斜拉索輔助人行懸索橋總體設(shè)計(jì)

喬耀星， 張紅喜， 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， 河南 鄭州 450045；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， 河南 鄭州 450045)

1 工程概況

寧德市人行懸索橋位于福建省寧德市壽寧縣大安鄉(xiāng)銀山花田景區(qū)，起于炭山村，跨越犀溪，接南岸溪乾村東側(cè)山頭，橋梁兩端錨碇間距為337.54 m。整個(gè)場(chǎng)地地形起伏較大，南北兩岸均為山地、森林，植被茂盛，地勢(shì)較高，中間穿越犀溪，地勢(shì)較底，場(chǎng)地起伏標(biāo)高為709.0～817.5 m。

橋梁總寬度3.3 m，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命100年，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)。人群荷載為3 kN/m2，基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2，溫度變化范圍為-5.7～35.8 ℃。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期0.05 s，對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度，按Ⅶ度抗震設(shè)防。

橋址沿線主要為山地、森林、河道等，兩岸為低山地貌，中間河道位置為沖洪積地貌。區(qū)內(nèi)地形切割強(qiáng)烈，溝谷發(fā)育。地形坡度多為20°～50°，局部形成的陡坎可達(dá)70°。場(chǎng)地未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造及新構(gòu)造活動(dòng)跡象，屬于相對(duì)穩(wěn)定地塊的較穩(wěn)定區(qū)域。巖石類型為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、中-微風(fēng)化凝灰?guī)r等。初見地下水埋深1.8～2.1 m，穩(wěn)定地下水位深2.4～3.5 m，主要表現(xiàn)為上層滯水和風(fēng)化巖中的孔隙裂隙水及下部基巖構(gòu)造裂隙水，地下水水位年變化幅度一般為3.0 m左右。地下水質(zhì)良好，無侵蝕性，場(chǎng)地環(huán)境類型屬Ⅱ類。

綜合考慮施工方便和工程經(jīng)濟(jì)性，并適當(dāng)突出人行橋梁的景觀效果，寧德市人行橋采用橋面主纜支承的地錨式懸索橋[1-3]，計(jì)算跨徑311.5 m，矢高12 m，矢跨比為0.038 5，并輔以斜拉索受力[4-6]，斜拉索主塔縱橋向間距為191 m，橋梁結(jié)構(gòu)總寬度為3.3 m，橋型布置如圖1所示。

圖1 寧德市人行懸索橋橋型圖(單位：cm)

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)

2.1 橋面系構(gòu)造

橋面系主要受力構(gòu)件包括21根主纜和縱橫梁，其中主纜為直徑64 mm的鋼纖維芯B級(jí)鍍鋅鋼絲繩[7-8]，斷面構(gòu)造形式為6×37S+IWR，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1 770 MPa，8根布置于橫梁下方，9根布置于橫梁上方，橫向間距分為150、160、180和200 mm，其余4根對(duì)稱布置于兩側(cè)欄桿位置處，豎向間距為840 mm，橫向間距為2 000 mm。縱梁布置于橫梁端部，用于承擔(dān)斜拉索產(chǎn)生的順橋向水平力，采用窄翼緣HN型鋼，型號(hào)為400 mm×150 mm×8 mm×13 mm，單根長(zhǎng)1 942 mm，橫橋向間距為3 310 mm。橫梁型號(hào)同縱梁，單根長(zhǎng)3 500 mm，縱橋向間距為1 500 mm，兩側(cè)外掛耳板與抗風(fēng)拉索連接，上部耳板與斜拉索相連，橋面系布置如圖2所示。橋面采用厚60 mm、寬150 mm的防腐木，通過沉頭螺栓固定于橫梁頂面主纜鋼絲繩上，并外刷木油3遍以增強(qiáng)其耐久性。欄桿立柱布置于橫梁上，寬50 mm、厚4 mm的拉絲面不銹鋼板制作中間采用直徑18 mm圓鋼拉力筋定位，內(nèi)側(cè)通過直徑為8 mm的外包PVC層鋼絲繩卡箍固定，豎向間距為120 mm。

圖2 橋面系布置圖(單位：mm)

2.2 斜拉索與抗風(fēng)索設(shè)計(jì)

為突出橋面主纜受力，斜拉索采用彈性模量遠(yuǎn)小于主纜材料的聚丙烯芯鋼絲繩，縱橋向間距為3 m，其彈性模量不大于7.3×104MPa，直徑為12 mm，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為1 960 MPa，設(shè)計(jì)初張拉力值不超過5 kN，斜拉索及抗風(fēng)索錨固構(gòu)造見圖3。為突出橋梁的景觀效果，斜拉索外包直徑60 mm的PE彩色護(hù)套。

圖3 斜拉索及抗風(fēng)索錨固構(gòu)造圖(單位：mm)

因該橋跨徑較大且橋面較窄，為增加主梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在主梁下方兩側(cè)設(shè)置抗風(fēng)索。抗風(fēng)主索采用6根公稱直徑為50 mm的鍍鋅鋼芯鋼絲繩。抗風(fēng)主索上、下端均采用錨頭錨固，并通過抗風(fēng)錨固樁與基礎(chǔ)相連。 抗風(fēng)拉索將抗風(fēng)主索和主梁聯(lián)系在一起，不僅提高主梁抗風(fēng)能力，同時(shí)也增加了結(jié)構(gòu)的剛度?？癸L(fēng)拉索采用公稱直徑為22 mm的鍍鋅鋼芯鋼絲繩?？癸L(fēng)拉索上、下端錨頭均采用雞心扣打結(jié)，鋁套禁錮形成環(huán)形扣與U形吊扣連接?？癸L(fēng)主索及拉索的截面構(gòu)成形式和公稱抗拉強(qiáng)度與橋面主纜保持一致。

2.3 錨碇設(shè)計(jì)

地錨式懸索橋的錨碇是結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵構(gòu)件，對(duì)結(jié)構(gòu)安全和工程造價(jià)影響較大[9-11]。錨碇的長(zhǎng)度和寬度均為13 m，厚度為9 m，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)。為減少溫度應(yīng)力的影響，防止出現(xiàn)溫度裂縫，錨碇采用分層澆筑，并在每層混凝土中設(shè)置冷卻水管，澆筑混凝土過程中通水冷卻。同時(shí)，錨碇混凝土采用低水化熱水泥，充分考慮摻入粉煤灰后混凝土的后期活性。另外，錨碇各部分的永久外露表面鋼筋保護(hù)層內(nèi)均設(shè)一層直徑6 mm、間距為100 mm×100 mm的帶肋鋼筋焊網(wǎng)片，以提高混凝土的表面抗裂性能。

2.4 索塔設(shè)計(jì)

索塔塔身采用鋼結(jié)構(gòu)，索塔鋼結(jié)構(gòu)總高度為21.55 m，縱橋向?qū)挾葹? m。為突出景觀效果，橫截面整體造型采用外圓內(nèi)方形式，截面為箱形，橋面從方形空心穿過[12-13]，如圖4所示。塔座和承臺(tái)厚度均為4 m，單個(gè)橋塔采用6根嵌巖樁基礎(chǔ)。

圖4 橋塔橫斷面圖(單位：cm)

2.5 附屬設(shè)施設(shè)計(jì)

索塔塔身采用避雷針做接閃器，塔內(nèi)做引下線，塔身基礎(chǔ)內(nèi)主筋做接地極，避雷針與塔頂引線鋼筋采用焊接，塔身主筋與承臺(tái)及樁基內(nèi)主筋可靠焊接，形成可靠電器通路。要求接地電阻值不大于10 Ω，實(shí)測(cè)不滿足時(shí)應(yīng)增補(bǔ)人工接地極。

2.6 橋梁施工順序

橋梁主要施工順序是先施工錨錠、橋塔基礎(chǔ)及橋塔，然后施工橋面系主纜、縱橫梁，再施工抗風(fēng)索，最后施工斜拉索。關(guān)鍵工序施工流程見圖5。

圖5 關(guān)鍵工序施工流程圖

3 主橋結(jié)構(gòu)安全分析

考慮橋梁施工順序，采用橋梁專用分析軟件Midas/Civil 2019的懸索橋建模助手，構(gòu)建橋梁計(jì)算分析模型，并根據(jù)橋塔、斜拉索、風(fēng)纜、縱橫梁等布置情況，進(jìn)行了索力的調(diào)整與優(yōu)化分析，形成完整的橋梁計(jì)算分析模型，如圖6所示。全橋共9 837個(gè)節(jié)點(diǎn)，11 158個(gè)單元，計(jì)算模型中橋塔、縱、橫梁采用梁?jiǎn)卧M，主纜、風(fēng)纜和斜拉索按只受拉桁架單元模擬。鋼材自重考慮5%的焊接及附屬構(gòu)件重量，熱膨脹系數(shù)和溫度梯度均按照文獻(xiàn)[14]選用。邊界條件共3 676個(gè)，將錨碇和橋塔基礎(chǔ)視為剛體，主纜在散索鞍處為固結(jié)，主纜在塔頂主索鞍中心處與主索鞍按永不脫離考慮，實(shí)際計(jì)算中按同位移進(jìn)行考慮，縱梁與橫梁固結(jié)，橫梁與主纜采用彈性連接模擬。對(duì)主要受力構(gòu)件開展承載能力極限狀態(tài)下的應(yīng)力驗(yàn)算和人群及風(fēng)荷載作用下變形驗(yàn)算。

圖6 整橋Midas/Civil計(jì)算模型

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550.8 MPa，對(duì)應(yīng)安全系數(shù)為3.2，大于3；風(fēng)纜主索及拉索的最大應(yīng)力值為404.6 MPa，對(duì)應(yīng)安全系數(shù)為4.1，大于3；斜拉索最大應(yīng)力值為658.8 MPa，對(duì)應(yīng)安全系數(shù)為2.98，大于2.5；主纜、風(fēng)纜主索及拉索、斜拉索應(yīng)力均滿足規(guī)范要求?？v橫梁最大組合應(yīng)力和剪應(yīng)力極值分別為261.1和22.7 MPa，均小于Q345鋼材對(duì)應(yīng)的組合應(yīng)力和剪應(yīng)力設(shè)計(jì)值275 MPa和160 MPa，橫梁應(yīng)力滿足規(guī)范要求。主塔組合應(yīng)力極值為72.6 MPa，整體應(yīng)力水平較低，不控制設(shè)計(jì)。在半跨人群荷載作用下，主纜最大豎向位移為645 mm，位于1/4跨徑附近，為對(duì)應(yīng)計(jì)算跨徑的1/483，小于JTG D64—2005《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]容許值l/150(l為計(jì)算跨徑)；靜風(fēng)荷載下最大橫向位移為847 mm，為對(duì)應(yīng)計(jì)算跨徑的1/368，小于JTG/T D65-05—2015《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]容許值l/150，橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

寧德市人行懸索橋采用斜拉索輔助橋面主纜受力結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)整體受力與構(gòu)造復(fù)雜。在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮結(jié)構(gòu)安全、施工方便和工程經(jīng)濟(jì)性，并兼顧橋梁景觀與造型。該項(xiàng)目已于2019年5月完成施工圖設(shè)計(jì)，后續(xù)橋梁施工有序進(jìn)行。