恩施大峽谷大樓門景觀橋結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

■劉政偉 尹棟佳 夏齊勇

（湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，武漢 430051)

恩施大峽谷景區(qū)為國家5A 級景區(qū)，景區(qū)內(nèi)百里絕壁、千丈瀑布、傲嘯獨峰、遠古村寨等景點美不勝收，美國《國家地理》雜志專題介紹，認為可與美國科羅拉多大峽谷相媲美。本橋位于大峽谷核心景區(qū)，對橋梁的景觀價值要求較高。本項目在設(shè)計之初，即以“融橋于景，造橋為景”創(chuàng)意構(gòu)思，橋梁結(jié)構(gòu)融于自然，又能作為一道獨特的景觀增添自然的亮色。

橋梁設(shè)計標準如下：（1）橋梁類型：人行專用橋；（2）設(shè)計基準期：100 年；（3）設(shè)計使用年限：50年；（4）設(shè)計安全等級：一級； （5）荷載等級：人群設(shè)計荷載3.5 kPa；百年重現(xiàn)期的風速25.3 m/s，基本雪壓0.35 kPa。

1 總體設(shè)計

橋址區(qū)位于大峽谷深度景區(qū)，周圍無車行道路通行，運輸條件較差。 主橋位置位于兩座陡崖之間，橋梁頂面高程與深谷高差在80 m 以上，崖體坡度在80°以上，建設(shè)條件受到極大制約。 橋址地貌見圖1。

圖1 橋址航拍照片

對橋址區(qū)崖壁的地質(zhì)情況勘探顯示，除表面層長期風化外，崖體淺層為中風化灰?guī)r，細晶結(jié)構(gòu)，薄-中厚層狀構(gòu)造，其飽和抗壓強度標準值為35 MPa，達到較堅硬巖的水平，地質(zhì)條件良好。

設(shè)計主創(chuàng)人員多次踏勘現(xiàn)場，收集資料，充分考慮景觀、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)、施工等多方面因素，通過多輪方案比選， 確定了無塔式巖錨雙索面斜拉橋方案。 橋梁主跨88 m，斜拉索張拉側(cè)的梁體嵌入巖石層內(nèi)，形成嵌固端，另一側(cè)采用支座邊界。 斜拉索間距6 m， 共12 對24 束， 斜拉索利用有利的地質(zhì)條件，采用CFRP 筋材超高強水泥基巖錨基礎(chǔ)替代索塔作為斜拉索的錨固端，這種無塔巖錨基礎(chǔ)屬國內(nèi)首次應(yīng)用。

斜拉索采用散索設(shè)計，在豎向和平面內(nèi)與主梁形成空間夾角。 散索設(shè)計提供了橋梁橫向剛度，解決了結(jié)構(gòu)橫向擺動和抗風問題，同時在空間上形成了拉索依次張開的次第感， 象征恩施人民熱情好客，張開雙臂迎八方游客的人文寓意。 設(shè)計效果見圖2、圖3。

圖2 橋梁景觀效果

圖3 橋梁空間模型

2 三維定位與BIM 應(yīng)用

橋址區(qū)地勢險峻， 主橋架設(shè)在兩個陡崖之間，崖體坡度在80°以上，傳統(tǒng)的測量方式實施難度大，定位困難，且精度無法保證設(shè)計需求。 傾斜攝影技術(shù)是測量領(lǐng)域近年發(fā)展的高新技術(shù)，該技術(shù)通過從1 個垂直、4 個傾斜和5 個不同的視角同步采集影像和數(shù)據(jù)，能夠高精度、多層次獲取地物的航攝影像數(shù)據(jù)（圖4）。

圖4 傾斜攝影模型

采用Global Mapper 地圖繪制軟件對數(shù)據(jù)進行處理，將基于多視角影像技術(shù)超高密度點云自動構(gòu)建為不規(guī)則的三角網(wǎng)絡(luò)， 從而進一步生成高精度、高分辨率的表面三維模型。 采用建筑信息模型（BIM） 解決方案Auto CAD Civil 3d 軟件將傾斜攝影真實三維場景與橋梁BIM 精確模型融合，對斜拉索錨點及主橋結(jié)構(gòu)進行精確定位。

3 主梁設(shè)計

主橋鋼主梁全長88 m，寬度5.0 m，采用雙主梁格構(gòu)設(shè)計。 單梁采用焊接工字鋼，梁高1.2 m，標準段頂?shù)装寮案拱搴穸?6 mm，固結(jié)端節(jié)段厚度增加到20 mm。每隔1.5 m 設(shè)置1 道橫隔板，橫隔板設(shè)置2 道加勁肋。 橋面板采用8 cm 厚的活性粉末混凝土，具有高耐久性和高抗彎折、抗壓等性能，能夠適應(yīng)較復(fù)雜的自然環(huán)境和受力狀況。 主梁一般斷面及斜拉索錨固斷面見圖5、圖6。

圖5 主梁一般斷面

圖6 斜拉索錨固斷面

主梁錨固端設(shè)置在與斜拉索巖錨錨固端同側(cè)，通過加勁板進行補強， 主梁嵌入開挖的洞室內(nèi)，通過承壓板將主梁的內(nèi)力傳遞到巖體內(nèi)（圖7）。

圖7 主梁錨固端斷面

根據(jù)現(xiàn)場地形情況，斜拉索另一側(cè)的巖壁斜向近乎與主梁平行，不適合設(shè)置斜拉索巖錨，但有利于設(shè)置主梁支座。 設(shè)計采用嵌固在巖壁內(nèi)的混凝土懸臂梁作為斜拉橋懸臂端的支撐梁（圖8）。 除了設(shè)置豎向支座2 個外， 在主梁側(cè)邊設(shè)置2 個支座，限制梁體的水平位移。

圖8 主梁懸臂端支撐

橋梁模型采用Midas Civil 計算軟件進行整體模型計算，橋梁三維模型見圖9，巖錨及主梁錨固端采用固結(jié)約束，主梁懸臂端采用支座約束。 主梁在基本組合下應(yīng)力計算結(jié)果見圖10。主梁錨固區(qū)域由于應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達到219.7 MPa，通過加勁板等措施降低該區(qū)域的應(yīng)力水平。

圖9 橋梁三維模型

圖10 基本組合下主梁組合應(yīng)力

4 斜拉索設(shè)計

斜拉索采用整束擠壓式鋼絞線，鋼絞線單根公稱直徑d＝15.2 mm，抗拉強度標準值fpk＝1 860 MPa，Ep=1.95×105MPa。 索體采用環(huán)氧涂層鋼絞線+油脂+PH 套的方式進行單根防護。 經(jīng)多根平行編索緊密集束后，再套上HDPE 套管進行整體防護。 為減少風致振動，拉索外防護層采用雙螺旋線護套。

斜拉橋結(jié)構(gòu)輕柔，結(jié)構(gòu)變形受風荷載、人群荷載等影響較大。 為解決這一問題，本橋斜拉索采用19 束15.2 mm 鋼絞線集束，安全系數(shù)為5.2～8.2，遠高于強度需求，來達到提高橋梁整體剛度的目的。

5 斜拉索巖錨設(shè)計

巖錨設(shè)計采用CFRP 筋預(yù)應(yīng)力錨桿系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于碳纖維錨桿、 超高性能水泥基粘結(jié)錨固介質(zhì)，具有高抗壓強度、高耐久性及高韌性等優(yōu)良性能，并在矮寨大橋等橋梁工程中成功運用[1-2]。

錨桿所用CFRP 筋材標準抗拉強度fpk＝2400 MPa，是鋼絞線的1.3 倍，筋材-粘結(jié)介質(zhì)界面粘結(jié)強度比鋼絞線大得多， 彈性模量E≥1.5×105MPa，破斷延伸率大于等于1.5%，高性能水泥基材（RPC）抗壓強度130 MPa。 每個錨固段設(shè)置兩根錨桿結(jié)構(gòu)。 單根錨桿桿體筋材采用5 根有效直徑12 mm 的CFRP 筋組成，筋材總面積565.5 mm2。 錨桿采用單端預(yù)應(yīng)力張拉，張拉控制應(yīng)力為σfk＝0.6 fpk＝1440 MPa。 巖錨系統(tǒng)見圖11～13。

圖11 巖錨系統(tǒng)

巖錨按永久構(gòu)件進行設(shè)計， 參照GB50086-2015 《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》及文獻[1-2]的研究結(jié)論進行設(shè)計。巖錨計算主要分為2 個部分：一是確保錨桿抗拉強度極限大于設(shè)計值，確定錨桿所需的CFRP 筋材的直徑和根數(shù)；二是確保錨桿的有效錨固長度內(nèi)的粘結(jié)性能大于錨桿的抗拉強度極限值，來確定臨界錨固長度。

錨桿根數(shù)與直徑計算如下：

圖12 巖錨頂部細部構(gòu)造

式中：Ns—錨桿拉力設(shè)計值；k—安全系數(shù)，取2.2；n—筋材根數(shù)；d—筋材有效直徑；ffk—筋材極限抗拉強度。

設(shè)計采用錨桿采用直徑12 mm 壓痕式CFRP筋材，有效破斷面積113.1 mm2，筋材極限抗拉強度不小于2 400 MPa，錨桿拉力設(shè)計值為500 kN。 計算可得所需筋材根數(shù)不小于4.1 根， 取整后設(shè)計采用5 根筋材制作1 根錨桿，滿足設(shè)計要求。 錨桿構(gòu)造設(shè)計截面見圖14。

圖13 巖錨底部細部構(gòu)造

圖14 巖錨錨桿截面構(gòu)造

臨界錨固長度是計算錨桿的有效設(shè)計長度，使錨桿與巖體的粘結(jié)年滿足設(shè)計承載力要求。 計算如下：

式中：τm—筋材-粘結(jié)介質(zhì)界面粘結(jié)強度，設(shè)計采用標準抗壓強度130 MPa 活性粉末混凝土混合漿料，在文獻[2]中，活性粉末混凝土混合漿料與巖體的平均界面強度遠大于普通砂漿與巖石粘結(jié)強度，美國PTI《巖層與土體預(yù)應(yīng)力錨桿的建議》推薦白云質(zhì)石灰?guī)r與灌漿料的極限粘結(jié)應(yīng)力為1.4～2.0 MPa。 綜合考慮后，設(shè)計筋材-粘結(jié)介質(zhì)界面粘結(jié)強度取2.0 MPa；D—地下段鉆孔直徑， 設(shè)計巖錨結(jié)構(gòu)為150 mm；lcr—臨界錨固長度；Km—安全系數(shù)，取2.5;Kb—群錨增大系數(shù)。

計算得出錨桿臨界錨固長度3.3 m， 設(shè)計地下錨固深度不小于3.5 m，滿足設(shè)計要求。

6 人行舒適度計算

研究指出[3-4]，斜拉橋的自振頻率與索梁剛度比EeAe/EdId、索塔剛度比以及跨徑l 有關(guān)，在結(jié)構(gòu)尺寸確定情況下，索截面面積與結(jié)構(gòu)自振頻率近似成正比。 我國現(xiàn)行規(guī)范CJJ69-95《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》規(guī)定上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3.0 Hz。 本橋結(jié)構(gòu)輕柔，跨徑較大，斜拉索采用了較大的截面面積來提高結(jié)構(gòu)剛度。 結(jié)構(gòu)第一階橫向自振頻率提高到1.42 Hz， 第一階豎向自振頻率提高到2.05 Hz， 但再增加斜拉索截面面積對提高結(jié)構(gòu)自振頻率效率不高，造成較大的材料浪費。 經(jīng)驗及研究表明，現(xiàn)行規(guī)范對于大跨徑、輕柔結(jié)構(gòu)天橋要求偏于嚴苛和保守[5-7]。 歐美人行橋設(shè)計規(guī)范中對正常使用狀態(tài)下舒適度通常是以控制自振頻率和控制結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)加速度來保證橋梁舒適度使用要求見表1。

表1 各國規(guī)范規(guī)定人行橋無需驗算豎向動力性能的自振頻率最小值

日本規(guī)范對于自振頻率限值較寬松，歐洲規(guī)范的豎向頻率限值都較大，這是因為這些規(guī)范的限值都是指不需要進行舒適度計算的結(jié)構(gòu)。 目前國內(nèi)人行橋梁大多參考德國規(guī)范進行舒適度設(shè)計。 德國規(guī)范規(guī)定人行橋結(jié)構(gòu)的豎向固有頻率1.25 Hz≤f0≤4.6 Hz 范圍內(nèi)，需要應(yīng)用限制動力響應(yīng)值法驗算舒適度，側(cè)向荷載限制頻率范圍為0.5 Hz≤f0≤1.2 Hz。德國規(guī)范規(guī)定的行人交通等級及舒適性指標見表2、表3。

表2 行人交通等級和密度

表3 德國規(guī)范人行舒適性指標

橋梁結(jié)構(gòu)第一階側(cè)向振動頻率大于1.2 Hz，無需進行舒適性驗算。 豎向動力性能采用Midas Civil建立結(jié)構(gòu)對豎向振動特性進行時程分析，結(jié)果見表4。 TC2 交通流下主梁結(jié)構(gòu)的峰值加速度包絡(luò)結(jié)果見圖15。

表4 不同交通流下峰值加速度

圖15 TC2 荷載等級下峰值加速度

結(jié)果表明，在TC1 和TC2 交通流下，結(jié)構(gòu)舒適度為“優(yōu)”，在TC3 交通流下，結(jié)構(gòu)舒適度為“良”，在TC4 和TC5 交通流下，結(jié)構(gòu)舒適度為“中”，均在規(guī)范容許范圍內(nèi)。

7 結(jié)語

（1）傾斜攝影技術(shù)和BIM 技術(shù)結(jié)合在橋梁工程中的應(yīng)用，可以解決復(fù)雜陡峻地形中橋梁結(jié)構(gòu)定位問題。 （2）依托良好的地質(zhì)條件，本橋采用的無塔斜拉橋結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性強，結(jié)構(gòu)受力合理，對景觀橋梁設(shè)計具有借鑒意義。 （3）巖錨基礎(chǔ)是主橋結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，文中提供了計算方法。 （4）大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)輕柔，斜拉索截面面積對主橋剛度影響較大。 設(shè)計應(yīng)綜合考慮材料利用效率與結(jié)構(gòu)性能改善的關(guān)系，尋找最優(yōu)設(shè)計平衡點。 （5）我國人行橋設(shè)計規(guī)范對于結(jié)構(gòu)基頻做出的限制規(guī)定偏于保守， 對于大跨度、結(jié)構(gòu)輕柔的天橋結(jié)構(gòu)基頻如滿足規(guī)范，付出代價較大，結(jié)合本項目經(jīng)驗，建議參考德國規(guī)范進行舒適度驗算，計算結(jié)果滿足舒適度要求。