貴州畢節白甫河人行索道橋力學性能分析

（中國葛洲壩集團第五工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

索道橋是以鋼絲繩或鋼絞線為主要受力構件，鋼橫梁及木板等作為局部受力構件的一種柔性懸索體系橋梁［1］。因其投資少、架設快、施工簡單及跨度大等優點，在西南山區應用較廣，主要用來作為公路、鐵路及水利等工程建設用的臨時通道。

然而，索道橋是一種典型的柔性結構，荷載通過時變形大，幾何非線性效應明顯，目前我國并沒有索道橋設計施工的規程規范［2］，現有文獻對其研究也較少，而對其結構形式相似的懸索橋研究較多［3-4］。在為數不多研究索道橋方面的文獻中［5-6］，大多都集中于車行索道橋研究，對寬跨比更小、結構更輕和幾何非線性效應更明顯的人行索道橋研究則更少。

本文以貴州省夾巖水利樞紐及黔西北供水工程北干渠3標臨建設施中的白甫河人行索道橋設計施工為例，通過對索道橋索梁組合的幾何非線性有限元分析，研究索道橋主索布置、橫梁間距及抗風索張力結構參數對索道橋力學性能的影響，為索道橋設計和施工提供技術參考。

1 工程概況

白甫河索道橋是為便于白甫河跨河拱橋施工而修建的臨時性橋梁。除方便兩岸施工人員通行外，索道橋更重要的作用是在其上布設混凝土泵管，泵送混凝土至白甫河對岸。白甫河索道橋設計凈跨徑為200 m，全橋共布置8根主索，其中橋面索6根，兩邊各設置1根穩定索。主索均采用Φ40鋼絲繩，繩股結構為6×19WS＋IWR，其標準強度為1 770 MPa。索道橋矢跨比為1/25，人行道凈寬1.8 m，橋面索與穩定索采用Q235空心方鋼橫梁進行連接，索道橋設計荷載為2.75 kN/m。

本文以該橋為工程背景，通過建立索道橋索梁組合的空間有限元模型，分別研究索道橋主索布置寬度、橫梁間距及抗風索張力結構參數對索道橋力學性能的影響，并以所得分析結果指導白甫河人行索道橋設計與施工。圖1和圖2分別為白甫河人行索道橋結構立面和橫斷面，主要由錨碇、承重索系統、連接調節構件、穩定結構和橋面系構件組成。

圖1 白甫河索道橋結構立面（單位：mm）

圖2 白甫河索道橋結構橫斷面（單位：mm）

2 索道橋非線性有限元分析

2.1 有限元模型建立

索道橋主要是由柔性鋼絲繩張拉而成，具有較強的幾何非線性。根據索道橋結構特點，同時考慮索和梁的共同作用，采用LINK10桿單元模擬主索和抗風索，BEAM189梁單元模擬鋼橫梁，在數值有限元軟件ANSYS中建立索道橋索梁結構有限元計算模型，由于橋面板和護欄不是主要受力構件，故未對其結構進行建模，僅將面板和護欄質量等效施加到主索中。LINK10桿單元使用只受拉選項時，如果單元受壓，剛度將會消失，非常適合用于模擬主索的張緊或松弛。BEAM189梁單元可用于非線性大應變細長梁結構分析，且可使用SECTYPE、SECDATA、SECOFFSET定義任何梁截面形狀。

索道橋的力學特性分析只有在確定其成橋狀態后才能進行，由于索是柔性的，索上任意一點上的彎矩為零，可以推導出懸索的水平拉力H與懸索橋跨中最大垂度f之間的關系式為

式中，Mmax為簡支梁的最大彎矩。

通過迭代法求得索道橋的成橋線形，具體實施過程如下：根據公式（1）可知，由索道橋成橋狀態下的矢跨比可以求得主索的水平張力，迭代法的原理是在索曲弦線位置創建索道橋初始幾何模型，采用索的實際材料性質和實常數，并設置很小的初應變，施加自重荷載及邊界條件后在ANSYS中對索道橋進行幾何非線性求解，逐步更新索道橋有限元模型，直到主索的水平張力與理論值近似相等即停止迭代，最后更新得到的有限元模型即為索道橋最后成橋狀態。通過迭代法求得索道橋成橋狀態有限元模型見圖3，圖4為索道橋局部放大圖。該有限元模型共1 928個節點和1 924個單元。

圖3 索道橋有限元模型

圖4 索道橋局部放大示意

2.2 計算邊界條件

除自重之外，白甫河索道橋主要還受到其上的混凝土泵管、混凝土和人重以及外部風荷載作用。其值大小分別如下。

（1）由于混凝土泵管被固定在索道橋橋寬正中間，不考慮混凝土及混凝土泵管偏載影響，計算時荷載值取0.6 kN/m，均布設在索道橋中央。

（2）在橋寬1.8 m范圍內，人群荷載都有可能發生，計算時考慮15人通行，且每人相距1 m處在索道橋最邊緣，每人自重75 kg。

（3）根據JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》［7］對風荷載計算規定，計算白甫河索道橋橫橋向受到的風荷載為27.22 kN，均布設在索道橋橋跨范圍內。

依據索道橋的實際受力情況，耦合鋼橫梁與主索搭接處平動自由度，主索與抗風索錨固端為完全固結，同時施加上述3種荷載條件進行索道橋力學特性研究分析。

3 結果分析

施加上述計算邊界條件，逐步改變主索布置寬度、橫梁間距及抗風索張力結構參數，對索道橋成橋狀態下的有限元模型進行結構非線性靜力計算，得到索道橋主索拉力、橫傾角、橫梁最大應力及最大位移力學參數，并將靜力計算結果導入模態分析中，采用子空間迭代法進行索道橋大變形預應力模態計算，獲得索道橋結構的自振頻率。圖5、圖6分別為主索分布寬度和橫梁間距為6 m、抗風索張力為10 kN時索道橋順橋向正立面位移云圖和索道橋一階振型圖。從位移圖可以看出，索道橋在荷載作用下發生1.07 m位移，由于風荷載及人員的不平衡荷載，索道橋有一個橫向傾角α，當橫傾角過大時，會引起整個索道橋發生橫向傾覆。從一階振型圖可以看出，索道橋振動頻率較低，大小為0.317 0 Hz，且最易發生側向振動。

圖5 索道橋順橋向正立面位移

圖6 索道橋一階振動

3.1 主索分布對索道橋力學性能影響

取索道橋上橫梁間距為6m，抗風索張力為10kN，依次對主索分布寬度為5，6 m和7 m進行索道橋空間有限元模型分析計算，計算結果如表1所示。

表1 主索分布寬度對索道橋力學性能影響

從表1可以看出，主索分布寬度對索道橋主索拉力沒有影響，對索道橋最大變形及一階頻率影響較小，對索道橋橫傾角和橫梁最大應力影響較大。主索分布越寬，索道橋橫傾角越小，但橫梁應力會逐漸增大。主索分布寬度由5 m增至7 m時，橫傾角由4.45°減至2.71°，橫梁最大應力卻由70.01 MPa變大到92.5 MPa。因此在索道橋結構設計時,應適當增大索道橋主索分布寬度,以提高索道橋的抗傾覆性；但主索分布寬度過大時,會導致索道橋橫梁結構尺寸變大，增大了索道橋結構自重。

3.2 橫梁間距對索道橋力學性能影響

取索道橋主索分布寬度為6 m，抗風索張力為10 kN，依次對橫梁間距為4，6 m和8 m進行索道橋空間有限元模型分析計算，計算結果如表2所示。

表2 橫梁間距對索道橋力學性能影響

從表2可以看出，橫梁間距對索道橋主索拉力沒有影響，對索道橋最大變形及一階頻率影響較小，對索道橋橫傾角和橫梁最大應力影響較大。橫梁間距越大，索道橋橫傾角和橫梁最大應力也就越大。橫梁間距由4 m增至6 m時，橫傾角由2.86°增到3.76°，橫梁最大應力也由58.9 MPa變為120.3 MPa。如果橫梁間距設置過小，會增加索道橋自重，不能充分發揮材料力學性能。在索道橋實際應用中，通過設置較大的鋼橫梁間距，在鋼橫梁間距之間再鋪設密度較小木棱條作為小橫梁，可提高索道橋橫向穩定性及減小橫梁應力。

3.3 抗風索張力對索道橋力學性能影響

取索道橋主索分布寬度為6 m，橫梁間距為6 m，依次對抗風索張力為5，10 kN及15 kN進行索道橋空間有限元模型分析計算，計算結果如表3所示。

表3 抗風索張力對索道橋力學性能影響

從表3可以看出，抗風索張力對索道橋主索拉力、橫梁最大應力及索道橋最大變形影響較小，對橫傾角和一階頻率影響較明顯。當抗風索張力由5 kN增到15 kN，橫傾角由3.51°減小至3.34°，一階頻率由0.295 8 Hz增到0.325 4 Hz。抗風索張力增大，索道橋橫傾角會減小，但減小幅度較小。抗風索張力增大會提高索道橋的一階振頻，增加索道橋結構剛度。

4 結論

本文采用幾何非線性有限元法，建立了索道橋整橋有限元模型，在給定的計算邊界條件下，分別從索道橋主索分布寬度、橫梁間距及抗風索張力結構3個參數對索道橋力學性能的影響進行了分析，結果表明：

（1）主索分布寬度對索道橋主索拉力沒有影響，對索道橋最大變形及一階頻率影響較小，對索道橋橫傾角和橫梁最大應力影響較大，主索分布越寬，索道橋抗傾覆性越好，橫梁應力也會較大。

（2）橫梁間距對索道橋主索拉力沒有影響，對索道橋最大變形及一階頻率影響較小，對索道橋橫傾角和橫梁最大應力影響較大，橫梁間距越小，索道橋抗傾覆性越好，橫梁應力也較小。

（3）抗風索張力對索道橋主索拉力、橫梁最大應力及索道橋最大變形影響較小，對橫傾角和一階頻率影響較明顯，抗風索張力越大，索道橋抗傾覆性越好，一階振頻也會隨之提高。