淺析人行吊橋技術

劉 彪

(成都市交通規(guī)劃勘察設計院, 四川成都 610000)

1 人行吊橋技術淺析

1.1 概述

人行吊橋是人類社會發(fā)展的產(chǎn)物，都江堰的竹索橋和西藏墨脫的藤索橋是早期的人行吊橋。以后發(fā)展成為鐵鏈索橋，聞名的瀘定鐵鏈索橋就是典型的代表。近代發(fā)展為鋼絲繩纜索人行吊橋，且已得到廣泛使用。

現(xiàn)代公路、鐵路吊橋，是人行吊橋的繼承和發(fā)展，其結(jié)構形式、規(guī)模、跨徑和使用的材料都已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。然而專供人行的吊橋卻用得較少，其多為旅游景區(qū)作為景點和娛樂在使用，比如湖南省張家界的玻璃人行吊橋。城鎮(zhèn)大多數(shù)都與河流相伴而發(fā)展，城鎮(zhèn)河流常作景觀開發(fā)，再加上人們都喜愛與水為伴居住、休閑和娛樂，因此隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，僅僅依靠幾座跨河車行兼人行橋梁已難以滿足行人往來河流兩岸的需求；同時從河流景觀開發(fā)考慮，有必要在城鎮(zhèn)河流上修建美觀的橋型，因此人行吊橋迎來了發(fā)展的機遇。因為人行吊橋跨徑變化靈活、技術簡單、造價較低、造型美觀，適合在城鎮(zhèn)河流上大量修建，既解決了行人往來河流兩岸的需求，又提升了河流景觀。

1.2 問題及改進措施

人行吊橋的安全主要是主纜索安全，關鍵是要保證索鋼絲受力均勻。一般主纜索采用鋼絲繩是圖簡便和帶油防護，鋼絲繩紐絞繞制則非彈性變形非常明顯，施工架設無法保證受力平衡和均勻，采用3倍安全系數(shù)也難保證安全。鋼絲繩的鋼絲直徑很細，容易銹蝕，防護麻煩。故主纜索并不適合使用鋼絲繩，有必要作技術改進，應采用預應力平行鋼絲或鋼絞線。

人行吊橋塔架和錨碇，也宜于作技術改進，以方便施工和經(jīng)濟合理。橋面是主要結(jié)構，以前因為資金緊張的橋面結(jié)構簡單和柔性，結(jié)構穩(wěn)定性差，活載作用變形撓度大，安全性能差，不耐久和養(yǎng)護麻煩；現(xiàn)在經(jīng)濟和物質(zhì)條件好，橋面結(jié)構設計應該作現(xiàn)代化改進，適當利用自重作重力剛度，加強結(jié)構整體性和穩(wěn)定性，減小變形撓度，使之安全耐久。人行吊橋的抗風穩(wěn)定很重要，主要是風引起反對稱扭轉(zhuǎn)振動的危害最大，可采用設加勁梁、桁架或空間抗風索解決。

2 設計改進

2.1 主纜索

2.1.1 纜索材料

主纜索關鍵問題是必須解決鋼絲高強度和受力均勻，這是保證吊橋安全成功的核心技術。預應力鋼絲強度很高，可采用預應力平行φ5鋼絲或7φ5鋼絞線。而平行鋼絲制索比較麻煩，鋼絞線制索相對簡單，因此現(xiàn)在預應力中的鋼絲已經(jīng)被鋼絞線所取代。同時鋼絲繩和平行鋼絲需要作錨頭才便于調(diào)節(jié)長度和錨固，而鋼絞線可以直接移植采用預應力夾片錨具錨固，張拉調(diào)整也很簡便。故改用預應力鋼絞線作主纜索，更簡單實用和技術先進。

2.1.2 制索安裝

主纜索采用鋼絞線，制索、架設、安裝簡單方便。鋼絞線便于多根平行制束架設，以7根排列為佳，采用尼龍扎帶捆扎固定很簡便。先按成橋設計線形，計算一根基準鋼絞線長度。再按設計荷載計算索力，分中段懸索和邊段拉索分別計算彈性延伸長度，按成橋設計線形長度作分段丈量總和，扣除分段彈性延伸長度，即為架設線形長度，在懸索跨中、塔架索鞍、錨碇錨頭位置作明顯標志控制基準束。先架設控制基準束，以控制基準束為標準牽引架設其余索束，分次作制索排列、張拉、錨固，用尼龍扎帶捆扎定型成索，完成主纜索安裝。鋼絞線纜索應用如圖1所示。

圖1 鋼絞線纜索應用

2.1.3 纜索防護

人行吊橋主纜索采用鋼絞線作主纜索，可以采用鍍鋅或涂環(huán)氧樹酯防護，再加外防護作保護。環(huán)氧樹酯可和煤焦油混合，能發(fā)生化學反應，作改善型環(huán)氧樹酯，其性能和價格具有很大的優(yōu)勢。環(huán)氧樹酯和煤焦油按重量比100:150配合，得到強度高、粘性好、韌性好、防水防潮好的性能。因為煤焦油價格低，煤焦油可與固化劑混合在一起作為兩組份膠粘劑，使環(huán)氧樹酯使用價格大為降低。故環(huán)氧樹酯加煤焦油作聚合物涂料使用，很適合用于鋼絞線防護。環(huán)氧樹酯在常溫下的固化時間為兩天，鋼絞線用涂料處理后需要在外表面包纏絨布保持均勻，再包纏塑布防粘結(jié)和固化，使防護處理操作方便，可在工廠或施工現(xiàn)場制作。聚合物環(huán)氧樹酯是有機物，受紫外線照射要發(fā)生老化，故主纜索需要采用外包不銹鋼板作防護。主纜索外再涂SBS改性瀝青防水涂料，作加強防水處理后，再外加不銹鋼板組合套管防護，使纜索防護科學、簡便和耐久。只有不銹鋼板是理想的耐久防護材料，也起景觀裝飾作用。不銹鋼板加工成波形接頭，方便形成閉合防護套管，并使用不銹鋼喉箍固定。鋼絞線主纜索防護如圖2所示。

圖2 鋼絞線主纜索防護

2.2 索鞍

采用鋼絲繩作主纜索的索鞍小，而鋼絞線作主纜的索鞍比較大。因為鋼絞線的直徑大，索鞍的彎曲半徑應為R=457 cm，以減小鋼絞線彎曲產(chǎn)生的應力折減。故索鞍適宜作成扇形，可采用鋼—混組和結(jié)構，配合鋼管混凝土輥子使用，作法也簡單。

2.3 索夾

索夾與鋼絲繩纜索人行吊橋類同。

2.4 吊桿

吊桿宜采用圓鋼制作，耐久性好，油漆防護和養(yǎng)護很簡便。

2.5 塔架

塔架一般都設置在河岸上，基礎處理簡便。塔架一般都采用鋼筋混凝土，也可采用鋼管混凝土桁架形式，施工也簡便，鋼管適宜采用鋼絲網(wǎng)+玻纖網(wǎng)水泥砂漿薄殼作耐久防護。

2.6 錨碇

錨碇的安全穩(wěn)定特別重要，一般為重力式圬工結(jié)構，是依靠摩擦力來獲得平衡穩(wěn)定，計算簡單明確。也可采用箱形壓重加預應力抗滑樁作組合錨碇，錨碇和地基穩(wěn)定作組合模擬建模計算。基巖內(nèi)部的裂紋情況很復雜，作隧道和錨桿錨固使用時，需要偏安全使用。

鋼絞線是采用預應力錨具作錨固，先在錨碇體的鋼筋混凝土中預埋管道，應注意預防錨下集中力導致的混凝土開裂，應加強分散配筋。主纜索鋼絞線是分束架設和錨固，錨固拉力特點是由小逐漸變大，故錨頭需要加設螺栓和壓板預防松錨失效，錨后的張拉鋼絞線端頭作壓花處理埋入封錨混凝土中，形成復合錨固，保證絕對安全。

2.7 橋面系

人行吊橋的橋面寬度一般為2或3 m，結(jié)構比較簡單，多為鋼、木結(jié)構，鋼筋混凝土橋面板用得少。鋼、木結(jié)構橋面輕，施工簡單，平衡、穩(wěn)定、銹蝕和耐久性差。對橋面結(jié)構應該作現(xiàn)代化改進設計?？刹捎眯弯摽v、橫梁和鋼板焊接組合的正交異性板作為橋面板，該橋面板自重輕，加強了橋面的抗扭和整體穩(wěn)定性。同時借鑒房物建筑上的鋼—混組合樓面板結(jié)構技術，也可用于人行吊橋橋面板使用；采用購買機械加工壓型鍍鋅樓面鋼板作底板，縱、橫方向置放都可承載；鋼板上再布設鋼筋網(wǎng)澆筑混凝土形成；該方法施工快速簡便，橋面板的整體性能很好，養(yǎng)護簡便。壓型鍍鋅樓面鋼板如圖3所示。

圖3 壓型鍍鋅樓面鋼板

2.8 欄桿

欄桿的安全作用很重要，采用焊接型鋼立柱。扶手采用鋼管、鍍鋅鋼管或不銹鋼管制作，并采用購買現(xiàn)成的鋼絲格柵隔離焊網(wǎng)，作護欄使用很簡便。

2.9 抗風

人行吊橋橋面寬度窄，橫向穩(wěn)定性很差。橋面自重輕，變形大。橋面受風的影響變形大，故抗風穩(wěn)定很重要。一般人行吊橋抗風穩(wěn)定，都采用橫向兩側(cè)設空間曲線網(wǎng)狀拉索作抗風穩(wěn)定。橋面自重輕時，風的振動慣性力影響較小，橫向抗風拉索也能夠起到消能穩(wěn)定作用。采用橫向兩側(cè)設空間曲線網(wǎng)狀拉索抗風的受力作用復雜，不便明確計算。因此可改作橫向兩側(cè)設直線斜拉索作抗風穩(wěn)定，受力直接明確，便于架設和調(diào)整控制。

橋面受風引起的反對稱扭轉(zhuǎn)振動影響危害性最大，橋面容易被搖擺扭轉(zhuǎn)振動撕爛破壞。預防橋面搖擺扭轉(zhuǎn)振動破壞的有效措施是在橋面系設加勁梁或桁架。設加勁梁結(jié)構簡單，開式加勁桁架設在橋面上，加橫向斜撐兼作安全護欄，很適合長橋使用；在塔架頂向橋面設斜向拉纜，斜拉索是直索，能夠直接限制搖擺扭轉(zhuǎn)振動發(fā)生；加強了橋面板整體性，可以加大結(jié)構抗扭剛度。具體橋梁跨徑不同，應結(jié)合實際地形、氣象特點，采用綜合型加強抗風措施。抗風索的防護麻煩，適宜采用電力、電訊使用的鍍鋅鋼絞線。

2.10 景觀

人行吊橋的外形景觀作用明顯，尤其是夜晚的照明燈光，主纜索上宜加設彩燈裝飾。

3 設計計算

人行吊橋承受的是密度小的分散荷載，可簡化為均布荷載計算。吊橋是柔索承載，懸索線型為二次拋物線型，內(nèi)力由曲線垂度F確定。二次拋物線的內(nèi)力計算：跨中最大水平拉力為H=(QL2)/(8F)，斜向拉纜最大拉力為F=H/COSθ。人群荷載為q=3.5 kN/m2(詳見JTG D60-2015 第4.3.6條)，按橋?qū)挐M布取70 %計算活載拉力，可保證結(jié)構安全。人行吊橋也可利用結(jié)構的對稱性，采用半個橋作有限元組合模擬建模，主纜索鋼絞線采用4E名義彈模作應力剛化處理，作人群動態(tài)變化的模擬建模計算?？勺靼濉旖M合模擬建模，計算橋面板、加勁桁架和風纜的抗扭作用。

主纜索拉力H=(QL2)/(8F)受曲線垂跨比(F/L2)的影響大，受跨徑L2影響最大，受橋面單位重量Q影響亦大，垂度F影響可靈活調(diào)節(jié)拉力大小。對于橋梁已定的跨徑，對主纜索拉力宜作選擇。大跨徑宜加大垂度F，采用垂跨比F/L為1/(9～11)(詳見JTG/T D65-05-2015第5.2.4條)。較小跨徑宜減小垂度F，采用垂跨比F/L為1/(11～15)。橋面單位重量Q影響主纜索拉力，主纜索是柔索承載，拉力大的活載變形撓度小，反之拉力小的活載變形撓度大，俗稱橋面單位重量Q的作用為重力結(jié)構剛度。所以人行吊橋因為橋面單位重量Q小，宜選擇采用較小的垂跨比F/L為1/(11～15)，有意加大拉索力的重力結(jié)構剛度作用，可減小塔架高度和減小活載變形撓度。

4 結(jié)束語

人行吊橋是先進的力學結(jié)構形式，但是存在不安全和臨時性問題，影響到使用和發(fā)展。對主纜索和橋面的主要結(jié)構，作材料和防護改進，使其先進合理、穩(wěn)定安全、經(jīng)濟耐久、環(huán)保實用。在新的建設發(fā)展時期，可以促進人行吊橋技術的更新發(fā)展使用，以滿足社會發(fā)展的需要。