會東縣參魚河景觀人行懸索橋設(shè)計(jì)

馮 江

（四川攀枝花規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川攀枝花 617000）

1 工程概況

會東地處川滇兩省六縣（區(qū)）交匯之處，北距成都852 km、西昌229 km，西距攀枝花 1 44 km，東距昆明440 km。全縣幅員面積3 227 km2，有漢、彝、傈僳等27 個(gè)民族，總?cè)丝?0.73 萬人。會東縣屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣侯區(qū)，主要特點(diǎn)是日照時(shí)數(shù)多，多年平均日照數(shù)為2 322.8 h，光熱資源豐富，全年總輻射量為136.22 千卡/cm2年，有效輻射為64.03 千卡/cm2年。氣候溫和，四季不分明，無霜期279 d，有霜期46 d，冬暖無嚴(yán)寒，夏短無酷暑，四季如春，但晝夜溫差大。蒸發(fā)旺盛，雨量集中，干濕季分明，多年平均降水量1 058 mm，多出現(xiàn)在氣溫較高的夏秋季，雨熱同季。會東縣城位于金沙江支流參魚河兩側(cè)，地勢平坦，為提升城市品位，會東縣政府積極引進(jìn)民營資本，進(jìn)行舊城改造。保利創(chuàng)投有限公司獲得了體育場片區(qū)舊城改造項(xiàng)目，景觀人行橋工程就屬于該舊城改造的重要組成部分。該橋是會東縣城連接參魚河?xùn)|西兩側(cè)行人通過的重要交通樞紐，同時(shí)也是城市景觀亮點(diǎn)，是東岸明珠廣場和西岸連接的人行通道，與下游約250 m 距離的彩虹橋和上游約320 m 的跨河車行橋?qū)⒖h城兩岸緊密地結(jié)合起來。

該橋采用懸索結(jié)構(gòu)，主纜跨徑80 m，垂高7 m，垂跨比1∶1.4。主纜間距4.0 m，橋面有效寬度3.6 m，橋梁橫跨參魚河，橋下不通航，橋面底部高于既有河堤50 cm，最大洪水位參照上下游橋梁高程設(shè)計(jì)。根據(jù)橋位處地質(zhì)情況，橋梁下部采用樁基加承臺結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)承臺下部設(shè)計(jì)4 根樁基，樁基直徑1.5 m，鋼筋混凝土承臺厚度2.0 m，索塔通過承臺預(yù)埋螺栓與承臺連接。為達(dá)到較好的景觀效果，橋梁索塔采用鋼結(jié)構(gòu)，單個(gè)索塔由1 根前臂、2 根后臂、1 塊底板組成，前臂和后臂由Q390C 鋼板拼焊而成，鋼板厚度100 mm。主纜直接錨固與索塔中部，不設(shè)地錨，以免破壞明珠廣場的景觀效果。主纜上設(shè)置29 對吊桿，吊桿系統(tǒng)直接連接主纜和橋面橫梁。橋面用100mm 厚木板拼接而成，木板通過螺栓與橫梁連接。為防止橋面橫向振動，全橋設(shè)置了4 根風(fēng)纜，風(fēng)纜穿過橋面橫梁工字鋼的預(yù)留孔，兩端錨于橋臺承臺上。圖1為該橋效果圖。

2 設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)荷載：人群5 kN/m2

橋面布置：人行橋面凈寬3.6 m（不含欄桿）

橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：主結(jié)構(gòu)100 a（橋面木板 2 5 a）

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級：二級

3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）橋梁總體布置

該橋平面處于直線段內(nèi)，橋面無豎曲線，采用直線設(shè)置。主纜線形采用二次拋物線。索塔采用鋼結(jié)構(gòu)，索塔下部采用承臺和樁基礎(chǔ)。圖2為橋梁立面布置。

（2）上部結(jié)構(gòu)

該橋主纜采用成品鋼絲繩，每束主纜由8 根鋼絲繩組成。橋面采用木板拼接而成，木板通過螺栓與吊桿系統(tǒng)連接。圖3、圖4為橋梁橫斷面布置圖和索塔布置圖。

圖3 橋梁橫斷面布置圖（單位：cm）

圖4 橋梁索塔布置圖（單位：cm）

（3）下部結(jié)構(gòu)(見圖5、圖6）

該橋在河道兩側(cè)設(shè)置兩個(gè)索塔，索塔采用承臺樁基礎(chǔ)。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 基本資料

（1）設(shè)計(jì)荷載：人群荷載5.0 kN/m2。

（2）橋面凈寬：凈3.6 m。

（3）風(fēng)力：x 級，風(fēng)壓強(qiáng)度 0 .35 kN/m2。

（4）氣溫：橋梁建造區(qū)內(nèi)最高溫度t1=42℃；最低溫度t2=-4.1℃。

（5）規(guī)范：《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)，《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)，《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 025-1986)，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003），《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ D63-2007）。

圖5 索塔平面布置圖（單位：cm）

圖6 樁基承臺布置圖（單位：cm）

（6）主要材料：該橋主纜采用36-6X19W+1WR鋼絲繩，單根鋼絲繩直徑36 mm，抗拉強(qiáng)度1 870 MPa，單根鋼絲繩最小破壞拉力863 kN；索塔采用Q390C鋼材，索塔采用Q390C 低合金鋼螺栓與承臺錨固；橋面橫梁采用I20b 工字型鋼，吊桿采用φ25 粗鋼筋。

（7）橋型布置

主跨：L=80 m，垂高 f =7.0m，f/L=1/11.4

吊桿間距：2 m

主索中距：4 m

抗風(fēng)索：計(jì)算跨徑59 m

豎直夾角：14.3°

水平夾角 ： 20.4°

橋塔高度：15.05 m(承臺以上部分)，理論錨固點(diǎn)高9.05。

4.2 橋面系的計(jì)算

（1）計(jì)算資料

橋面系采用工字型鋼橫梁，木板縱梁，工字鋼之間設(shè)置三角形加勁肋。橫梁間距2 m，采用工20 b。

（2）橋面系橫截面布置

橫梁全橋共29 個(gè)工20 b，橫橋向布置18 塊木板，寬度3.6 m，欄桿寬0.1 m。縱梁為2 m 的簡支梁，因跨徑很小，此處不詳細(xì)計(jì)算。橫梁計(jì)算跨徑為4 m 的簡支梁。

（3）橋面系橫梁內(nèi)力計(jì)算

4.3 橫梁內(nèi)力計(jì)算

（1）橫梁截面幾何特征值

工字鋼工20 b 的慣性矩I=2 502 cm4，截面抗彎模量W=250.2 cm3。

（2）橫梁有效跨徑

橫梁跨徑l=4 m(吊桿間距)。

（3）作用于橫梁上的荷載計(jì)算

a.作用于橫梁上的恒載

工字鋼橫梁單位長度重力：g1=0.310 5 kN/m

橋面木板單位長度重力：g2=3.6 ×0.1 ×10=3.6 kN/m

加勁肋每延米重力：g3=0.34 kN/m

b.作用于橫梁上的活載

人群荷載作用下（每延米）：p=3.6×5=18 kN/m

（4）橫梁跨中彎矩計(jì)算

a.恒載及活載作用下橫梁跨中彎矩：M=gL2/8=（0.310 5 ×4+3.6 ×2+0.34 ×2）×42/8=18.244（kN ·m）

b.橫梁的截面應(yīng)力計(jì)算

c.橫梁跨中截面應(yīng)力：σ=M/W=18.244/250.2×1 000=72.9 MPa<[σ]=215 MPa，滿足要求。

4.4 主纜的計(jì)算

4.4.1 基本數(shù)據(jù)

主跨：L=80m，f=7.0 m

計(jì)算跨徑：L1=L=80 m

計(jì)算矢高：f1=f=7.0 m

計(jì)算矢跨比：n1=1/11.4

主索在橋塔頂傾角：tgφ=1/2.8

4.4.2 主纜內(nèi)力計(jì)算

（1）恒載計(jì)算（全橋）

橫梁：31.05 ×4.2 ×29=3 782（kg）=37.82（kN）橋面木板：3.6 ×59 ×0.1 ×1 000=21 440（kg）=

212.4 （kN）

欄桿：3 958 kg=39.58 kN

主索重力：6 659 kg=66.59 kN

吊桿重力：8 714 kg=87.14 kN

抗風(fēng)索：1 211 kg=12.11 kN

加勁肋：1 922 kg=19.22 kN

合計(jì)：∑g1=474.86 kN

單邊主纜恒載均布荷載：

g=g1/80/2=474.86/80/2=3.0（kN/m）。

（2）恒載作用下主索水平拉力

Hg=gL12/8/f1=3.0 ×80 ×80/8/7=342.9（kN）

（3）活載內(nèi)力計(jì)算（滿人荷載）

此處活載僅包括人群荷載，對專用人行橋梁，整體計(jì)算時(shí)人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11—2011)算得每平米活載為3.7 kN/m2，為安全起見，此處仍選取5.0 kN/m2計(jì)算。

人群荷載 (半橋橫向分布系數(shù)0.5)：p=（0.5×4 ×5.0 ×59）/80=7.375 kN/m

人群荷載作用下主索水平拉力：

Hp=pL12/8/f1=7.375 ×80 ×80/8/7=842.9（kN）

主索總水平拉力：Hg+Hp=342.9+842.9=1185.8（kN）

主索在索塔錨固處最大內(nèi)力：1 185.8/cos19.2°=1 255.6 kN

4.4.3 索的強(qiáng)度驗(yàn)算

該橋單邊采用8 根36-6 ×19W+1WR 鋼絲繩，單根鋼絲繩直徑36 mm，抗拉強(qiáng)度1 870 MPa，單根鋼絲繩最小破壞拉力863 kN。以主索最大內(nèi)力進(jìn)行驗(yàn)算。

安全系數(shù)：8×863/1 255.6=5.5>4(安全)

4.5 柔性懸索橋的擾度驗(yàn)算

（1）溫度及荷載作用下的主索撓度計(jì)算

a.溫度變化下的主索伸長△St=atS

安裝完畢時(shí)的溫度：t0=20℃

主索長度(主跨范圍)：S=79.271 m

溫度上升 △St=atS=0.020 9 m

溫度下降 △St=atS=－0.022 9 m

b.荷載作用下主索彈性伸長△Sε=σk/ES

單邊主纜鋼絲繩的斷面總面積：

F=8 ×0.001 017 87=0.008 143 m2

人群滿布時(shí)彈性伸長：

△Sεp=Hp/F/S[L+16f2/3/L]/ES=0.066 m

恒載作用時(shí)彈性伸長：

△Sεg=Hg/F/S[L+16f2/3/L]/ES=0.027 m

c.主索伸長引起跨中矢高f 的變化

由E.E.吉勃施曼所著《公路鋼橋》P229 公式可得：

△f=15△S/[16f/L[5-24(f/L)2]]=2.224 6 ×△S

溫度上升 △ f1=2.224 6×0.020 9=0.046 5 m

溫度下降△f2=2.224 6×(-0.022 9)=-0.050 9 m

活載作用時(shí) △ f3=2.224 6×0.066=0.146 8 m

恒載作用時(shí) △ f4=2.224 6×0.027=0.060 1 m

最不利情況：活載作用和升溫時(shí)△f主=0.146 8+0.046 5=0.193 3 m

該橋無邊跨，故△f邊=0。

（2）在荷載作用及溫度升高最不利情況下，主索及邊索跨中矢高變化值為:

△f=△f 主+△f邊=0.193 3+0=0.193 3 m

△f/L=1/413.9<1/150(安全)

4.6 抗風(fēng)索的計(jì)算

4.6.1 抗風(fēng)索的形式及主要尺寸

在距橋中心30 m 的兩橫梁除設(shè)置抗風(fēng)索，抗風(fēng)索平面與水平面成14.3°角，抗風(fēng)索與梁軸線豎直面成20.4°角。

4.6.2 抗風(fēng)索的設(shè)計(jì)

（1）抗風(fēng)索風(fēng)力計(jì)算

a.橫橋向迎風(fēng)面積約76.7 m2

b.風(fēng)壓強(qiáng)度

橋位處風(fēng)壓強(qiáng)度0.35 kN/m2，風(fēng)壓力w=0.35 ×76.7/59=0.455 kN/m2。

（2）抗風(fēng)索的設(shè)計(jì)

索的水平拉力 H=wL/2/sin20.4 °=0.455 ×59/2/0.348 6=38.504 kN

索的最大拉力 T =H/cos14.3°=38.504/0.969=39.735 kN

采用6 ×19W+IWRφ36 鋼芯鋼絲繩，破斷拉力為863 kN。

安全系數(shù)K=863/39.735=21.7

風(fēng)力為次要的可變荷載，對此已屬安全。

4.7 吊桿、索夾的計(jì)算

（1）基本數(shù)據(jù)

吊桿間距：d=2 m

設(shè)計(jì)荷載：局部計(jì)算時(shí)人群荷載按5 kN/m2考慮

（2）吊桿承受的恒載內(nèi)力

每對吊桿總重Rg=13.257 kN

（3）吊桿承受的活載內(nèi)力

人群荷載 R p=3.6 ×5 ×2=36 kN

（4）單根吊桿承受的恒、活載內(nèi)力 R =（Rg+Rp）/2=24.629kN

單根吊桿的設(shè)計(jì)抗拉力為80 kN，已要求在施工安裝前做吊桿系統(tǒng)抗拉試驗(yàn)，故吊桿的安全系數(shù)為K=80/24.629=3.25>2.0(安全)

4.8 索塔計(jì)算

（1）該橋采用鋼構(gòu)件索塔，詳細(xì)尺寸詳見設(shè)計(jì)圖。主纜直接錨固于索塔上，圖7為索塔受力簡圖。

圖7 索塔受力簡圖

由圖7可知，索塔前臂受軸向最大壓力為4 895 kN，單根后臂受最大拉力為1 525 kN。

（2）前臂抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算

前臂受壓最小截面積為0.106 1 m2，前臂所受壓應(yīng)力為：

б=4895/0.1061=46135.7kPa=46.1MPa<295MPa（滿足）

（3）后臂抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算

單根后臂受壓最小截面積為0.106 1m2，前臂所受壓應(yīng)力為：

б=1 525/0.106 1=14 373.2 kPa=14.4 MPa<295 MPa（滿足）

（4）索塔抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

偏于安全地考慮，假定主纜拉力的水平分力全部由錨固點(diǎn)以上焊縫傳遞給前臂，選取截面積最小的前后臂交界處驗(yàn)算抗剪強(qiáng)度，該處一根后臂承受的水平力為1 186 kN，該處截面積為0.106 1 m2。則該處剪應(yīng)力為：

τ=1 186/0.106 1=11 178.1 kPa=11.2 MPa<170 MPa(滿足)

（5）前后臂連接焊縫驗(yàn)算

偏于安全地考慮，假定主纜拉力的水平分力全部由錨固點(diǎn)以上焊縫傳遞給前臂，則焊縫承受的剪切力1 186 kN。焊縫長度為L=0.661 m，焊縫的計(jì)算厚度為he=75 mm=0.075 m，采用的是雙面焊。焊縫強(qiáng)度為：

Τf=1 186（/0.661-2 ×0.1）/0.075/2=171 511 kPa=172 MPa<220 MPa（滿足）

（6）前后臂與底板連接焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算

因?yàn)榍昂蟊叟c底板的接觸面積和焊縫長度遠(yuǎn)大于前后臂相互連接的接觸面積和焊縫長度，由以上4 點(diǎn)可推知：前后臂也底板的連接抗拉及抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于以上計(jì)算值，滿足要求，此處不詳細(xì)計(jì)算。

（7）索塔底板與承臺連接螺栓的抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

由以上計(jì)算得知：索塔受總水平拉力2 398 kN，水平力在底板底面作為剪切力由螺栓傳遞到承臺，每個(gè)橋臺處設(shè)置了68 顆φ50 螺栓，材質(zhì)為Q390C。由Q390C 鋼材的力學(xué)性能算得每顆螺栓的抗剪力設(shè)計(jì)值為200 kN。

螺栓的實(shí)際承受剪切力為：

τ=2 398/68=35.3 kN<200 kN(滿足)

（8）索塔底板與承臺連接螺栓的抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算

由以上計(jì)算得知：索塔單根后臂受拉力1 525 kN，該拉力由螺栓以抗拉力的形式傳遞到承臺，每個(gè)橋臺處設(shè)置了68 顆φ50 螺栓，材質(zhì)為Q390C。偏于安全地假定后臂的拉力有就近的10 顆螺栓承受，由Q390C 鋼材的力學(xué)性能算得每顆螺栓的抗拉力設(shè)計(jì)值為370 kN。

螺栓的實(shí)際承受拉力為：σ=1 525/10=152.5 kN<370 kN(滿足)

綜合以上各項(xiàng)計(jì)算得知：該橋各項(xiàng)驗(yàn)算滿足相關(guān)要求。

樁基采用橋梁通軟件設(shè)計(jì)，這里不再贅述。

5 結(jié)語

會東縣參魚河景觀人行吊橋，連接會東現(xiàn)場東西兩岸，結(jié)合體育場片區(qū)舊城改造工程，作為一個(gè)景觀工程，給城市增加一個(gè)亮點(diǎn)，同時(shí)給市民休閑提供一條便利通道。橋梁建成之后，提升了會東縣城城市品位，同時(shí)對開發(fā)攀西片區(qū)陽光旅游資源起到非常積極的作用。