山區人行懸索橋抗風穩定性技術措施

（浙江大學建筑設計研究有限公司，浙江 杭州 310027）

0 引言

隨著國家大力支持自然風景生態景區的開發，景區游線的擴展、優化及優化游客體驗顯得尤為重要，特別是提升景區體驗感的跨山橋梁的建設顯得更加迫切。由于景區地勢的獨特性，跨越景區山谷的橋梁大多采用跨越能力較強、施工簡便、對環境破壞小的柔性懸索橋，但是，柔性懸索橋由于其具有剛度較小、跨寬比較大等特點，對風荷載的作用非常敏感。因此，在橋梁的施工、設計等各階段就應采取技術措施來提高其抗風承載力及穩定性。目前，馬召宇研究了設置風纜對人行懸索橋抗風穩定性的影響，提出了風纜的提升使人行懸索橋在不同的張力下的抗風穩定性得到提高[1]。陳龍貴對柔性懸索橋的抗風性能進行了研究[2]。李麗娜針對懸索橋各構件減少風振影響進行了研究[3]。石凱對人行懸索橋的抗風穩定性進行了研究[4]。雷鳴對山區大跨懸索橋在非均勻風荷載作用下的靜風穩定性進行了研究[5]。

該文通過對山區人行懸索橋的特點及懸索橋風載響應特點的分析，結合某景區內的懸索橋工程，從橋梁各個構件角度出發，提出了一些實用的提高柔性懸索橋在風荷載作用下穩定性的技術措施。

1 山區人行懸索橋的特點

山區環境由于地勢條件復雜，在山區建設橋梁容易受到施工作業空間、施工機械、運輸條件、環境保護、跨越能力等因素的影響。因此，山區橋梁大部分需要采用柔性懸索橋。因為它具有跨越能力較大、施工作業空間較小、施工機械要求較低，同時對環境破壞較小、結構構件輕巧等優點。山區人行柔性懸索橋主要有4 個特點[1]。

1.1 垂跨比較小、拉索用量較大

為減少對周邊環境破壞，景區懸索橋往往不會設置對景區環境破壞較大的主塔，而僅設置錨碇進行拉索錨固。在兼顧行人行走舒適性和拉索受力合理的情況下，其垂跨比一般在2%～6%，并且其剛度受拉索的拉力影響較大。因此，為了保證人行懸索橋有足夠的剛度來抵抗風荷載，與設置主塔的懸索橋相比，在相同跨徑下，其拉索用量也較大。

1.2 荷載較小

山區人行懸索橋荷載較小的原因不僅體現在人群活荷載較小，更體現在懸索橋由于受施工、結構等影響，其構件大部分采用小型預制構件以便于運輸吊裝施工及結構受力，從而導致結構整體自重較小，進而使承重索在恒載作用下拉力較小，因此，其整體剛度較低。

1.3 跨寬比較大

人行懸索橋一般跨徑較大、寬度較窄、高度較低，即跨寬比較大且整體比較纖細，因此其橫向抗風穩定性、結構阻尼和自振頻率均較低，對抗風穩定性較為不利。

1.4 對活荷載較為敏感

由于人行懸索橋主要受力構件為承重索，而承重索為柔細構件，在活荷載作用下極易振動。特別是在風荷載的動力的作用下，產生的振動不僅影響行人的舒適性，而且影響結構設計的承載能力及穩定性，而山區峽谷區域往往是強風區域，因此，在山區區域，人行懸索橋的抗風承載能力及穩定性將是該類橋梁設計的控制性因素。

2 懸索橋風載響應特點

風對橋梁的作用可以分為靜力與動力2 種[3]。其中，靜力作用與其他活荷載類似，主要考慮的是由于風荷載直接作用而產生的效應以及在風荷載作用下引起的承載能力及穩定性問題。由于，靜風荷載主要垂直于作用面，因此，橋梁縱向斷面形式、桿件尺寸和作用面范圍直接影響靜力作用的大小。通過以往的橋梁事故分析，橋梁由于風荷載靜力作用而導致的破壞較少。

風對橋梁的動力作用則表現為顫振、渦振、馳振和抖振等動態反應。其中顫振和馳振現象是橋梁在風場作用下產生的發散振動[2]，它是由于橋梁本身振動而產生的，當風速持續增大，超過臨界值時，橋梁結構就會出現大位移變形，導致破壞。而渦振和抖振現象是橋梁在風場作用下產生的限幅振動[2]。限幅振動一般是在風速較小的情況下發生的，橋梁結構的振幅變化不是很大。

3 案例分析

3.1 項目概述

某風景區須建設一座連接2 個山峰的跨山景觀橋，山峰之間距離約為130 m，在綜合考慮經濟性、技術可行性、施工便利性、環境保護等特點的情況下，該橋結構形式采用了無加勁梁單跨柔性懸索橋體系，橋梁跨徑布置為1 m～133 m，總長為145 m（2 個錨碇錨固點之間的距離），設置3%的縱坡；橋梁橫斷面凈寬為3 m，兩側設置護欄和抗風穩定索，結構總寬為4 m，設計人群荷載3.5 kPa，橋面采用鋼格柵+塑木鋪裝組合形式。

該橋設2 根主纜，位于桁架底部，固定在桁架下橫梁下方，成橋時主纜垂直平面內的垂跨比為3.99/133=3/100。主纜截面由61 根直徑為15.24 mm 的環氧涂層鋼絞線組成。每根鋼絞線外包HDPE（高密度聚乙烯）套管，61 根鋼絞線組成六邊形，用索夾定型。主梁采用鋼桁架結構，桁架各桿件均采用鋼管，考慮到行人在橋上行駛時橋梁上下振動較大，因此各節段之間采用銷軸連接。

3.2 主要抗風技術措施

3.2.1 主梁采用空間桁架結構

與以往未設置主塔的柔性懸索橋采用簡單的縱橫梁布置或僅設置橫梁不同，該橋梁在設計時，主梁采用空間桁架結構，與主纜形成張弦式受力體系，結構斷面布置如圖1 所示。

該體系有4 個優點。1）采用桁架結構相對于簡單的縱橫梁布置或僅設置橫梁，由于其自重增加，使承重索拉力增大，橋梁結構剛度隨之增大，從而提高橋梁抗風的穩定性。2）空間桁架結構桿件截面尺寸較小、空間通透性良好，較小的受載面積降低了風荷載的靜力作用。更為重要的是，采用空間桁架結構由于其通透性良好，風荷載能夠自由流動，從而能夠有效地降低風荷載的動力作用，而風荷載的動力作用往往取決定了懸索橋的安全性、穩定性和舒適性。3）桁架結構剛度比縱橫梁結構大。對橋梁的整體剛度提高較為明顯，從而減小了橋梁在風荷載作用下的振動。4）由于承重索的垂度及線型可以通過桁架的高度來調整，因此，在保證承重索受力的情況下，橋面仍能保持水平，增強了行人行走舒適度，從而使該結構體系適用性更強。

3.2.2 承重索設置在桁架下方并與桁架下弦緊密連接

相對于將承重索通過吊桿設置在主梁上方，將承重索設置在主梁下方并緊密相連，可有效地降低承重索直接承受風荷載作用，并增強了兩側承重索的整體剛度。

3.2.3 桁架上弦兩側設置抗風穩定索

通過在桁架上弦兩側設置抗風穩定索是，可以保證空間桁架在橫向荷載（主要為橫向風荷載）作用下的側向整體穩定?？癸L穩定索采用4 根直徑為44 mm 的鋼絲繩，通過“U”形扣連接在鋼桁架的下橫梁上

3.2.4 采用護欄索增強抗風穩定性

護欄的設計也采用了對提高橋梁整體抗風能力非常有利的護欄形式。護欄采用帶φ12.7 mm 不銹鋼絲繩的簡易護欄，每側設置4 道鋼絲繩，鋼絲繩采用“U”形扣連接在護欄立柱上。

3.2.5 鋪裝采用透風性較好的鋼格柵+塑木鋪裝組合

采用透風性能較好的橋面鋼格柵+塑木鋪裝，將有利于風力在橋梁范圍內的自由流動，從而降低由于風荷載引起的振動。

4 結語

隨著國家政策對生態風景區開發的傾斜，山區人行懸索橋的建設勢必會越來越多，而其抗風穩定性是亟需解決的一個問題，需要在研發、設計、施工、管理等各方面進行研究，特別是對于相關的設計理論基礎和設計方法需要更加深入的研究。該文通過對某景區人行懸索橋的案例分析，從主體結構、附屬欄桿、橋面鋪裝、抗風穩定索的設計角度出發，闡述了該橋在解決抗風穩定性方面所采用的一些實用技術措施，對今后其他山區人行懸索橋有一定的借鑒作用。

圖1 橋梁結構斷面布置