山東潭溪山人行橋設(shè)計與施工過程關(guān)鍵技術(shù)分析

宋瑤?王鑫雨?于露?程德?胡井雷

摘要：公路懸索橋與人行懸索橋相比，其設(shè)計過程復(fù)雜、建造難度大。本文以“2020年國際橋梁亞瑟海頓獎”獲獎項目——山東潭溪山人行橋為研究對象，從設(shè)計原理、設(shè)計難點及解決方案、施工技術(shù)創(chuàng)新等方面進行研究分析，防范了設(shè)計存在的一些重大安全隱患，確保了工程結(jié)構(gòu)安全與正常施工。

關(guān)鍵詞：懸索橋;設(shè)計;施工

一、項目概況

山東潭溪山人行橋為鋼拱橋（無背索斜拉式弧形橋），橋面外弧形，橋面寬度1.8m，通過15道鋼索與主拱連接，采用Galfan鋼索，抗拉強度為1670MPa。弧形橋面總長度為126m，橫跨懸崖之間，跨度約103m，矢高25m。鋼結(jié)構(gòu)主拱為φ2000×30鋼管，鋼材型號為Q345B。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）設(shè)計原理

橋墩基礎(chǔ)位于山體西側(cè)與東側(cè)兩端位置，橋墩基礎(chǔ)周圍為山體巖壁臨空面。利用點云后處理Cyclone軟件進行后處理導(dǎo)入Rhino軟件中進行三維協(xié)同設(shè)計，下圖為山東潭溪山人行橋基礎(chǔ)與山體整體三維模型示意圖。橋墩基礎(chǔ)為樁筏基礎(chǔ)，西側(cè)承臺高度為4m，東側(cè)承臺高度為2m，結(jié)合混凝土支墩與鋼柱角連接。根據(jù)山體地層及施工設(shè)備，采用直徑300mm鉆孔灌注樁，樁長15m，進入弱風(fēng)化石灰?guī)r。鋼結(jié)構(gòu)拱橋支座承受較大的水平推力，同時由于橋面為外弧形，基礎(chǔ)還承受較大的向山體外側(cè)的彎矩。為橋墩基礎(chǔ)位置選擇及設(shè)計分析帶來較大難度，橋墩基礎(chǔ)需遠離巖壁布置，并對橋墩基礎(chǔ)受力狀況的巖體穩(wěn)定進行分析。

本項目采用徠卡C10三維激光掃描儀，為得到完整的三維模型，從各個角度去對山體進行掃描，因此需要合理的選擇站點，每兩個將進行拼接的站點之間至少要有 15% 以上的重合區(qū)域，且重合區(qū)域要有比較明顯的特點，便于后續(xù)的點云數(shù)據(jù)的有效拼接。針對本項目實際，在山體周邊布置6個站點，進行點云拼接、去噪后獲得較為完整的山體地貌點云數(shù)據(jù)。然后通過點云處理，獲得山體地貌精準(zhǔn)的三維模型。通過三維激光掃描獲取山體準(zhǔn)確地形，同時考慮橋臺基礎(chǔ)定位，建立山體及橋墩基礎(chǔ)的整體三維模型（見下圖），將模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS，進行受力分析。巖體分層根據(jù)地勘鉆孔資料進行劃分，橋墩及山體采用四面體實體單元模擬。鄰近承臺及樁基礎(chǔ)周邊單元網(wǎng)格尺寸約20cm，遠離橋墩基礎(chǔ)單元網(wǎng)格尺寸逐步加大，網(wǎng)格尺寸約50～100cm。

（二）設(shè)計難點及解決方案

設(shè)計方面要解決的難點之一是巖體的穩(wěn)定性問題。設(shè)計中應(yīng)用了三維激光掃描定位技術(shù)，設(shè)置了6個掃描站點懸崖巖體全貌進行了掃描，通過點云拼接、去噪處理，構(gòu)建了崖體、橋墩及基礎(chǔ)的三維數(shù)值計算模型，通過數(shù)值計算與分析，確保了懸崖巖體的穩(wěn)定性。

設(shè)計方面要解決的難點之二是設(shè)計目標(biāo)的可實現(xiàn)性問題。采用設(shè)計—制作—施工全過程一體化設(shè)計理念，在充分考慮預(yù)應(yīng)力張拉、橋面和拱架安裝的可實施性及避免危險高空作業(yè)的目標(biāo)下，進行結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力初始狀態(tài)設(shè)計與計算。考慮斜拉索的初始預(yù)應(yīng)力由拱架和橋面自重的相互作用產(chǎn)生，通過調(diào)整拉索原長及預(yù)應(yīng)力值使得初始狀態(tài)下橋面中點起拱600mm左右，在人行荷載下，橋面不產(chǎn)生向下的撓度。這樣的設(shè)計理念，避免了在橋面上布置張拉工裝、進行危險的高空作業(yè)。

三、施工技術(shù)創(chuàng)新

（一）平移和旋轉(zhuǎn)施工方案

景區(qū)運輸條件很差，橋面和拱架只能小段工廠制作、運輸?shù)浆F(xiàn)場安裝。但現(xiàn)場場地狹小，采用自懸崖底部搭設(shè)腳手架或支撐柱的方案，或者懸崖底部拼接、整體提升的方案，代價極大、危險性較高。而一體化設(shè)計理念實現(xiàn)的條件是橋面和拱架需布置在一定的位置、連接斜拉索的兩端后由橋面和拱架的自重導(dǎo)入預(yù)應(yīng)力。而只有將橋面和拱架放置在其夾角小于120度的位置上，才能連接無應(yīng)力的長度為原長的斜拉索。綜合以上因素，采用旋轉(zhuǎn)橋面和拱架的安裝方法就自然形成。

（二）臨時旋轉(zhuǎn)鉸接節(jié)點構(gòu)造

橋面與拱架的拱腳設(shè)計均為剛接連接，為了實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)施工，必須設(shè)置臨時的旋轉(zhuǎn)鉸接節(jié)點，旋轉(zhuǎn)到位后再固定和封裝節(jié)點。臨時鉸接節(jié)點采用簡單的銷軸連接方式，兩拱腳處銷軸位于拱腳連線上，銷軸節(jié)點必須滿足大角度旋轉(zhuǎn)的要求。

（三）拱推力主動平衡裝置

拱在水平位置拱腳無推力，而拱在旋轉(zhuǎn)過程中，拱腳會產(chǎn)生隨與地面夾角變化的推力。這一推力會使臨時旋轉(zhuǎn)節(jié)點上的鋼板抵緊而產(chǎn)生摩擦力，當(dāng)摩擦力很大時會使拱無法旋轉(zhuǎn)。所以，必須設(shè)置抵抗拱腳推力的平衡裝置。當(dāng)然可以設(shè)置連接兩個拱腳的拉索來被動地抵抗拱腳推力，但長度109m的水平索拉力事實上僅取決于垂度、基本為定值，無法平衡變化的拱腳推力。

（四）搖擺柱子及爬升裝置

為拱的旋轉(zhuǎn)提供推力是旋轉(zhuǎn)施工實施的關(guān)鍵。在跨度的1/3處兩個位置各設(shè)置一根搖擺柱，搖擺柱的基礎(chǔ)為鉸接連接、可以360度旋轉(zhuǎn)。搖擺柱中設(shè)置爬升裝置，爬升裝置由一組液壓千斤頂和鋼套筒組成。鋼套筒在千斤頂推力下可以沿搖擺柱爬升、停止爬升后可予以定位。千斤頂頂升推力根據(jù)施工過程的數(shù)值計算隨拱旋轉(zhuǎn)角度輸入。

（五）運維全過程的控制與監(jiān)測技術(shù)

運行過程中的舒適度是景觀人行橋必須考慮的問題。計算分析表明，譚溪山景觀人行橋的舒適度為CL4不可接受類別。工程中，設(shè)置了10個TMD，使橋梁舒適度達到了CL1最好類別。施工完成后、TMD安裝前后的人行現(xiàn)場實測證明了數(shù)值計算與分析的正確性。

為了確保景觀人行橋在運行期特別是節(jié)假日高峰運行期的安全性，對人行橋建立了運營期全壽命健康監(jiān)測系統(tǒng)。對每根索布置了EM索力傳感器，在橋面上布置了三個三向加速度儀。如果加速度值超過設(shè)定的門檻值，系統(tǒng)將自動向人行橋運行管理部門和負責(zé)人報警。

參考文獻：

[1] 林珈. 某人行景觀懸索橋設(shè)計[ J ].公路，2017（08）

[2] 康迎賓，楊雪. 簡易人行懸索橋設(shè)計研究[ J ].河南水利與南水北調(diào)，2016（10）

[3] 王斐，易紹平，吳明遠. 世界最大跨度人行懸索橋總體設(shè)計[ J ].公路，2016（03）

[4] 張大偉. 某人行景觀懸索橋錨碇結(jié)構(gòu)設(shè)計[ J ].城市道橋與防洪，2014（05）

[5] 白樺，李德鋒，李宇，劉健新. 人行懸索橋抗風(fēng)性能改善措施研究[ J ].公路，2012（12）

[6] 蔣陳，趙滿喜. 無塔人行懸索橋設(shè)計研究[ J ].公路交通技術(shù)，2006（02）