中跨豎向雙纜自錨式懸索橋主纜線形設(shè)計(jì)

（上海林同炎李國(guó)豪土建工程咨詢有限公司，上海 200437）

1 概述

在城市橋梁設(shè)計(jì)中，橋梁跨越的被交道路及河道往往不會(huì)很寬，這給自錨式懸索橋這種懸索橋亞分支提供了廣闊的應(yīng)用前景。自錨式懸索橋以其秀美的外形、合理的使用跨度在城市景觀橋梁中屢見不鮮，并迅速成為城市地標(biāo)建筑，構(gòu)筑靚麗風(fēng)景線。自錨式懸索橋無(wú)論是平面纜型還是空間纜型，在豎向范圍內(nèi)通常僅設(shè)置一根主纜并通長(zhǎng)布置。

隨著社會(huì)的發(fā)展，部分懸索橋需考慮高空觀景功能等特殊需求，主纜在邊中跨并非通長(zhǎng)布置，中跨主纜需分纜布設(shè)。通過(guò)筆者的不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)外部分橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，在受力主纜上加設(shè)了裝飾性主纜，在邊中跨亦為通長(zhǎng)布置。因此，結(jié)構(gòu)性豎向雙主纜的設(shè)計(jì)在目前國(guó)內(nèi)外的懸索橋設(shè)計(jì)中并不常見。故本文嘗試以國(guó)內(nèi)某地實(shí)際工程為例，結(jié)合特殊景觀自錨式懸索橋雙主纜情況，從受力合理性和經(jīng)濟(jì)性上推導(dǎo)此種情況主纜線形設(shè)計(jì)方法及主索鞍的設(shè)計(jì)。

2 豎向雙主纜工程案例

國(guó)內(nèi)某橋?yàn)槌鞘械貥?biāo)性景觀橋梁，要求具備“高空觀景”“橋塔連接”等功能。設(shè)計(jì)方案采用塔樓一體化的自錨式懸索橋方案，橋塔采用仿古閣樓式建筑外觀，具備游人登高賞景觀光功能；同時(shí)，在兩座橋塔間設(shè)置了人行橋，滿足橋塔間行人溝通聯(lián)系需求，避免游人繞行橋面系。方案效果圖詳見圖2。

圖2 某大橋方案效果圖

人行橋跨徑與橋梁主跨相同，中間無(wú)法設(shè)置其他輔助承重受力構(gòu)件，因此采用吊橋形式，通過(guò)纜索承擔(dān)人行橋恒載與活載。人行吊橋主纜與主體橋梁主纜在橋塔索鞍處合并，形成了中跨豎向雙纜的特殊布置情況。

主橋采用自錨式懸索橋，跨徑布置為94+188+94m，橋?qū)?0.5m，主梁采用混凝土P-K 梁。吊索橫向間距29m，縱向標(biāo)準(zhǔn)間距6m。

頂層設(shè)觀景人行吊橋，橋梁跨徑188m。橋梁采用兩道主索承載鋼橫梁，橫梁上安裝縱向鋼箱梁結(jié)構(gòu)，形成縱橫梁體系結(jié)構(gòu)。為保證橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，索橋兩側(cè)設(shè)置2 道抗風(fēng)穩(wěn)定索。全橋設(shè)置9 道橫向聯(lián)系用橫梁，為鋼結(jié)構(gòu)焊接工字型斷面形式，橫梁長(zhǎng)30m，高1.5m，兩側(cè)設(shè)主纜吊點(diǎn)，吊點(diǎn)間距離29m。縱梁為鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

3 豎向雙主纜線形設(shè)計(jì)方法

3.1 計(jì)算假定

主纜是自錨式懸索橋的關(guān)鍵承重構(gòu)件，主纜線形直接影響了整個(gè)懸索橋的受力分配和結(jié)構(gòu)變形。主纜體系的計(jì)算分析是懸索橋體系中結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，主纜系統(tǒng)在成橋狀態(tài)的線形、受力狀態(tài)直接決定了全橋的受力合理性，主纜線形的合適度也影響了橋面線形和橋梁外觀[1]。只有明確了主纜的分析成果，才能繼續(xù)其余構(gòu)件的計(jì)算。本文在主纜的分析計(jì)算過(guò)程中,采用下列4 條假定[1][2]:

（1）主纜材料為線彈性材料，符合虎克定律。

（2）主纜是理想柔性的，不能受壓也不能抗彎，只能承受拉力，截面抗彎剛度對(duì)纜形的影響忽略不計(jì)。

（3）主纜受力前后截面特性不改變，泊松效應(yīng)忽略不計(jì)。

（4）恒載狀態(tài)下橋塔基本無(wú)彎曲內(nèi)力。

3.2 理論設(shè)計(jì)方法

在本工程中，由于涉及到邊跨主纜、中跨主纜、中跨人行橋主纜，需分步逐步推導(dǎo)計(jì)算，確定三個(gè)主纜線形，具體流程如下。

①：擬定人行吊橋縱橫梁構(gòu)造，明確人行吊橋恒載分布g。根據(jù)景觀美學(xué)比例確定人行橋的中跨矢高h(yuǎn)。

人行吊橋恒載近乎沿主纜均布荷載，其主纜呈懸鏈線，主纜端部水平力可由下式確定[1]。

首先將微段將沿索長(zhǎng)均勻布置的荷載轉(zhuǎn)化為沿跨度方向的等效均布荷載，

②：擬定主橋橋梁主梁構(gòu)造，明確主橋中跨恒載分布及吊桿布置，可求得節(jié)段內(nèi)恒載吊桿力。

根據(jù)景觀美學(xué)比例、最短吊桿長(zhǎng)度等確定主橋中跨矢高f。

根據(jù)吊桿集中力荷載作用下的主纜示意，在已知吊桿力及纜索自重情況下，對(duì)中跨跨中彎矩平衡條件 0M=∑ 可得主橋中跨主纜水平力Tx。再由分段懸鏈線法可得主纜線形，在此不再贅述。

③：綜合步驟①所得水平力H 與步驟②的水平力Tx，確定邊跨主纜水平力W=H+Tx。

根據(jù)明確的主纜水平力，結(jié)合邊跨主索鞍和散索套位置邊界條件，結(jié)合分段懸鏈線法明確邊跨主纜線形。

④：根據(jù)前三步驟確定的主纜線形，詳細(xì)計(jì)算各主纜的安全系數(shù)、索鞍內(nèi)主纜抗滑移安全系數(shù)。

根據(jù)初步平衡的橋塔左右側(cè)主纜水平力，建立全橋有限元模型，計(jì)算主纜在主要恒活載作用下的最大主纜力。

保證橋塔左右三根主纜抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)在不小于2.5 情況下，應(yīng)使主纜各個(gè)斷面具有相同的設(shè)計(jì)安全系數(shù)。通過(guò)設(shè)置橋塔左右主纜的安全系數(shù)基本一致，提高左右側(cè)主纜經(jīng)濟(jì)性。

在安全系數(shù)一致情況下合理布置主纜索股數(shù)，力求邊跨主纜索股數(shù)量N1等于中跨索股數(shù)量N2 與人行橋索股數(shù)量N3 之和，即滿足N1=N2+N3，方便主纜編束與施工。

明確各主纜索股數(shù)量后，按要求驗(yàn)算主索鞍鞍槽內(nèi)主纜抗滑安全系數(shù)，并保證主索鞍設(shè)計(jì)尺寸符合常規(guī)構(gòu)造及施工要求。

⑤：如在設(shè)計(jì)過(guò)程中不滿足步驟④的驗(yàn)算條件，可對(duì)各跨主纜矢跨比進(jìn)行微調(diào)，逐步逼近最佳設(shè)計(jì)值。

4 雙主纜線型設(shè)計(jì)案例

根據(jù)以上方法，對(duì)雙層主纜布置的某景觀懸索橋結(jié)合有限元程序進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算采用通用有限元程序Midas，并依據(jù)自編小程序?qū)€形進(jìn)行校核。

①根據(jù)頂層人行橋構(gòu)造和恒載布置，計(jì)算獲得頂層人行吊橋主纜線形，記錄其主纜水平分力。

頂層人行吊橋主纜線形為拋物線，跨徑為177.79m，矢高為11.853m，矢跨比1/15，其半跨線形數(shù)據(jù)如表1所示（主跨跨中車行道橋面處為坐標(biāo)原點(diǎn)，大里程方向?yàn)閄 正值，豎向向上為Z 正值，下同）。

表1 頂層人行橋半跨主纜線形

②根據(jù)主橋中跨構(gòu)造和恒載布置，計(jì)算獲得中跨主纜線形，記錄其主纜水平分力。

中跨主橋主纜線形為懸鏈線，跨徑為188m，矢高為53.714m，矢跨比1/3.5，其半跨線形數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 主橋中跨半跨主纜線形

③根據(jù)前述①和②中的水平力，可得主橋邊跨主纜水平分力，合理調(diào)整邊跨部分區(qū)段恒載布置，計(jì)算獲得邊跨主纜線形。

邊跨主橋主纜線形為懸鏈線，跨徑為87m，矢高為8m，矢跨比1/10.9，其線形數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 主橋邊跨主纜線形

④合并以上多個(gè)線形分析子程序?yàn)橐粋€(gè)完整模型，校驗(yàn)結(jié)構(gòu)及恒載布置，對(duì)主纜線形及全橋構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。

圖7 全橋線形分析模型

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，邊跨主纜31 股169 絲+7 股127 絲φ5 毫米鍍鋅鋁鋼絲組成；中跨主纜由31 股169 絲組成；人行橋主纜由7 股127 絲組成。纜索索股組成達(dá)到了平衡，不需額外索股；三根纜索均在滿足受力合理性的基礎(chǔ)上達(dá)到了線形的景觀協(xié)調(diào)。

5 主索鞍構(gòu)造

主索鞍鞍座是支撐主纜的關(guān)鍵構(gòu)件，主纜線形對(duì)鞍座設(shè)計(jì)的幾何尺寸和構(gòu)造都會(huì)產(chǎn)生重大影響。鞍座內(nèi)的承纜槽弧形面使主纜達(dá)到平順過(guò)渡的目的，并形成懸索橋特有的簡(jiǎn)潔、柔韌和優(yōu)美的主纜線形。鞍座的設(shè)計(jì)首先需滿足受力要求，鞍座需具備足夠的強(qiáng)度和剛度；其次鞍座需滿足幾何線形的要求，盡可能減少主纜索股由于彎折產(chǎn)生的次應(yīng)力。

對(duì)于中跨豎向雙纜布置的特殊情況，鞍座既要滿足常規(guī)主索鞍的構(gòu)造需求，保證通長(zhǎng)布置主纜平順過(guò)渡；此外，還需滿足上層人行橋主纜索股轉(zhuǎn)向過(guò)渡的要求。為滿足需求，設(shè)計(jì)在構(gòu)造細(xì)節(jié)上創(chuàng)新采用了轉(zhuǎn)向裝置，如圖8所示。

圖8 豎向雙纜布置的主索鞍構(gòu)造

轉(zhuǎn)向裝置通過(guò)在鞍座底板上加設(shè)水平向隔板及其加勁板，并在隔板間設(shè)置類似承纜槽拉桿螺栓的固定拉桿裝置，保證能有效抵抗主纜索股轉(zhuǎn)向的徑向力，實(shí)現(xiàn)人行橋主纜的過(guò)渡。

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合某景觀自錨式懸索橋豎向雙主纜的工程實(shí)際情況，在保證主纜設(shè)計(jì)的安全一致性、經(jīng)濟(jì)適用性和構(gòu)造合理性情況下，給出了單側(cè)結(jié)構(gòu)性雙主纜的設(shè)計(jì)方法。并結(jié)合某大橋?qū)嶋H工程，進(jìn)行了詳細(xì)的分析并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了同類型橋梁的主索鞍構(gòu)造。填補(bǔ)了現(xiàn)有工程的空白點(diǎn)，供同類型項(xiàng)目進(jìn)行參考。