空間剛性纜索自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)體系研究

戚瑞琨QI Rui-kun

（上海市建筑科學研究院集團有限公司，上海 200092）

0 引言

空間剛性懸索橋是一種具有高度美學價值和工程挑戰(zhàn)的橋梁設(shè)計。目前，世界各地都有不少空間剛性懸索橋的建造和設(shè)計案例。這些橋梁通常采用先進的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程技術(shù)，以實現(xiàn)長跨度、高承載能力和獨特的外觀特點?？臻g剛性懸索橋在世界各地被廣泛應用，為城市的交通運輸和旅游業(yè)發(fā)展提供了重要的支持。設(shè)計和建造這種橋梁需要高水平的工程技術(shù)和實踐經(jīng)驗，以確保其結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性符合安全標準。跨河或上跨快速路的人行橋由于景觀及凈空的要求，梁高較小，但此種橋梁的跨徑通常較大，這就造成了橋梁高跨比過小，剛度不足，振動問題突出。本文以一個實際的剛性懸索橋為例進行結(jié)構(gòu)的體系研究。

1 結(jié)構(gòu)方案

1.1 方案概述

本橋上跨濱河東路和濱河東路東側(cè)綠化帶，是一座溝通桃園三巷片區(qū)與西側(cè)汾河景區(qū)公園的人行專用橋，為附近居民來往于東側(cè)居住區(qū)與西側(cè)健身休閑公園間提供了一個安全的專用通道。

采用空間主纜剛性自錨式懸索橋上跨濱河東路，結(jié)構(gòu)形式新穎。主橋塔柱采用外翻的斜塔，剛性主纜位于斜塔平面內(nèi)，斜塔猶如一雙張開迎客的雙臂，增加了結(jié)構(gòu)的空間感。殘疾人士近期可通過附近下穿地道通過濱河東路，遠期可根據(jù)無障礙通行需求在人行橋兩側(cè)設(shè)置電梯，滿足無障礙設(shè)計要求。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本方案采用空間主纜剛性自錨式懸索橋，橋跨跨徑為11.93+47.14+11.93m，全長71m。橋梁樓梯采用“L”形樓梯，即先沿橋梁軸向設(shè)置一跨樓梯，然后順濱河東路落地?？傮w布置如圖1 所示。

圖1 總體布置圖（欄桿未示，單位：m）

橋面系采用30mm 火燒花崗巖鋪地形式；橋面欄桿采用不銹鋼藝術(shù)欄桿形式，既美觀又輕盈，使得整體結(jié)構(gòu)極具現(xiàn)代氣息。

1.2.1 主纜

空間主纜采用400×400mm 鋼箱斷面，主纜在主跨范圍內(nèi)位于主塔的斜平面內(nèi)，與水平面成75°夾角，在邊跨主纜錨固于主梁上。

1.2.2 主梁

橋梁采用雙主梁結(jié)構(gòu)，單側(cè)主梁標準段為600×400mm 矩形鋼箱截面，在錨固段主梁加寬加高為800×900mm。主梁之間采用工字形橫梁連接，橫梁標準段間距1.5m，橋面板厚12mm。橋梁縱坡4.5%，不設(shè)橫坡。橋梁橫截面如圖2 和圖3 所示。

圖2 主塔位置主梁橫斷面圖（單位：m）

圖3 標準主梁橫斷面圖（單位：m）

1.2.3 吊桿

吊桿采用剛性吊桿，工字形斷面。吊桿在主跨橫梁對應位置設(shè)置，分別與主梁和主纜焊接，邊跨不設(shè)吊桿。

1.2.4 主塔

主塔為斜塔，采用變截面矩形鋼箱斷面，截面自塔底至塔頂由800×600mm 變化值600×400mm，主塔順橋向軸線與水平面成70°夾角，橫橋向軸線與水平面成75°夾角。

1.2.5 橋墩及基礎(chǔ)

本橋基礎(chǔ)分為主橋基礎(chǔ)及樓梯基礎(chǔ)兩種。

主橋主墩基礎(chǔ)采用C30 混凝土承臺+C30（水下）直徑1.2m 鉆孔灌注樁的基礎(chǔ)形式，承臺厚度1.5m，邊墩基礎(chǔ)采用C30（水下）直徑1.2m 鉆孔灌注樁的基礎(chǔ)。

樓梯基礎(chǔ)采用C30（水下）直徑1.0m 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)形式。

1.2.6 樓梯

主橋橋面與地面高差約為5.4m，為方便行人上、下橋面，在主梁南北兩側(cè)對稱設(shè)置“L”形的折線樓梯，并在距地面2.7m 高度處設(shè)置深度2.3m 的休息平臺；

主橋兩側(cè)樓梯、坡道橫斷面布置為：0.2m（欄桿）+2.1m（凈寬）+0.2（欄桿）=2.5m。

1.3 施工方法

該橋采用節(jié)段吊裝的施工方法：在機非分隔帶、中央分隔帶、人行道范圍內(nèi)設(shè)置臨時墩，將鋼梁預制節(jié)段運至現(xiàn)場，焊接成較大的節(jié)段后利用汽車吊起吊并現(xiàn)場焊接連接成橋。全橋施工共需工期約4 個月。具體施工步驟如下：

①與橋墩樁基礎(chǔ)和承臺位置沖突的管線改線；

②施工橋墩樁基礎(chǔ)、承臺及塔墩等；

③搭設(shè)臨時支架；

④工廠加工桁架節(jié)段，并運輸至現(xiàn)場；

⑤汽車吊吊裝鋼梁、主纜節(jié)段，精確就位后進行焊接；

⑥主體結(jié)構(gòu)完成后施工橋面系及其它附屬設(shè)施；

⑦完成全橋施工，準備運營。

2 結(jié)構(gòu)體系動力分析

背景橋梁方案采用空間主纜剛性自錨式懸索橋，橋跨跨徑為11.93m+47.14m+11.93m，全長71m。橋梁采用雙主梁結(jié)構(gòu)，主梁之間采用工字形橫梁連接，橫梁標準段間距1.5m，主塔為斜塔，主塔順橋向軸線與水平面成70°夾角，橫橋向軸線與水平面成75°夾角。橋梁結(jié)構(gòu)立面見圖4。

圖4 橋梁結(jié)構(gòu)立面圖

2.1 有限元模型建立

首先建立全橋有限元模型如圖5，其中，主纜及主梁采用梁單元，橋面板采用板單元。

圖5 全橋有限元模型

2.2 橋梁自振分析

完成有限元靜力計算的前提下，進行橋梁特征值分析，分析得到橋梁的一階豎彎頻率，得到橋梁一階豎彎頻率為2.3Hz，如圖6 所示。落在危險頻率范圍內(nèi)，需要進行舒適度分析，需要注意的是，在選取豎彎頻率時，要參考結(jié)構(gòu)的質(zhì)量參與度，選用合理的振型模態(tài)。（表1）

表1 橋梁各模態(tài)質(zhì)量參與程度

圖6 橋梁結(jié)構(gòu)一階豎彎振型

3 結(jié)論

本文通過對一座人行景觀橋進行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，橋型方案采用剛性懸索的結(jié)構(gòu)形式。作為空間懸索結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)體系角度進行了分析，研究結(jié)果表明：空間結(jié)構(gòu)的懸索體系結(jié)構(gòu)復雜，力學特性規(guī)律相比于常規(guī)懸索橋而言，結(jié)構(gòu)振型和自振頻率具有顯著特征。