某地錨式空間索面景觀人行懸索橋總體設(shè)計(jì)與受力分析

摘要：文章以某工程實(shí)際案例為背景，結(jié)合現(xiàn)狀地形、現(xiàn)場(chǎng)條件、景觀效果要求，詳細(xì)介紹了人行懸索橋的主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)，主塔采用了雙柱外傾式結(jié)構(gòu)，主纜形成三維空間索面，未設(shè)置抗風(fēng)纜；通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力、動(dòng)力、抗浮分析，滿足相關(guān)規(guī)范要求，可為同類型橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：景觀人行橋；懸索橋；地錨式；受力分析

中圖分類號(hào)：U448.25

0 引言

在市政工程中，傳統(tǒng)的人行橋結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼結(jié)構(gòu)為主，該類結(jié)構(gòu)具有工藝成熟、造型多變，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著城市建設(shè)的日益發(fā)展，橋梁建造對(duì)景觀要求不斷提升，人行懸索橋由于造型優(yōu)美、跨越能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到重視，尤其在跨越山谷或河流等特殊地形條件下［1］，人行懸索橋是為數(shù)不多的選擇之一。人行懸索橋結(jié)構(gòu)輕盈、寬跨比小，橫向剛度受到主纜線形及加勁梁形式的影響，在人群荷載及風(fēng)荷載作用下［2］，撓度變形明顯，為保證此類工況條件下橋梁結(jié)構(gòu)能滿足正常使用及承載能力要求，會(huì)采用一些輔助措施，以增加橋梁結(jié)構(gòu)的剛度［3］。本文以某景觀人行懸索橋?yàn)槔?，詳?xì)介紹了設(shè)計(jì)要點(diǎn)及結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，以期能為同類型橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

某綜合整治和開發(fā)利用工程項(xiàng)目，上游段為水綠澤國(guó)生態(tài)段，自然生態(tài)條件較好。根據(jù)景觀總體布設(shè)、現(xiàn)狀地形、交通功能要求等條件，景觀橋設(shè)計(jì)為人行橋兼觀光電瓶車通道。公園綠道路徑曲線蜿蜒優(yōu)美，橋梁上跨河道泵站、防洪閘出水口，橋臺(tái)兩端與景區(qū)綠道相接，兩端綠道寬4.5 m，采用紅色混凝土面層。防洪閘出口渠底寬度為17 m左右，橋底有人行道下穿，橋梁方案采用單跨70 m地錨式人行景觀懸索橋，橋?qū)? m，外觀造型為“樹橋”主題。

2 總體設(shè)計(jì)

該橋結(jié)構(gòu)體系為單跨雙鉸懸索橋，橋梁跨徑組合為（15+70+15）m，橋梁寬度為6 m，凈寬為5.3 m，兩側(cè)預(yù)留吊桿及欄桿設(shè)置空間。橋塔采用外傾式雙柱形橋塔，主纜在橋塔索鞍處采用正索鞍斜置技術(shù)，使主纜與吊索形成三維空間索面，該類造型不僅提高了橋梁橫向穩(wěn)定性，同時(shí)提升了塔型景觀效果。懸索主纜采用鋼絲繩材料，主塔采用鋼主塔，錨碇采用重力式混凝土錨碇，加勁梁采用雙邊縱梁+橫隔梁的結(jié)構(gòu)體系，主跨梁高0.6 m，吊桿間距5 m，橫隔梁每2.5 m設(shè)置一道，橫隔梁高0.6 m。主塔基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，錨碇基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。如圖1、圖2所示。

2.1 主纜與索鞍設(shè)計(jì)

全橋總長(zhǎng)為100 m，計(jì)算跨徑L=70 m，成橋恒載工況下，主纜矢高7.7 m，矢跨比為F/L=1/9.1。主纜立面線型通過幾何非線性平衡分析得到，空纜工況下，主纜矢高7.432 m，主纜無應(yīng)力長(zhǎng)度為110.799 5 m，塔頂索鞍水平預(yù)偏移量為6.1 cm。橋梁兩側(cè)各設(shè)置一根主纜，每根主纜由7根42 mm鋼絲繩組成，6×37WS+IWR，鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度1 770 MPa，彈性模量為19.5×105 MPa，如圖3所示。主纜沿縱橋向變間距布置，橋跨中處中心間距為7.0 m，橋塔處中心間距為9.5 m，錨碇處中心間距為7.5 m，主纜形成三維空間索面，在橋臺(tái)錨碇處通過散索鞍后張拉錨固。由于橋塔為外傾式結(jié)構(gòu)，主纜呈三維空間索面，塔頂索鞍若為平置，主纜索力將對(duì)主塔產(chǎn)生較大的橫向作用力，為避免上述情況，將索鞍在橋塔頂部斜置，以改善主塔受力情況。

索鞍采用ZG45熱鑄鋼，索鞍底板開坡口與塔頂鋼板焊接，為保證索塔良好的受力狀態(tài)，索鞍在施工期間應(yīng)提前預(yù)設(shè)偏移量。

2.2 吊桿與索夾設(shè)計(jì)

吊桿采用40 Cr鋼材，直徑40 mm。相鄰吊桿間距5 m，橫隔梁每2.5 m設(shè)置一道，吊桿通過上下端叉耳分別與索夾及加勁梁橫隔梁處吊耳連接。吊桿中部設(shè)置標(biāo)體長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置，以調(diào)整空纜過渡到成橋狀況下的桿體長(zhǎng)度值。

索夾采用銷接式左右對(duì)合型索夾，索夾主體材料采用ZG45熱鑄鋼。索夾左右鑄鋼夾板采用高強(qiáng)螺栓緊固于主纜上。

2.3 主塔設(shè)計(jì)

主塔采用鋼結(jié)構(gòu)雙柱式斜塔，塔高13.4 m，塔柱向外傾斜成83.2°，采用等截面帶肋鋼箱結(jié)構(gòu)，橫橋向?qū)? m，縱橋向?qū)?.8 m，鋼板厚30 mm，橫隔板每2.5 m設(shè)置一道。材料采用Q355耐候鋼。

主塔頂部與索鞍底部鋼板焊接，索鞍斜置以減少橫向力作用。為滿足景觀效果，塔頂不設(shè)置橫向連接梁，僅依靠塔身自身提供承載力。主塔根部埋入樁基承臺(tái)內(nèi)部，樁基采用6根1.2 m鉆孔灌注樁。

2.4 橋面系設(shè)計(jì)

橋面系材料為Q355鋼材，加勁梁縱梁采用倒梯形斷面，上開口寬1 490 mm、全寬1 590 mm，下開口寬700 mm、全寬800 mm；高度為600 mm；頂、底板和腹板均厚16 mm，頂、底板均以板式加勁肋進(jìn)行加勁，加勁肋規(guī)格為120 mm×14 mm；標(biāo)準(zhǔn)橫梁采用倒梯形斷面，上開口寬680 mm，全寬780 mm，高度為600 mm；下開口寬440 mm，全寬540 mm，頂、底板和腹板均厚16 mm。

2.5 錨碇設(shè)計(jì)

結(jié)合周邊建設(shè)場(chǎng)地條件及橋梁跨徑等因素，錨碇采用重力式錨碇結(jié)構(gòu)，通過錨碇自身重力及基底摩擦力抵抗主纜拉力及其他活荷載作用。錨碇采用擴(kuò)大基礎(chǔ)形式，底部局部換填級(jí)配碎石以增加其摩擦系數(shù)。

2.6 景觀設(shè)計(jì)

橋面鋪裝采用3 mm厚彩色高分子聚合物薄層，高分子聚合物薄層基本材料采用特制IPPI膠粘劑（高分子聚合物改性聚氨酯）、高滲透封底底漆（水泥基面用）、輕質(zhì)陶粒（彩色）、透明罩面，直接攤鋪于混凝土結(jié)構(gòu)或鋼橋面板表層，厚度僅3 mm，具有重量輕、抗滑、防水、耐久等優(yōu)點(diǎn)，薄層可以做成各種顏色，景觀效果良好。橋梁外側(cè)護(hù)欄采用帶曲線造型的園藝護(hù)欄，在保證安全的前提下，依然能滿足外觀要求。橋梁建筑裝飾主要以表面噴涂，適當(dāng)安裝一定的鋼構(gòu)件、外包HDPE套管等方式實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)構(gòu)靜力分析

3.1 模型建立

該橋利用Midas Civil軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，結(jié)構(gòu)驗(yàn)算考慮恒載、人群荷載及風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，建立三維仿真模型。其中梁?jiǎn)卧灿?jì)60個(gè)，索單元58個(gè)、節(jié)點(diǎn)125個(gè)，最后建立全橋模型及邊界如圖4所示。

3.2 設(shè)計(jì)荷載

該橋荷載分為恒截及活載：恒載包括主塔自重、加勁梁自重、橋面護(hù)欄、主纜自重等荷載；活載為人群荷載、溫度荷載、風(fēng)荷載，其中人群荷載按3.5 kN/m2計(jì)入，溫度荷載取整體升溫25 ℃、整體降溫20 ℃計(jì)，風(fēng)荷載按26.3 m/s計(jì)入。

3.3 荷載工況

本次計(jì)算考慮結(jié)構(gòu)3種工況組合，荷載組合系數(shù)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）［4］（以下簡(jiǎn)稱《通用規(guī)范》）取值。

（1）工況一：恒載。

（2）工況二：恒載+整體溫度+人群荷載。

（3）工況三：恒載+整體溫度+人群荷載+風(fēng)荷載。

3.4 靜力分析結(jié)果

3.4.1 主纜、吊桿應(yīng)力結(jié)果

根據(jù)受力情況分析，結(jié)構(gòu)在工況三標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，主纜的拉應(yīng)力最大，其最大拉應(yīng)力為594 MPa，其容許拉應(yīng)力為1 770 MPa，安全系數(shù)為2.98，根據(jù)《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG-T D65-05-2015）［5］第9.4.2條規(guī)定，其安全系數(shù)應(yīng)≥2.5，滿足規(guī)范要求。標(biāo)準(zhǔn)組合下吊桿最大應(yīng)力125 MPa，安全系數(shù)為6.28，滿足要求。在基本組合下，主纜最大應(yīng)力765 MPa，小于容許值955 MPa，滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64-2015）要求，吊桿最大拉應(yīng)力為161 MPa，小于容許拉應(yīng)力628 MPa，滿足規(guī)范要求。如下頁圖5所示。

3.4.2 主塔計(jì)算結(jié)果

根據(jù)受力結(jié)構(gòu)分析，主塔應(yīng)力如圖6所示，基本組合工況三下，主塔最大應(yīng)力94.7 MPa，小于容許值270 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.4.3 加勁梁計(jì)算結(jié)果

根據(jù)受力結(jié)構(gòu)分析，如圖7所示，加勁梁在基本組合工況三下，最大應(yīng)力為99.7 MPa，小于容許值270 MPa，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)動(dòng)力分析

懸索橋?qū)︼L(fēng)荷載非常敏感，風(fēng)荷載在計(jì)算中往往成為關(guān)鍵控制性因素。本次設(shè)計(jì)考慮橋梁跨徑及景觀效果等因素，取消了傳統(tǒng)抗風(fēng)纜的設(shè)計(jì)，采用了三維空間纜面及主塔外傾的方式以增加橋梁主體結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性，并根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）（以下簡(jiǎn)稱《設(shè)計(jì)規(guī)范》）（設(shè)計(jì)時(shí)2018版新抗風(fēng)規(guī)范暫未實(shí)施）的規(guī)定，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行顫振驗(yàn)算。

通過軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值分析，取前二十階振型結(jié)果。查詢《通用規(guī)范》，橋址地表類別屬于C類。設(shè)計(jì)風(fēng)速按百年一遇取值為26.3 m/s。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)基頻為ft=4.51，故顫振穩(wěn)定指數(shù)If=45.1/（4.51×6）=1.66lt;4.0，根據(jù)《設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算顫振臨界風(fēng)速Vcr=49.21 m/s，顫振檢驗(yàn)風(fēng)速［Vcr］=1.2×1.43×26.3=45.1 m/s，Vcrgt;［Vcr］，因此滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)構(gòu)抗浮分析

由于橋位區(qū)在100年一遇洪水位下，主梁將浸沒在水中，為防止主梁浸沒狀態(tài)下發(fā)生漂浮，支座采用抗拉抗震球型支座。主梁的抗浮力計(jì)算如下：全橋浸入水中鋼箱梁空腔體積：V=107 m3；浸入水中鋼箱梁承受浮力：F浮=V×ρ水×g=107×1 000×9.8/1 000=1 048.6 kN；全橋主梁以上恒載重：G=1 093 kN；抗浮安全系數(shù)：μ=1.5。

全橋共4個(gè)支座，每個(gè)支座受到的抗浮力：F抗浮=（μ×F浮-G）/4=120.0 kN。該橋采用LKQZ（Ⅱ）1GD/DX支座，上拔承載力為200 kN，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語

（1）懸索橋結(jié)構(gòu)形式由于跨越能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔美觀，受力明確，在市政橋梁應(yīng)用發(fā)展上越來越受到重視，尤其有特殊景觀要求的項(xiàng)目上，有很好的應(yīng)用前景。

（2）懸索橋結(jié)構(gòu)形式寬跨比較小，在風(fēng)荷載、人行荷載等活荷載作用下，容易產(chǎn)生較大變形，在設(shè)計(jì)及施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制其主纜及吊標(biāo)變形值，精確計(jì)算其無應(yīng)力長(zhǎng)度，滿足成型后線形及受力條件要求。

（3）橋梁橫向剛度受到主梁跨徑及寬度的影響，傳統(tǒng)方式設(shè)置抗風(fēng)纜加強(qiáng)其橫向剛度。本橋考慮到跨徑及景觀要求，取消了抗風(fēng)纜的設(shè)置，通過主塔外傾、索鞍斜置等方式加強(qiáng)其主梁的橫向剛度，減小主塔的橫向作用力。

（4）人行橋考慮小型電動(dòng)觀光車通行，設(shè)計(jì)驗(yàn)算荷載取每輛車1 000 kg，限載12人。懸索橋?qū)儆谌嵝詰宜鹘Y(jié)構(gòu)，活載作用下?lián)隙嚷源?，建議不宜同時(shí)快速通過兩輛觀光車，以免由于橋梁撓度較大造成游客不適。

（5）該橋梁底標(biāo)高設(shè)計(jì)為高于五年一遇洪水位，但在超過五年一遇洪水位時(shí)部分或全部梁體將被水淹沒，此時(shí)應(yīng)禁止游客上橋，并密切關(guān)注橋梁及周邊環(huán)境的變化，防止大型漂浮物靠近橋梁。

參考文獻(xiàn)

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［4］JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［5］JTG/T D65-05-2015，公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

收稿日期：2024-03-21

作者簡(jiǎn)介：李豐成（1986—），主要從事市政道路與橋梁設(shè)計(jì)、咨詢工作。