山區(qū)人行懸索橋設(shè)計研究

【摘 要】雅江縣雅礱江某人行懸索橋位于復(fù)雜川西高原山區(qū)，建設(shè)條件極其艱險。方案研究綜合考慮地形、地質(zhì)、建設(shè)條件、工程造價與環(huán)境保護(hù)等諸多因素，選用非對稱懸索橋結(jié)構(gòu)形式，主纜跨度256 m，加勁梁長210 m，一跨跨越雅礱江180 m水面以及兩岸陡峭V形河谷。設(shè)計中橋梁通過受力分析各項應(yīng)力水平滿足相關(guān)規(guī)范要求，采用常規(guī)機(jī)械施工，工程造價適中，通行兩年來橋梁滿足實際安全使用需求，各項性能良好，為特殊山區(qū)人行橋梁設(shè)計提供參考。

【關(guān)鍵詞】懸索橋； 滑坡； 門式框架橋塔； 隧道式錨碇； 重力式錨碇； 主纜； 結(jié)構(gòu)設(shè)計

【中圖分類號】U448.25【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

雅江縣雅礱江某人行懸索橋位于力邱河匯入雅礱江處下游約500 m處，橋位下游約700 m為大型滑坡，西岸村莊與雅江縣無道路通行，村民出行需借道力邱河入江口下游臨時人行便橋繞行東岸出行，臨時便橋右岸地勢陡峻，人畜通行危險，急需跨江橋梁。橋位東岸緊鄰一大型滑坡體，滑坡體上游對應(yīng)西岸巖體破碎，無合適橋位供選擇，越過滑坡體下游對應(yīng)西岸即為大型滑坡，唯有滑坡體范圍偏下游佛塔處略為穩(wěn)定，對應(yīng)橋梁西岸相對穩(wěn)定，東岸橋臺和錨碇通過采取相應(yīng)技術(shù)措施，可作為橋位。

橋梁范圍處于藏區(qū)，橋位處連接道路為通村路。結(jié)合可入場設(shè)備條件，橋型比選時主要考慮柔性懸索橋和鋼筋混凝土拱橋方案，由于柔性懸索橋橋型輕巧、跨越能力大，生態(tài)環(huán)境影響小，施工工期較短、施工技術(shù)成熟、施工機(jī)械設(shè)備進(jìn)場便捷，具有較大優(yōu)勢；而混凝土拱橋方案存在橋梁造價偏高、施工較復(fù)雜、工期相對較長、施工技術(shù)要求較高、施工機(jī)具設(shè)備對進(jìn)場道路要求高等缺點，綜合考慮柔性懸索橋方案對于該類地形該橋型具有很強(qiáng)的競爭力和無可比擬的優(yōu)越性，最終選用懸索橋方案［3］。

1 工程概況

橋梁采用非對稱性柔性懸索橋，一跨跨越雅礱江，主纜計算跨徑為256 m，設(shè)置加勁梁段為210 m，懸索橋主纜不等高支承的高差為13.8 m，跨中垂度為20.819 m，主跨跨徑為210 m，矢跨比1/12.3；雙主纜采用立體布置，吊桿水平斜交角為84°，每根主纜120 mm由7股40 mm預(yù)制鍍鋅平行鋼絲組成，抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa，邊跨不設(shè)吊索。加勁梁采用Q345鋼材，縱梁為9根14a槽鋼，橫梁為25工字鋼，長3.0 m，橋梁凈寬2.5 m（圖1）。

東岸橋塔為鋼筋混凝土門式框架結(jié)構(gòu)，設(shè)置上、下2道橫梁［4］，橫梁之間設(shè)置X形斜撐，橋塔以東設(shè)重力式錨碇，其背墻設(shè)置水平預(yù)應(yīng)力錨索。西岸不設(shè)橋塔，采用隧道式錨加索鞍支墩，隧道錨位于巖質(zhì)邊坡內(nèi)。

橋址處地震動峰加速度為0.15g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，地震基本烈度為Ⅶ度，設(shè)計基本風(fēng)速19.0 m/s。設(shè)計工作年限50年，整體結(jié)構(gòu)計算設(shè)計人群荷載2.0 kN/m2（通行一輛總重5 t內(nèi)農(nóng)用車）。局部結(jié)構(gòu)計算設(shè)計人群荷載3.5 kN/m2。

2 孔跨布置

橋址區(qū)橫跨雅礱江兩岸，河谷為V形狀河流，地勢較為陡峭，河床寬約180 m，河流流向呈東北—西南走向，因下游山體滑坡堵塞雅礱江，橋位處水流平緩。東岸緊鄰大型滑坡，地貌上呈斜坡地貌，坡度陡峻，上覆坡積土，河岸基巖出露，區(qū)域存在少量即有建筑物。西岸橋臺位于人行便道內(nèi)側(cè)，坡度陡峻，出露巖體完整性較好，未見不良地質(zhì)現(xiàn)象，岸坡穩(wěn)定，適宜建橋。

經(jīng)研究橋梁方案主要受地形、地質(zhì)條件、環(huán)境保護(hù)和行洪等因素控制，為了施工及運(yùn)營階段安全，橋梁應(yīng)采用一跨跨越雅礱江，以南岸不影響即有建筑物為原則，橋梁主纜跨度選擇256 m，加勁梁長210 m。橋塔和抗風(fēng)纜基礎(chǔ)頂位于100年洪水位以上，基礎(chǔ)施工基本不涉水（圖2）。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 索塔及基礎(chǔ)

東岸覆蓋層較厚，橋塔采用樁基礎(chǔ)，為防止陡坡地表土滑移，在橋塔承臺上設(shè)置水平預(yù)應(yīng)力錨索抵抗水平土壓力；索塔為鋼筋混凝土門式框架結(jié)構(gòu)，設(shè)有上、下兩道橫梁，在兩道橫梁之間設(shè)有X形交叉斜撐，從承臺頂面至索鞍理論交點高度17.5 m，雙塔柱采用等截面寬1.0 m，長1.5～2.2 m（圖3）。

西岸基巖出露僅設(shè)橋臺不設(shè)橋塔，加勁梁端部擱置于重力式橋臺上，橋臺位置與端部吊桿（拉力索）連接。

3.2 錨碇

東岸采用樁基承臺重力式錨碇，為防止邊坡滑移及確保穩(wěn)定，錨碇尾部錨板上設(shè)置8束水平預(yù)應(yīng)力錨索對滑坡產(chǎn)生水平抗力作用。每束預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固系統(tǒng)由無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線和錨具組成，每束設(shè)有5根15.2 mm鋼絞線，抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，可提供1 000 kN的設(shè)計錨固力（圖4）。

西岸采用隧道式錨碇與支墩，隧道水平設(shè)置長23.5 m，寬1.0 m，高2.0 m。隧道端部設(shè)有1.5 m鋼筋混凝土錨梁，為增加水平抗拉能力，撐子面處設(shè)有水平錨桿與錨梁連接。

隧道洞口2 m處設(shè)置有索鞍支墩寬1.0 m，高0.9 m（圖5）。

3.3 纜索系統(tǒng)

3.3.1 主纜

雙主纜采用非對稱布置，索鞍之間跨徑256 m，加勁梁橋面長210 m，成橋跨中矢高20.819 m，主纜線形由Midas civil幾何非線性平衡分析獲取，橋面預(yù)拱度為1.5 m（圖6）。

單根主纜由7根40 mm鋼絲繩（6×19S+IWR）組成，公稱抗拉強(qiáng)度1 770 MPa，東側(cè)主纜通過套筒與拉桿一端連接，拉桿另一端預(yù)埋于預(yù)應(yīng)力樁基錨碇中，西側(cè)主纜通過纏繞錨梁后采用繩卡固定，主纜每根長約331.02 m。鋼絲繩經(jīng)過預(yù)拉，消除非彈性伸長后使用。

3.3.2 吊桿

吊桿采用25 mm型抗拉強(qiáng)度460 MPa鋼拉桿，沿橋縱向間距3.0 m，為增強(qiáng)橋梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性，采用外傾式吊桿，水平斜交角度為96°。施工時根據(jù)三維坐標(biāo)定位，確保主纜、吊桿安裝準(zhǔn)確。索夾采用焊接工藝，吊桿耳板與索夾、下吊桿采用銷軸連接。

3.3.3 索鞍

東岸索塔設(shè)有可滑動式索鞍，由鞍槽、輥軸和墊板組成，鞍呈扇形，鞍體采用焊接成整體，可在墊板之間輥軸沿橋梁縱向滑動，吊至塔頂后用高強(qiáng)度螺栓拼接，安裝架纜時可臨時固定。索塔與錨碇之間設(shè)置有散索箍，內(nèi)徑由120～138 mm之間。西岸設(shè)有固定索鞍，索鞍由鞍槽和固定墊板組成，用高強(qiáng)度螺栓拼接在隧道錨支墩上（圖7）。

3.4 加勁梁及橋面系

加勁梁為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系，材料為Q345鋼材，主橫梁為工25a型熱軋型鋼組成，縱向間距為3 m；標(biāo)準(zhǔn)段縱梁9根為14a熱軋槽鋼，橫向每隔0.35 m拼裝；每兩道主橫梁之間設(shè)置兩道14a槽鋼次橫梁焊接縱梁，組成平面桁架?？v梁在橋塔處設(shè)置橫向限位擋塊、縱橋向可移動而豎向限位鋼板支座，橋塔、臺處9 m范圍內(nèi)加勁梁局部加強(qiáng)，并設(shè)置橫向限位擋塊。橋面設(shè)置通長且寬為2.8 m，厚度為6 mm扁豆形花紋鋼板（圖8）。

3.5 抗風(fēng)纜

為了抵抗橋梁兩側(cè)水平方向風(fēng)荷載，改善橋梁自振頻率與行人舒適度，橋設(shè)置斜拉式抗風(fēng)纜［6-7］，每側(cè)設(shè)置6根斜拉式抗風(fēng)纜?？癸L(fēng)纜采用28 mm（6×19）的鍍鋅鋼絲繩，其公稱抗拉強(qiáng)度為1 670 MPa，初始張拉力為10 kN，抗風(fēng)纜水平夾角小于30°，每側(cè)抗風(fēng)纜平均角度與橋軸線夾角大于30°，抗風(fēng)纜均采用錨樁錨固。

4 橋梁有限元分析結(jié)果

采用Midas.civil有限元軟件建模分析，主纜、吊桿、抗風(fēng)索采用只受拉索單元；加勁梁與橋塔采用梁單元；主纜與抗風(fēng)纜邊界條件采用固結(jié)；加勁梁端部采用鉸接并釋放其沿橋面方向平動；橋塔頂端采用可轉(zhuǎn)動且釋放沿橋面方向平動的剛性連接方式［8］。模型見圖9，通過計算纜索、吊桿的應(yīng)力與位移以及梁單元的彎矩、應(yīng)力及梁體位移等，對其有限元計算結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 主纜線形

主纜線形通過有限元軟件采用幾何非線性分析與懸索橋分析，在主纜、吊桿、加勁梁及橋面系自重恒載作用下，通過成橋與倒拆方法得到主纜空纜狀態(tài)及成橋狀態(tài)三維線形。成橋狀態(tài)主纜跨中垂度20.819 m，空纜狀態(tài)跨中垂度18.089 m。在正常使用短期荷載作用下，主纜在橋塔與支墩處偏移量分別為42 mm和26 mm。

4.2 主纜、吊桿強(qiáng)度檢算

對基本組合下纜索系統(tǒng)的強(qiáng)度進(jìn)行檢算。主纜拉力最大值為1834.35 kN，應(yīng)力最大值為349.67 MPa。普通部位吊桿拉力約為10.0 kN，在橋塔、臺端與設(shè)置風(fēng)纜位置吊桿拉力較普通吊相拉力大，最大拉力14.33 kN，如圖10所示，應(yīng)力最大值為29.19 MPa，主纜及吊索抗拉強(qiáng)度分項系數(shù)均滿足規(guī)范［1］要求。

4.3 加勁梁內(nèi)力

懸索橋加勁梁按成橋線形設(shè)計，其懸吊部分梁體恒載均由主纜承受，梁體恒載內(nèi)力很小，僅承受活載及成橋后的其他荷載作用內(nèi)力［5］。計算結(jié)果為跨中范圍加勁梁縱梁彎矩值在-4.2～5.6 kN·m之間，而在橋臺端范圍內(nèi)縱梁彎矩值在-7.0～12.89 kN·m之間；跨中區(qū)域加勁梁縱梁應(yīng)力值66.5～74.5 MPa之間，而橋塔、臺端范圍內(nèi)縱梁最大拉應(yīng)力值為79.6 MPa；最大壓應(yīng)力值為-84.5 MPa，滿足規(guī)范［1］抗拉壓設(shè)計值（圖11）。

4.4 加勁梁變形

在行人荷載作用下加勁梁最大下?lián)现禐?14 mm，撓跨比為1/280，滿足規(guī)范小于1/250的要求。在百年一遇風(fēng)荷載作用下，加勁梁橫向最大位移為31.33 mm，撓跨比為1/8171（圖12）。

4.5 結(jié)構(gòu)自振頻率與行人舒適度分析

當(dāng)行人荷載頻率與橋梁頻率一致時易引起共振，因此需選擇行人步頻范圍內(nèi)的振型進(jìn)行舒適度研究。橋梁在抗風(fēng)纜共同作用下，特征值模態(tài)成果在7階以下的結(jié)構(gòu)自振頻率小于0.5 Hz，而第23階及以后的結(jié)構(gòu)自振頻率均大于1.25 Hz，而第47階及以后的結(jié)構(gòu)自振頻率均大于2.3 Hz。并選用橫向一階頻率為0.554 0 Hz與豎向一階頻率為1.298 8 Hz振動波型進(jìn)行行人舒適度分析（表1）。

人致振動人行荷載人數(shù)按行人密度0.5人/m2計，略大于當(dāng)?shù)厝w村民約200人，單位面積人行振動荷載簡諧函數(shù)按GB/T 51228-2017《建筑振動荷載標(biāo)準(zhǔn)》公式（12.2.1-1）fv（t）=Fb×cos（2πft）×ψ×γ’計算。分別選取模態(tài)7和22為橫向與豎向人行荷載以時程函數(shù)加載，并進(jìn)行加速度計算得到加速度峰值分別為0.617 m/s2，0.271 m/s2，行人舒適度等級為中等舒。

5 結(jié)束語

非對稱人行懸索橋利用山川峽谷地形特性，與獨(dú)特現(xiàn)狀融合度高，影響生態(tài)環(huán)境小，橋梁施工難度小、工程造價低，

適應(yīng)性強(qiáng)。橋梁在人行荷載作用下，各項力學(xué)計算結(jié)果均滿足各規(guī)范指標(biāo)要求，在偏遠(yuǎn)山區(qū)人口稀少、經(jīng)濟(jì)水平低且交通量小的情況下，豎向剛度合理。橋位應(yīng)避開滑坡等不良地質(zhì)的河段［2］，橋址為雅礱江沿岸唯一選擇，設(shè)置了橋塔與錨碇部位的水平預(yù)應(yīng)力錨索固定于基巖，增加了邊坡的穩(wěn)定性，運(yùn)營效果顯著。非對稱人行懸索橋造價相對節(jié)省，在山區(qū)運(yùn)用推廣，有利于加快解決偏遠(yuǎn)山區(qū)與人口稀少區(qū)域居民交通出行問題。

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［課題項目］中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司課題（項目編號：R-2022-58-MU-D-2023）

［作者簡介］吳強(qiáng)（1978—），男，本科，高級工程師，主要從事道路橋梁工程設(shè)計與研究工作。