后，推進安裝縱梁。根據(jù)吊桿設(shè)計參數(shù)，通過橫梁下方吊桿支撐限位螺母調(diào)整橋面線形。在橋面系施工過程中，主纜的變形較大，在橋面系施工及鋪裝的過程中，應(yīng)先臨時固定橋面系結(jié)構(gòu)，待主纜線形及橋面系標(biāo)高調(diào)整好后再焊接固定。

3) 施工人行道鋪裝，對主纜鋼絲繩補噴鍍鋅修補漆，完成主纜防護。

4) 安裝抗風(fēng)索網(wǎng)，再次測量主纜及橋面線形，進行主纜的補張與錨固以及吊桿螺栓的調(diào)整。

5 結(jié)構(gòu)計算分析

索道橋以柔索作為重要的承重構(gòu)件，在自重和外荷載作用下會產(chǎn)生較大的幾何變形，幾何非線性效應(yīng)明顯，行人過橋時易產(chǎn)生振動，影響橋梁正常使用。為此，根據(jù)索道橋的構(gòu)造特點，除對橋梁主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行力學(xué)性能計算外，還應(yīng)對其進行結(jié)構(gòu)舒適度分析。

5.1 計算模型

由于索道橋為非線性體系，整個橋梁的主要受力結(jié)構(gòu)由拉索、錨碇和橫梁組成。為了能夠真實地反映橋梁結(jié)構(gòu)的空間受力狀態(tài)，采用Midas Civil軟件建立橋梁空間模型[12]，并對該橋進行數(shù)值建模及分析。其中主索、抗風(fēng)主索及抗風(fēng)拉索采用索單元，吊桿及橋面系橫梁縱梁采用梁單元，主索滑輪采用順橋滑動支座模擬，木板只考慮自重不考慮剛度。索道橋的計算模型如圖7所示。邊界條件約束主索和抗風(fēng)主索端部所有位移，主索滑輪支點約束豎向和橫橋向位移。

圖7 空間計算模型

模型建成后，橋面木條及木板采用單元荷載加載，欄桿鋼板與木板采用節(jié)點荷載加載，人群荷載采用車道加載，風(fēng)荷載采用單元荷載加載，整體升降溫采用系統(tǒng)溫度加載。本橋具體模擬步驟如下：先試算得出主索的成橋矢度；后使用施工階段模塊分析，對索單元的初拉力進行多次試算調(diào)整，得到主索的成橋線形。

5.2 結(jié)構(gòu)計算分析

索道橋由柔性索作為重要的承重構(gòu)件，隨著橋梁跨度的增大及承重能力的提升，在恒載和活載作用下，懸索柔性結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大的位移變形，不滿足微小位移假定，幾何非線性問題明顯。本橋跨徑較大，結(jié)構(gòu)計算時采用非線性分析方法對懸索的索長、變形和索力等進行精確計算[12]。主要計算結(jié)果如下：

1) 主索及抗風(fēng)索內(nèi)力。主索及抗風(fēng)索在荷載組合作用下最大索力分別為594.4 kN和230.7 kN，而單束直徑32 mm的主索鋼絲繩破斷力為1 827 kN，單根直徑36 m的抗風(fēng)主索鋼絲繩破斷力為714 kN，滿足主要組合下安全系數(shù)不得小于2.5的規(guī)定。

2) 縱橫梁及吊桿應(yīng)力?？v梁、橫梁最大應(yīng)力分別為126.9 MPa和124.0 MPa，滿足荷載組合下小于容許應(yīng)力202.9 MPa的規(guī)定，吊桿最大應(yīng)力為87.4 MPa，滿足荷載組合下小于容許應(yīng)力197.1 MPa的規(guī)定。

5.3 結(jié)構(gòu)舒適度分析

由于索道橋承重索的應(yīng)力非常大、相對橫斷面又很小、單位長度的質(zhì)量非常小，且橋梁彎曲剛度小，總體上表現(xiàn)出較強的柔性[13-14]，因此，索道橋?qū)φ駝泳哂泻芨叩拿舾行浴１緲蚴缚绫容^大，而大的矢跨比對索道橋的自振頻率，尤其是對扭轉(zhuǎn)振動頻率影響較大，在行人過橋時易產(chǎn)生振動，影響橋梁的正常使用，因此，在設(shè)計階段進行結(jié)構(gòu)舒適度分析十分必要。

根據(jù)該人行橋參數(shù)，考慮人群荷載后，本橋行人步行振動頻率范圍內(nèi)的橋梁振動豎向有3個模態(tài)，橫向有2個模態(tài)。豎向振型振動頻率分別為1.562 Hz、1.824 Hz和2.067 Hz，橫向振型振動頻率分別為0.665 Hz和0.929 Hz。參照德國人行橋設(shè)計指南進行豎向和橫向舒適度評價，其豎向和橫向計算加速度不能滿足舒適度要求，考慮安裝TMD阻尼器。經(jīng)計算分析，安裝TMD阻尼器后，其豎向和橫向計算加速度分別為0.98 m/s2和0.13 m/s2，均小于控制目標(biāo)，滿足舒適度要求[15]。

6 結(jié)束語

1) 綜合考慮了周邊環(huán)境、使用功能、施工技術(shù)及社會經(jīng)濟效益等多方面后，確定采用索道橋形式，該橋線形優(yōu)美，造型簡單，且與周邊環(huán)境相呼應(yīng)，具有較好的景觀效果。

2) 通過設(shè)計構(gòu)造及計算分析，結(jié)構(gòu)上采用雙側(cè)均勻布置主索的方式可改善結(jié)構(gòu)受力體系。

3) 通過結(jié)構(gòu)舒適度分析，安裝TMD阻尼器可降低人行橋豎向和橫向加速度，滿足相關(guān)舒適度要求，從而有效解決人橋耦合振動問題。