會東縣參魚河景觀人行懸索橋設計

馮 江

（四川攀枝花規劃建筑設計研究院有限公司，四川攀枝花 617000）

1 工程概況

會東地處川滇兩省六縣（區）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 個民族，總人口40.73 萬人。會東縣屬中亞熱帶濕潤季風氣侯區，主要特點是日照時數多，多年平均日照數為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，冬暖無嚴寒，夏短無酷暑，四季如春，但晝夜溫差大。蒸發旺盛，雨量集中，干濕季分明，多年平均降水量1 058 mm，多出現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，地勢平坦，為提升城市品位，會東縣政府積極引進民營資本，進行舊城改造。保利創投有限公司獲得了體育場片區舊城改造項目，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東西兩側行人通過的重要交通樞紐，同時也是城市景觀亮點，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 的跨河車行橋將縣城兩岸緊密地結合起來。

該橋采用懸索結構，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計。根據橋位處地質情況，橋梁下部采用樁基加承臺結構形式，每個承臺下部設計4 根樁基，樁基直徑1.5 m，鋼筋混凝土承臺厚度2.0 m，索塔通過承臺預埋螺栓與承臺連接。為達到較好的景觀效果，橋梁索塔采用鋼結構，單個索塔由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，不設地錨，以免破壞明珠廣場的景觀效果。主纜上設置29 對吊桿，吊桿系統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，全橋設置了4 根風纜，風纜穿過橋面橫梁工字鋼的預留孔，兩端錨于橋臺承臺上。圖1為該橋效果圖。

2 設計技術標準

設計荷載：人群5 kN/m2

橋面布置：人行橋面凈寬3.6 m（不含欄桿）

橋梁結構的設計基準期：主結構100 a（橋面木板 2 5 a）

橋梁結構設計安全等級：二級

3 橋梁結構設計

（1）橋梁總體布置

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

（2）上部結構

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）下部結構(見圖5、圖6）

該橋在河道兩側設置兩個索塔，索塔采用承臺樁基礎。

4 結構計算

4.1 基本資料

（1）設計荷載：人群荷載5.0 kN/m2。

（2）橋面凈寬：凈3.6 m。

（3）風力：x 級，風壓強度 0 .35 kN/m2。

（4）氣溫：橋梁建造區內最高溫度t1=42℃；最低溫度t2=-4.1℃。

（5）規范：《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)，《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)，《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》(JTJ 025-1986)，《鋼結構設計規范》（GB 50017-2003），《公路橋涵地基與基礎設計規范》（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

抗風索：計算跨徑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)，理論錨固點高9.05。

4.2 橋面系的計算

（1）計算資料

橋面系采用工字型鋼橫梁，木板縱梁，工字鋼之間設置三角形加勁肋。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，此處不詳細計算。橫梁計算跨徑為4 m 的簡支梁。

（3）橋面系橫梁內力計算

4.3 橫梁內力計算

（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.橫梁的截面應力計算

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

4.4 主纜的計算

4.4.1 基本數據

主跨：L=80m，f=7.0 m

計算跨徑：L1=L=80 m

計算矢高：f1=f=7.0 m

計算矢跨比：n1=1/11.4

主索在橋塔頂傾角：tgφ=1/2.8

4.4.2 主纜內力計算

（1）恒載計算（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

抗風索：1 211 kg=12.11 kN

加勁肋：1 922 kg=19.22 kN

合計：∑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）活載內力計算（滿人荷載）

此處活載僅包括人群荷載，對專用人行橋梁，整體計算時人群荷載按《城市橋梁設計規范》(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計算。

人群荷載 (半橋橫向分布系數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力：1 185.8/cos19.2°=1 255.6 kN

4.4.3 索的強度驗算

該橋單邊采用8 根36-6 ×19W+1WR 鋼絲繩，單根鋼絲繩直徑36 mm，抗拉強度1 870 MPa，單根鋼絲繩最小破壞拉力863 kN。以主索最大內力進行驗算。

安全系數：8×863/1 255.6=5.5>4(安全)

4.5 柔性懸索橋的擾度驗算

（1）溫度及荷載作用下的主索撓度計算

a.溫度變化下的主索伸長△St=atS

安裝完畢時的溫度：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

人群滿布時彈性伸長：

△Sεp=Hp/F/S[L+16f2/3/L]/ES=0.066 m

恒載作用時彈性伸長：

△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 △ f3=2.224 6×0.066=0.146 8 m

恒載作用時 △ f4=2.224 6×0.027=0.060 1 m

最不利情況：活載作用和升溫時△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 抗風索的計算

4.6.1 抗風索的形式及主要尺寸

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

4.6.2 抗風索的設計

（1）抗風索風力計算

a.橫橋向迎風面積約76.7 m2

b.風壓強度

橋位處風壓強度0.35 kN/m2，風壓力w=0.35 ×76.7/59=0.455 kN/m2。

（2）抗風索的設計

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K=863/39.735=21.7

風力為次要的可變荷載，對此已屬安全。

4.7 吊桿、索夾的計算

（1）基本數據

吊桿間距：d=2 m

設計荷載：局部計算時人群荷載按5 kN/m2考慮

（2）吊桿承受的恒載內力

每對吊桿總重Rg=13.257 kN

（3）吊桿承受的活載內力

人群荷載 R p=3.6 ×5 ×2=36 kN

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

單根吊桿的設計抗拉力為80 kN，已要求在施工安裝前做吊桿系統抗拉試驗，故吊桿的安全系數為K=80/24.629=3.25>2.0(安全)

4.8 索塔計算

（1）該橋采用鋼構件索塔，詳細尺寸詳見設計圖。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）前臂抗壓強度驗算

前臂受壓最小截面積為0.106 1 m2，前臂所受壓應力為：

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

（3）后臂抗拉強度驗算

單根后臂受壓最小截面積為0.106 1m2，前臂所受壓應力為：

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

（4）索塔抗剪強度驗算

偏于安全地考慮，假定主纜拉力的水平分力全部由錨固點以上焊縫傳遞給前臂，選取截面積最小的前后臂交界處驗算抗剪強度，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，焊縫的計算厚度為he=75 mm=0.075 m，采用的是雙面焊。焊縫強度為：

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度驗算

因為前后臂與底板的接觸面積和焊縫長度遠大于前后臂相互連接的接觸面積和焊縫長度，由以上4 點可推知：前后臂也底板的連接抗拉及抗剪強度遠小于以上計算值，滿足要求，此處不詳細計算。

（7）索塔底板與承臺連接螺栓的抗剪強度驗算

由以上計算得知：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，每個橋臺處設置了68 顆φ50 螺栓，材質為Q390C。由Q390C 鋼材的力學性能算得每顆螺栓的抗剪力設計值為200 kN。

螺栓的實際承受剪切力為：

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度驗算

由以上計算得知：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，每個橋臺處設置了68 顆φ50 螺栓，材質為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 鋼材的力學性能算得每顆螺栓的抗拉力設計值為370 kN。

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

綜合以上各項計算得知：該橋各項驗算滿足相關要求。

樁基采用橋梁通軟件設計，這里不再贅述。

5 結語

會東縣參魚河景觀人行吊橋，連接會東現場東西兩岸，結合體育場片區舊城改造工程，作為一個景觀工程，給城市增加一個亮點，同時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，同時對開發攀西片區陽光旅游資源起到非常積極的作用。