人行懸索橋設計及計算分析

陳芙蓉

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

水利樞紐工程庫區蓄水后，會淹沒該地區原有道路，影響當地百姓出行，為跨越庫區解決交通不便的問題，需要修建人行橋。拱式橋對地形條件的要求比較嚴苛，梁式橋的橋墩需要在深水中打樁施工，工藝復雜、造價較高[1]。懸索橋跨越能力大、造型美觀，主跨采用鋼構件，重量輕、抗彎能力強，且施工和后期維護較為方便，主要承重結構由架設在橋塔上的纜索承擔，在豎向荷載作用下，通過吊索承受巨大拉力，充分利用了鋼絲繩抗拉強度大的優良特性，形成受力明確的結構體系，不需要很高的索塔，便可以修建跨度較大的橋梁[2- 4]。所以與其他橋梁型式相比，選擇人行懸索橋是比較經濟合理的方案。考慮到本工程人行懸索橋的具體情況，充分研究施工條件和設計要求，綜合研判選定最終整體方案和技術指標，運用有限元分析方法，對結構體系進行全面的分析和研究，使設計的人行懸索橋受力性能優良、施工方便、經濟安全。本文將結構規格、材料品種選擇的有利經驗提供給同地區人行懸索橋設計從業者，為該地區脫貧攻堅、扶貧項目提供技術支撐。

1 工程概況

阿爾塔什人行懸索橋是阿爾塔什水利樞紐工程建成后，對淹沒區域中的麥孜蓋牧場的交通恢復工程。該橋左岸連接阿爾塔什水利樞紐工程庫周恢復道路，右岸通過牧道與現有牧場(6萬畝) 相接。工程位于葉爾羌河中游峽谷河段上，河谷呈“V”型谷，河流流向近東西向發育，河床高程1745～1750m，河谷底寬100～200m，河谷兩側山體雄厚，山頂高程通常2500～3000m不等，相對高度600～1000m。根據地形、地層及構造特征為峽谷形庫盤。庫區兩岸大部分為裸露的基巖，主要由元古界和古生界的地層構成，巖層穩定，巖性以石英巖、礫巖、片巖、板巖、灰巖、花崗巖及片麻巖為主，巖層產狀310°～355°SW∠40°～70°，走向與河谷走向夾角30°～55°。庫區主要構造線與河谷斜交，除米亞斷裂為區域性活動斷裂外，其余斷層規模均不大。橋址區岸坡整體穩定，局部岸坡較陡處分布少量卸荷巖體。橋址處河底高程約在1746m左右，后期水面高程將因蓄水上升到1820m(正常蓄水位)。

2 總體布置

該橋設計荷載采用人群荷載，橋面寬度1.8m，初始方案擬定為單跨兩鉸懸索橋，跨度為320m，主跨矢跨比為1/15，矢高21.333m，左岸背纜水平跨距44.402m，右岸背纜水平跨距17.413m。主梁豎曲線設置值為R=14000m，跨中處路冠高程1834.554m。橋型立面布置圖如圖1所示。

圖1 橋型立面布置圖(單位：mm)

2.1 主纜

懸索橋主要承重結構由架設在橋塔上的纜索承擔，主纜通常由鍍鋅高強鋼絲制成的平行鋼絲束、鋼絲繩、鋼絞線制作，由于平行鋼絲束彈性模量大、不需預拉、抗腐蝕性好、空隙率低，所以現代懸索橋多采用這種形式[5- 6]。

全橋設置兩根間距為1.85m的纜索，線型為二次拋物線，另將61絲Φ5.1mm鍍鋅高強鋼絲組成一股平行鋼絲成品索，主纜由7股合制而成，纜索標準強度為1670MPa，彈性模量為2.0×105MPa。索夾處空隙率值為18%，索夾外該值為20%。主纜錨固體系選用冷鑄錨型式，錨頭鍛造方式為現場加工，主纜在散索鞍后以輻射狀展開后分別錨固在加勁梁的端錨梁上。

2.2 吊索及索夾

吊索是傳遞橋面活載和加勁梁恒載的主要桿件，全橋吊索共159對，采用豎直布置方式，吊索間距2.0m，采用24-6×19S+IWR鋼絲繩(234kg/100m)，鋼絲繩最小破斷拉力363kN。吊索外包PE進行防護，兩端均采用冷鑄錨，上端通過叉形耳板與索夾連接，下端通過叉形耳板與加勁梁吊點耳板連接。

索夾由兩個鑄鋼半圓部件組成，用高強螺栓連接緊固。索夾分成有吊索索夾和無吊索索夾，全橋共有173對，4種類型SJ1～SJ4。SJ1～SJ3為有吊索索夾，下端設有耳板與吊索聯接，由于各處吊桿力大小及索夾位置主纜傾角有所差異，造成索夾規格不同，緊固索夾的高強螺栓數量也不一致；SJ4為無吊索索夾，主要布置于無吊索區，沒有耳板，起夾緊主纜的作用。由于索夾和主纜形狀分別是圓形和六角形，不能完全重合，所以用鉛鋅填料邊填于縫隙處，確保索夾的抗滑系數在安全范圍內[7]。

2.3 錨碇

主纜的錨固主要依靠錨碇，并通過錨碇將拉力傳遞給地基。錨碇主要有重力式和隧道式兩種。重力式錨碇適應性較強，傳力機理簡單，主要通過錨碇自身重力和地基摩擦力承擔主纜拉力[8]。隧道式錨碇的特點是，利用錨塞體充分發揮圍巖的承載能力，并借助錨塞體自重和圍巖一起承受主纜拉力，節約材料、開挖量少、經濟性好，對周圍環境破壞小，但對區域地形地質條件要求較高[9]。

受地貌影響，左右兩岸錨碇都采取重力式，主體部分是C30鋼筋混凝土。預應力操作室待預應力張拉完畢并灌漿后用片石混凝土封填。錨碇長13.0m，寬8.0m，高10.0m，左岸錨碇基底設計高程1837.285m，右岸錨碇基底設計高程為1844.612m，放坡支護開挖，基底應全部置于堅硬巖體內。澆注錨碇混凝土前需先采用固結灌漿對基礎底部巖體的裂隙進行灌漿止水。橋位左右岸上下游側均設置抗風錨碇，錨碇主體結構尺寸6.5 m×6.5 m×7m，基礎結構尺寸8.5 m×8.5m×2m；抗風錨碇基底設計高程1821.131m，采用放坡支護開挖，基底應全部置于堅硬巖體內。

2.4 索塔

橋塔主要承受通過主纜傳遞到自身的豎向荷載并將其傳遞至基礎，是支撐主纜的重要構件[10]。橋塔設計需要綜合考慮地理因素、地質條件和工程造價等方面，既要滿足結構受力性能的要求，又需使其施工簡便、造型美觀，達到設計合理、經濟適用的效果[11]。本橋索塔為拱門型框架結構，結構材料主要為C30鋼筋混凝土。索塔中部和上部分別設矩形下橫梁和上橫梁。塔柱由底部到頂部為等截面A型，縱向1.2m，橫向1.5m，塔底中心間距6.0m，塔頂中心間距2.0m，高度26.0m。索塔基礎選擇擴大基礎，基礎結構分為兩層，第一層長度11.5m，寬度5.2m，高度2.0m；第二層基礎需置于堅硬巖體內，索塔第二層基礎長度15.5m，寬度9.2m，高度2.0m，均采用C30混凝土澆注。澆注前需先采用固結灌漿對基礎底部巖體的裂隙進行灌漿止水。

2.5 抗風纜

對于建在山區的人行懸索橋，結構穩定性是設計中的主要考量因素。在寬而深的山谷中，人行懸索橋的跨度往往比較大，橋面寬度因僅供人行不宜設置過大，導致結構寬跨比值較小，橫向穩定性差。此外山區風力比較大，風荷載的作用對結構的整體穩定性也有一定影響，所以設計時務必要采取措施提高抗風強度和剛度，降低風致變形和避免風致失穩。抗風纜不僅可以提高橫向穩定性，還能增強豎向穩定性[12- 13]。抗風主索采用7根48-8×31WS+IWR鋼絲繩，標準抗拉強度1770MPa，公稱直徑144mm。抗風拉索采用66-8×31WS+IWR鋼絲繩，公稱直徑66mm，標準抗拉強度1770MPa。抗風索采用立面跨比為1/50。鋼絲繩采用繩夾連接和錨固，繩夾間距為300mm，為了確保安全，每個繩夾應擰緊至夾內風纜鋼絲繩壓扁1/3為止。抗風拉索通過鋼筋環與橋面橫梁連接，鋼筋環焊接在橫梁上。抗風索與水平夾角為30°。

2.6 加勁梁

橋面板按材料不同主要有木質、鋼質和鋼筋混凝土等3種形式。木質板強度低且易腐爛、耐磨損性差，也不便于維修，現行規范不允許使用；鋼筋混凝土板力學性能好，缺點是重量大且破壞后更換困難；鋼質板力學性能優良，且施工方便，可以通過優化截面減小風荷載來改善結構抗風性能，使用時需采取適當的防水防銹措施，延長使用壽命[14]。

加勁梁由橫梁、縱梁、橋面板三部分構成，采用焊接拼裝聯結。縱梁、風構均與橫梁焊接；縱梁頂板間焊接方式為連續焊接；花紋鋼板縱向接頭須在板端倒角，形成V形焊縫，做多次施焊；橋面板采用花紋鋼板，板塊間距1cm，以便與縱梁頂面焊接。橫梁采用I20b工字鋼；縱梁采用I14工字鋼；風構采用75×8等邊角鋼；橋面板采用厚度為8mm的花紋鋼板。

3 分析模型

3.1 模型建立

利用MIDAS橋梁空間非線性計算軟件進行有限元計算，有限元模型中主纜、吊索均作為只受拉的索單元(共計642單元)、加勁梁作為梁單元(共計2906單元)；塔柱及其橫梁結構用梁單元建立(共計56單元)；結構邊界約束條件是：主纜錨固點和塔柱結構基礎底部采用固定支座來模擬；加勁梁縱向位移和轉動均不單獨約束，僅在豎向與橫向進行約束；橋面板、縱梁、橫梁構件之間的非剛性連接節點通過主從節點約束來模擬[15]。計算模型如圖2所示。

圖2 有限元模型示意圖

3.2 設計荷載

3.2.1永久作用

(1)結構自重：加勁梁取用3.4kN/m。

(2)二期恒載：涵蓋橋面附屬結構、欄桿等，共計0.7kN/m，按順橋向均布荷載施加。

3.2.2可變作用

(1)人群荷載：3.5kN/m2，加載方式為全橋加載，不考慮集中荷載。

(2)風荷載：根據JTG/T D60-01-2004《公路橋梁抗風設計規范》附圖A：全國基本風速分布圖，本項目地點對應的基本風速為34.7m/s。本次計算設計基本風速采用32.5m/s。

(3)溫度荷載：按照整體升溫20℃、整體降溫20℃取值。

3.2.3荷載組合

按JTGD60—2015《公路橋涵通用設計規范》要求對人行橋進行荷載組合計算，荷載組合情況如下：

(1)組合1=1.1恒載+1.4人群荷載。

(2)組合2=1.1恒載+0.825風+1.05升溫。

(3)組合3=1.1恒載+0.825風+1.05降溫。

(4)組合4=1.1恒載+1.4人群荷載+0.825風+1.05升溫。

(5)組合5=1.1恒載+1.4人群荷載+0.825風+1.05降溫。

4 計算分析

對人行懸索橋整體進行結構靜力分析，由JTGD64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》第4.2.1條對橋梁承載能力極限狀態按下式進行驗算：γ0Sd≤Rd。對本橋在承載能力極限狀態下結構受力分析結果如下。

4.1 主纜計算結果

圖3為最不利荷載工況活載作用下主纜的軸向拉應力圖，主纜的拉應力值在634.94～604.89MPa區間內變化，由塔頂主纜最高點到跨中主纜最低點該值逐漸減小，并呈對稱分布的趨勢。主纜的抗拉強度為1670MPa，抗拉強度分項系數為1.85，γ0Sd=1.1×634.94=698.434MPa<1670/1.85=902.703MPa，故主纜強度滿足要求。

圖3 主纜應力圖(單位：MPa)

4.2 吊索計算結果

圖4為本荷載工況下吊索的軸向內力圖，全橋吊索最大拉力為50.50 kN，位于橋塔附近，最小拉力為21.89 kN，位于跨中主纜最低點。全橋吊索受力比較均勻，呈對稱分布，吊索與主纜的鏈接方式采用的是銷接式，鋼絲繩吊索最小破斷力363kN，抗拉強度分項系數為2.2，γ0Sd=1.1×50.50=55.55kN<363/2.2=165kN，吊索的強度滿足規范要求。

圖4 吊索內力圖(單位：kN)

4.3 加勁梁計算結果

圖5為本荷載工況下加勁梁的應力包絡圖，加勁梁結構包括橋面鋼板、縱梁、橫梁、風構。橋面系與索塔處設有支座，部分橋面系的重量由索塔下橫梁承受。因此，靠近索塔附近的加勁梁應力有突變。全橋加勁梁最大拉應力為132.57MPa，最大壓應力為125.29MPa，小于Q345鋼材的強度設計值270MPa，強度滿足要求。

圖5 加勁梁應力包絡圖(單位：MPa)

4.4 抗風纜及抗風拉索計算結果

抗風纜及抗風拉索內力如圖6所示。抗風纜最大拉力為4391.1kN，單根最小破斷力為1410kN，抗拉強度分項系數為1.85，γ0Sd=1.1×4391.1=4830.21kN<7×1410/1.85=5335.1kN。故抗風纜強度滿足要求。抗風拉索最大拉力為61.9kN，最小破斷力為2670KN，抗拉強度分項系數為2.2，γ0Sd=1.1×61.9=68.09kN<2670/2.2=1213.6kN。故抗風拉索強度滿足要求。

圖6 抗風纜及抗風拉索內力圖(單位：kN)

4.5 人群荷載與風荷載作用下橋梁變形

由圖7可知，在全橋滿布人群荷載作用下，跨中最大撓度值為0.578mm，滿足撓度值在活載作用下小于L/250(1.28m)的條件，符合規范要求。

圖7 恒載作用下加勁梁豎向位移圖(單位：mm)

由圖8和圖9可知，無抗風纜狀態下，在風荷載作用下加勁梁的最大橫向變形為4.664m，不滿足規范中關于風荷載作用下最大橫向位移不大于L/150(2.133m)的規定。當設置了抗風纜后，在風荷載作用下加勁梁的最大橫向變形為1.129m，滿足規范規定。

圖8 無抗風纜時加勁梁橫向位移圖(單位：m)

圖9 有抗風纜時加勁梁橫向位移圖(單位：m)

5 結論

(1)該橋型跨越能力大，結構簡潔，受力明確，便于施工且造價低，對于在水利工程庫區淹沒區修建跨越溝谷的人行橋具有明顯優勢和參考價值。

(2)該類型人行橋跨度大，橋面寬度小，橫向剛度相對較弱，通過設置抗風纜可以增加結構的橫向剛度、豎向剛度以及抗扭剛度，并且改善整個結構的抗風穩定性，進一步加強了安全性。

(3)懸索橋的橫向剛度主要受加勁梁寬度和主跨跨徑比值的影響，設計時可采用合理的寬跨比增加結構的橫向剛度，進而優化抗風纜設計。

(4)本文僅對該橋的靜力特性進行了研究，對于動力學特性和抗震分析有待進一步研究計算。