某索承桁架人行景觀橋的抗震可行性分析

張 翔，石梓鈺，奚圣宇，張賀強，孫超越

（安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601）

0 引言

近年來由于山區(qū)旅游業(yè)的盛行，越來越多的山地景觀橋得以興建，但山谷地區(qū)地質(zhì)狀態(tài)復(fù)雜，對橋梁的抗震穩(wěn)定性有著較高的要求。基于桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)良的抗風(fēng)、抗震穩(wěn)定性，并在其基礎(chǔ)上增設(shè)索承結(jié)構(gòu)，使整橋外觀更加輕盈、簡潔，得以更好的融入自然，具有較高的觀賞性。相比于山谷區(qū)域傳統(tǒng)橋墩施工，拉索結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟高效，并具有很強的操作性。因此，本文以山谷景區(qū)為背景，對橋梁進行有限元分析并驗算此類結(jié)構(gòu)橋梁的抗震可行性，并結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境以提供一種全新的山谷人行景觀橋建設(shè)思路。

1 設(shè)計思路

本橋梁主要從材質(zhì)和承力結(jié)構(gòu)上進行設(shè)計。橋面材料預(yù)使用C30 混凝土，同時采用MICP 微生物誘導(dǎo)沉積碳酸鈣技術(shù)促進橋梁橋面自愈修復(fù)，符合本橋梁綠色、可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計理念。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有高強度的承壓能力，得以更好的承受路面的設(shè)計荷載，利用懸索拉起桁架組以及上部路面。

在設(shè)計過程中，先根據(jù)人流量以及使用的任務(wù)和性質(zhì)，確定結(jié)構(gòu)形式。基于上述初步設(shè)計，結(jié)合周圍環(huán)境與自然條件以及主要技術(shù)指標(biāo)，確定材料強度。再對概念設(shè)計方案進行反復(fù)比較，形成最終的設(shè)計方案，并擬定懸索裝配式的施工方案。基于MIDAS Civil 有限元分析軟件進行結(jié)構(gòu)計算、反應(yīng)譜分析、時程分析。本設(shè)計項目作為交通橋可以解決山區(qū)城鎮(zhèn)間因一山之隔的基本交通需求，作為景區(qū)景觀橋可以讓游客置于山川之間欣賞美景，同時索承桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以避免對山谷下部地區(qū)環(huán)境產(chǎn)生影響。

2 工程概況

本景觀橋名為云上天梯人行景觀橋，橋梁的設(shè)計效果見圖1。其中橋長80 m，橋面寬度6 m，橋面厚度為10 cm，每4 m 設(shè)置一個桁架單元，橋面中間作為路燈排設(shè)區(qū)域，跨中橋面設(shè)置為雙層鋼化夾膠玻璃方便游客游覽風(fēng)景以及觀察下部桁架結(jié)構(gòu)。本橋梁設(shè)計在山勢較高不便設(shè)立橋墩的峽谷地區(qū)建設(shè)，通過在橋梁1/4，1/2 以及3/4 處設(shè)立索承桁架結(jié)構(gòu)支撐橋梁。而桁架上設(shè)有懸索承拉孔裝置，懸索自兩側(cè)山峰適宜之處斜拉引出通過橋面兩側(cè)，達到受力平衡，共同承擔(dān)橋與載體承重。索承桁架式受力方式將橋梁施工重心轉(zhuǎn)移到橋面上部，現(xiàn)場選出山體兩側(cè)適宜的巖錨點。橋的兩端，與兩側(cè)山峰內(nèi)的隧道相連。橋體本身鋪設(shè)的鋼筋網(wǎng)應(yīng)與山體隧道相連，并澆筑混凝土，以此利用山體來加固橋面。在鋼索索上，為防止懸索因為長時間使用以及外界因素侵蝕導(dǎo)致懸索銹蝕，強度減少，或風(fēng)雨侵襲導(dǎo)致橋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。現(xiàn)在索上的靠山體終端添加類彈簧的減震裝置，輔助剛拉索為橋體減震。

圖1 橋梁設(shè)計效果圖

3 方案創(chuàng)新構(gòu)思設(shè)計

通過對橋梁建立環(huán)境研究和探討后，本橋梁項目有以下幾處特點。

（1）巧妙利用山勢，建立索承桁架新型結(jié)構(gòu)。本橋梁設(shè)計在山勢較高不便設(shè)立橋墩的峽谷地區(qū)建設(shè)，通過設(shè)立索承桁架結(jié)構(gòu)支撐橋梁。它的優(yōu)勢之處在于不同于一般的山谷景觀橋的結(jié)構(gòu)模式，它是基于橋身整體搭建于山谷之間巖石的支撐和鋼索拉住橋身底部的桁架柱共同承力的。橋梁自重和行人等活荷載作用于橋面之上，橋梁中部的鋼索承受荷載下橋面受的壓應(yīng)力，而橋梁下部的鋼索則平衡下部的拉應(yīng)力，以達到力的平衡。

（2）通過索承受力，實現(xiàn)山區(qū)峽谷大跨度景觀橋建立。在峽谷地區(qū)建立橋梁，由于谷底距離橋面過遠(yuǎn)難以建立橋墩支撐橋梁結(jié)構(gòu)、谷底屬于自然保護區(qū)、建立橋墩成本過高等客觀原因，峽谷大跨度景觀橋建立較為困難。而索承桁架式受力方式將橋梁施工重心轉(zhuǎn)移到橋面上部，通過施工索吊裝、裝配式橋梁施工、預(yù)拱度橋面施工等方式降低施工難度、減少施工成本，實現(xiàn)山谷大跨度景觀橋的設(shè)計。

（3）索上減振器的使用增強橋梁受山谷風(fēng)雨振擊時的穩(wěn)定性。連接兩座高山的索承桁架結(jié)構(gòu)橋，易受產(chǎn)生的狹管效應(yīng)影響，索上減振器的使用減少山谷風(fēng)雨振擊引起的震動。當(dāng)橋面受穿峽谷的風(fēng)和暴雨侵襲的作用時，普通橋的橋面會產(chǎn)生明顯晃動，索上減震器具有適時彈性伸縮的功能，這一設(shè)計可使剛索具有更強的穩(wěn)定性和伸縮性，達到可承受風(fēng)雨、維護橋面平穩(wěn)的目的。

（4）使用雙斜索面斜拉實現(xiàn)良好的橫向抗風(fēng)穩(wěn)定性。峽谷地形中易產(chǎn)生“狹管效應(yīng)”，即當(dāng)氣流由開闊地帶流入地形構(gòu)成的峽谷時，由于空氣質(zhì)量不能大量堆積，于是加速流過峽谷，風(fēng)速增大。當(dāng)流出峽谷時，空氣流速又會減緩。本橋設(shè)計使用雙斜索面，與雙鉛垂索面相比，這一結(jié)構(gòu)具有更加良好的橫向抗風(fēng)穩(wěn)定性。

（5）微生物誘導(dǎo)沉積碳酸鈣技術(shù)。微生物誘導(dǎo)沉積碳酸鈣技術(shù)[1]簡稱MICP，是一種簡單高效、綠色環(huán)保的可持續(xù)修復(fù)技術(shù)。微生物在特定的環(huán)境條件下誘導(dǎo)形成沉積碳酸鈣，即一種天然的、相容性較好的混凝土修補劑。本橋設(shè)計在橋梁混凝土部分使用MICP 技術(shù)，誘導(dǎo)混凝土自愈合以提升橋梁使用壽命，并達到綠色環(huán)保的設(shè)計理念。

4 總體設(shè)計

4.1 橋梁桁架設(shè)計

橋梁總長80 m，寬度為6 m。橋面底部桁架單元設(shè)計采用長寬高分別為4 m、3 m、2 m，見圖2、圖3。空腹管桁均采用Q345 鋼材，直徑180 mm，壁厚16 mm。

圖2 桁架單元模型圖

圖3 索承處桁架模型圖

4.2 橋梁鋼索設(shè)計

本索承桁架人行景觀橋設(shè)計在橋梁總長1/4、1/2、3/4 處分別設(shè)置索承支點。鋼索設(shè)計采用1860鋼絞線，外包聚酯化合物。其中，如圖4 所示一號鋼索長度58.86 m，二號鋼索長度72.36 m，三號鋼索長度20 m。

圖4 橋梁立面圖（單位：mm）

5 橋梁結(jié)構(gòu)計算與優(yōu)化

采用Midas/Civil 進行靜力計算和動力抗震分析。

5.1 建立模型

橋面下部空腹管桁單元使用桁架單元模擬；橋面采用板單元進行模擬；鋼索采用桁架單元進行模擬，在橋面桁架兩端和鋼索巖錨端設(shè)置固定支座。全橋共劃分181 個節(jié)點、776 個單元，見圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)有限元模型圖

5.2 靜力計算結(jié)果

橋梁設(shè)計荷載為2.5 kN/m2的人群均布荷載，在靜力荷載下，位移峰值為10.11 cm，該景觀橋中部撓度許用值為：80×1/600=13.33 cm 大于橋梁位移峰值，符合橋梁剛度設(shè)計要求，部分位移數(shù)據(jù)見表1。

表1 靜力作用下位移表 單位：mm

5.3 橋梁設(shè)計優(yōu)化

為了減小在橋梁的下沉位移，現(xiàn)提出一種解決方案，即在橋梁施工時增加預(yù)拱度。跨中預(yù)設(shè)拱度10 mm，結(jié)構(gòu)各節(jié)點拱度見圖6。優(yōu)化后模型跨中下沉相對位移為9.971 cm，實際下沉位移較優(yōu)化前大幅度減小。

圖6 橋梁預(yù)拱度示意圖（單位：mm）

6 反應(yīng)譜分析[ 2-3]

6.1 技術(shù)指標(biāo)

（1）根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）的規(guī)定[4]，本橋梁抗震設(shè)防類別為C 類。

（2）抗震設(shè)防烈度0.05 g，橋梁類別為6 度。

6.2 地震作用下地震反應(yīng)分析

反應(yīng)譜分析應(yīng)分別進行EI 地震作用下的結(jié)構(gòu)彈性設(shè)計及E2 地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性設(shè)計。根據(jù)以上參數(shù)，分別建立E1、E2 水平向及豎向設(shè)計加速度反應(yīng)譜。

（1）E1: 運用多重Ritz 向量法求出前30 階振型如表二、表三數(shù)據(jù)可知，TRAN-X、TRAN-Y 兩個方向的振型參與質(zhì)量分別是96.42%、98.09%，滿足規(guī)范上振型參與質(zhì)量達到總質(zhì)量的90%以上的要求,結(jié)果見表2。

表2 振型參與質(zhì)量表

（2）E2：對橋梁的一般荷載組合進行驗算。根據(jù)位移等值線圖判斷橋梁在E2 地震作用下還保持彈性狀態(tài)，峰值位移為2.97 mm，E2 豎直位移等值線見圖7。符合設(shè)計規(guī)范，結(jié)構(gòu)安全。

圖7 E2 豎直位移等值線圖（單位：mm）

7 時程分析

7.1 時程工況建立

時程分析采用三個常用地震波分別建立工況一、二、三。

（1）工況一：1952，Taft Lincoln School，Vertical

（2）工況二：1940，El Centro Site，270 Deg

（3）工況三：TH035TG035_CHUETSU-OKI 7 -16—2007 JOETSU OGATAKU

時程分析工況標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 時程分析工況標(biāo)準(zhǔn)表

7.2 時程分析結(jié)果

經(jīng)過Maidas/Civil 時程分析，工況一下跨中三個節(jié)點處的位移分析見圖8。經(jīng)過核對在三個工況中整個地震波中變形均符合規(guī)范要求。

圖8 工況一時程位移分析圖（單位：mm）

在三個工況下，橋梁桁架單元應(yīng)力最大值分別為21.9 MPa、24.5 MPa、73.7 MPa。如表4 所示，均符合結(jié)構(gòu)強度標(biāo)準(zhǔn)要求，工況二應(yīng)力變形圖例見圖9。

8 結(jié)語

索承桁架人行景觀橋作為山谷地區(qū)連接兩山的元素，可作為該地區(qū)的地標(biāo)性橋梁，同時改善山谷地區(qū)交通環(huán)境，積極響應(yīng)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略。本橋梁已完成結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)靜力計算和抗震可行性分析，根據(jù)分析結(jié)果顯示橋梁力學(xué)性能良好、經(jīng)濟指標(biāo)穩(wěn)定，是充分發(fā)揮桁架橋優(yōu)點、環(huán)境友好、施工便利的新型橋梁。通過本橋梁的設(shè)計以及有限元分析，證明了索承桁架新型結(jié)構(gòu)的合理性，驗證了此類結(jié)構(gòu)橋梁的抗震可行性。通過該橋設(shè)計和文章介紹，希望能為同類橋梁的發(fā)展出一份力。

圖9 工況二應(yīng)力變形圖例（單位：MP a）