某人行懸索橋總體設(shè)計(jì)及受力分析

廖宸鋒 馬耀宗 馮彩霞

【摘要：】文章以某大跨度人行懸索橋?yàn)槔榻B其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并通過(guò)靜力計(jì)算及穩(wěn)定性計(jì)算，分析了該類橋型的受力特點(diǎn)，可為同類型橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞：】人行懸索橋;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);受力分析

U448.25A290923

0 引言

人行懸索橋由于造型優(yōu)美，跨越能力強(qiáng)，常應(yīng)用在旅游景區(qū)及山區(qū)等交通不便的地方以跨越山谷或河流。人行懸索橋?qū)捒绫刃?，主要受力活載為人群[1]，與常規(guī)懸索橋有較大區(qū)別，且相關(guān)規(guī)范針對(duì)人行懸索橋的條款也較少，因此對(duì)該類橋型的設(shè)計(jì)及受力進(jìn)行總結(jié)分析具有重要意義。

本文以某大跨人行懸索橋?yàn)槔?，介紹其設(shè)計(jì)及受力分析要點(diǎn)，以期為同類橋型的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

某人行懸索橋位于水電站上游，橋位區(qū)屬河谷地貌，地形起伏不大，地面高程在545～565 m，相對(duì)高差20 m，如圖1所示。大橋?yàn)檫B接兩岸新農(nóng)村的交通要道，且為當(dāng)?shù)鼐皡^(qū)規(guī)劃中的重要橋梁。橋梁采用單跨112 m的柔性懸索橋，并結(jié)合景區(qū)規(guī)劃在0#錨錠上設(shè)置行人棲息亭榭。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）跨徑組合：（36+112+14.5） m。

（2）橋面寬：總寬2.15 m，凈寬2.0 m。

（3）設(shè)計(jì)荷載：人群荷載按3.5 kN/m2取值。

（4）垂跨比：設(shè)計(jì)成橋恒載狀態(tài)下，主跨主纜垂度為7.5 m，即垂跨比f(wàn)/L=1/14.93。

3 總體設(shè)計(jì)

本橋結(jié)構(gòu)體系為單跨雙鉸懸索橋，橋梁跨徑組合為（36+112+14.5） m，橋?qū)?.15 m（凈寬2.0 m）。主纜設(shè)兩根，中心距為2.4 m，吊桿間距為2 m。為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，另布設(shè)了4根輔助纜。橋面系采用梁格體系，橋面板采用木板。橋塔為鋼筋混凝土門式框架結(jié)構(gòu)，其與輔助纜基礎(chǔ)均為嵌巖鉆孔樁基礎(chǔ)。主纜錨碇為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，錨碇基礎(chǔ)采用挖孔樁。主纜錨固于錨碇上，輔助纜分別錨固于鋼橫梁以及輔助纜錨碇上。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 主纜設(shè)計(jì)

主纜由22股j15.24 mm鋼絞線組成，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，主纜索體最小破斷拉力為5 729 kN。主纜線形為分段懸鏈線，無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度為165.248 m，通過(guò)張拉端錨具錨固于錨碇上。

4.2 輔助纜設(shè)計(jì)

輔助纜受力較復(fù)雜，不僅受力及變形大，還可能受扭轉(zhuǎn)作用，因此采用扭絞型鋼絲拉索，由19根5 mm高強(qiáng)鋼絲組成，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 670 MPa。輔助纜施加預(yù)拉力，并通過(guò)熱鑄錨將索體兩端分別錨固于橋面系鋼橫梁以及輔助纜錨碇。

4.3 索鞍設(shè)計(jì)

索鞍主體采用ZG270-500鑄鋼，縱橫加勁肋為Q235c鋼板，通過(guò)塔頂預(yù)埋件固定于橋塔上。為滿足成橋后主纜在索鞍鞍槽內(nèi)的抗滑穩(wěn)定性，需通過(guò)索鞍頂部蓋板對(duì)主纜施加預(yù)壓力。為使索塔保持良好的受力狀態(tài)，索鞍在施工時(shí)設(shè)置偏向主纜錨點(diǎn)的預(yù)偏量。

4.4 索夾設(shè)計(jì)

采用銷接式索夾。索夾主體材料采用ZG270-500鑄鋼。

4.5 吊桿設(shè)計(jì)

吊桿采用20 mm的HPB300光圓鋼筋，通過(guò)上下吊點(diǎn)螺母鉸接于索夾和橋面系鋼橫梁。吊桿縱橋向間距為2 m，橫橋向間距為2.4 m。吊桿兩端設(shè)置螺紋，便于吊桿螺母的定位。

某人行懸索橋總體設(shè)計(jì)及受力分析/廖宸鋒，馬耀宗，馮彩霞

4.6 橋面系設(shè)計(jì)

橋面系采用梁格體系，整體性強(qiáng)，可避免斷吊桿工況下結(jié)構(gòu)的垮塌。橋面系由槽鋼制作的橫梁與H型鋼制作的縱梁采用先栓后焊進(jìn)行連接。橋面板為30 mm厚Ⅱa級(jí)木板，采用錨栓與橋面縱梁連接。

4.7 橋塔設(shè)計(jì)

索塔采用鋼筋混凝土門式框架結(jié)構(gòu)，施工便捷，后期養(yǎng)護(hù)成本低。索塔總高11.3 m，采用五邊形截面，塔頂截面尺寸為1.2 m×0.6 m，塔底截面尺寸為1.2 m×0.9 m，采用實(shí)心斷面。索塔頂部設(shè)上橫梁一道，高1 m。

4.8 錨碇設(shè)計(jì)

主纜及輔助纜錨碇均通過(guò)樁基礎(chǔ)嵌固于中風(fēng)化基巖。

5 結(jié)構(gòu)靜力分析

5.1 有限元模型

采用Midas Civil軟件建立三維空間有限元模型，主纜、輔助纜采用索單元模擬，吊桿采用只受拉桁架單元模擬，橋面系鋼縱、橫梁以及橋塔和樁基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧?，全橋? 198個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 244個(gè)單元（見圖2）。

5.2 荷載工況

計(jì)算中，考慮以下四種工況[2]：

（1）恒載+整體溫降+滿人荷載+十年橫風(fēng)。

（2）恒載+百年橫風(fēng)。

（3）恒載+整體溫降+滿人荷載+十年縱風(fēng)。

（4）恒載+百年縱風(fēng)。

5.3 靜力分析計(jì)算結(jié)果

各工況計(jì)算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：

（1）在工況一作用下，全橋豎向位移及主纜內(nèi)力最大，分別為0.42 m和1 367.2 kN。

（2）在工況二作用下，即百年橫風(fēng)作用下，加勁梁應(yīng)力最大，為171.82 MPa。

（3）主纜、吊桿在最不利荷載作用下的索力安全系數(shù)均>3.5，滿足要求，其中工況一對(duì)其影響最大。

（4）在百年橫風(fēng)工況下，結(jié)構(gòu)橫向位移最大，達(dá)到0.645 7 m。

綜合計(jì)算結(jié)果，橋梁整體受力的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。對(duì)于寬跨比較小的柔性人行懸索橋而言，橫風(fēng)作用控制其設(shè)計(jì)，計(jì)算時(shí)應(yīng)特別注意驗(yàn)算其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

5.4 輔助纜對(duì)于全橋結(jié)構(gòu)位移約束的影響分析

由前述計(jì)算可知，對(duì)柔性懸索橋設(shè)計(jì)起關(guān)鍵控制作用的是“百年橫風(fēng)工況”。設(shè)計(jì)中對(duì)本橋采用了不設(shè)輔助纜和設(shè)輔助纜兩種情況的對(duì)比分析。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，不設(shè)輔助纜時(shí)，全橋在百年橫風(fēng)作用下橫向位移約為0.65 m（見下頁(yè)圖3）;設(shè)輔助纜時(shí)，全橋在百年橫風(fēng)作用下橫向位移顯著減小，只有0.2 m（見下頁(yè)圖4），減少約69%。綜合考慮結(jié)構(gòu)耐久性、行人行走的舒適性等，設(shè)計(jì)中增設(shè)了4根輔助纜。

6 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

人行懸索橋柔度大，尤其是跨徑越大，其穩(wěn)定性問(wèn)題越突出[3]。文中采用四種工況對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

（1）工況一：全橋滿布人群荷載。

（2）工況二：全橋一側(cè)半布人群荷載。

（3）工況三：全橋一側(cè)半布人群荷載+十年一遇橫風(fēng)向荷載。

（4）工況四：百年一遇橫向風(fēng)荷載。

其中，十年一遇風(fēng)荷載基本風(fēng)速考慮為20.4 m/s，百年一遇風(fēng)荷載基本風(fēng)速考慮為30.2 m/s。

穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖5～8所示（λ為橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)）。

由計(jì)算結(jié)果可知：

（1）在人群活載作用下，無(wú)論采用全橋滿布人群還是一側(cè)半布人群的活載施加方式，大橋的穩(wěn)定性均較高，說(shuō)明人群荷載對(duì)其穩(wěn)定性的影響很小。

（2）在橫風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較人群活載相比小得多。其中，在百年橫風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)僅為2.78 是控制本橋穩(wěn)定性的控制荷載。

綜合計(jì)算結(jié)果，橋梁結(jié)構(gòu)最小穩(wěn)定系數(shù)在2.5以上，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）大跨人行懸索橋結(jié)構(gòu)柔度大，寬跨比小，橫風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵控制荷載，計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮其影響。

（2）對(duì)于大跨人行懸索橋，輔助纜（即抗風(fēng)纜）的設(shè)計(jì)是必要的。

（3）百年橫風(fēng)對(duì)大跨人行懸索橋穩(wěn)定性的影響大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取措施改善結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

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