長懸臂懸廊橋的受力性能研究

曾天寶，張 琳

（1.南昌市城市規劃設計研究總院，江西 南昌330038；2.江西建設職業技術學院，江西 南昌330038）

0 引言

隨著景區景點的不斷開發，景觀橋以其獨特的美學效果成為各個景區的亮點。隨著斜拉橋結構分析理論的完善及施工工藝的突破得到了飛躍式的發展。由于長懸臂斜拉橋的特殊性，較一般類型的斜拉橋在結構構造和受力上更為復雜，具有其獨特的一面。對長懸臂斜拉橋受力性能的研究顯得十分有必要，本文以桐廬垂云通天河景區玻璃懸廊為例進行受力性能的研究，將研究結果作為施工依據，也為類似橋型的計算提供參考。

1 工程概況

桐廬垂云通天河景區玻璃懸廊橋懸臂長78.0 m，跨徑布置為13.1 m+78 m，是景區最受人歡迎的景點之一，見圖1。根據景區總體規劃要求，該玻璃懸廊屬于人行橋，僅供游客駐足觀賞風景，是整個景區的重要組成部分。該玻璃懸廊橋主梁及主塔采用鋼結構，橋面采用高強鋼化玻璃，基礎采用淺埋嵌巖基礎，背索錨固于塔后獨立承臺之上，最大懸臂處設置一外直徑為4.0 m的圓形觀景平臺。玻璃懸廊橋主梁總寬為1.6 m。主梁采用鋼桁梁，主梁高為1.6 m，主梁寬為1.6 m。主塔采用鋼桁式矩形主塔，橋面以上總高為23.076 m。塔梁固結，邊跨采用鋼筋混凝土結構，邊跨端部直接座落在巖石上，斜拉索產生的水平壓力，通過邊梁傳遞到巖石上，保證主塔不會有太大的偏移。

圖1 桐廬懸廊橋效果圖

全橋共有9對纜索，其中3對背索，5對前索，1對下風索。前索起支撐主梁作用，將主梁荷載傳遞給主塔；背索平衡塔頂水平分力，增大主塔的穩定性；1對拉索為下風索，一端連接主梁，另一端錨固于山體上。拉索采用GLG850鋼拉桿，除4#、5#前索外（直徑55 mm）拉索直徑均為50 mm。拉索中間設置雙向鉸，調節采用雙向套筒。兩主塔下各設置一個橋墩，橋墩尺寸為3.4 m×3.4m×3.0 m，采用實心橋墩，鋼結構錨入橋墩2.5 m。基礎采用承臺＋預應力錨索，承臺尺寸為5.0 m×5.0 m×2.0 m。背索錨固橋墩采用方墩，墩底尺寸為3.5 m×3.5 m×2.0 m，采用9根預應力錨索與地面連接提高抗拔力。

2 計算模型

計算采用橋梁專業有限元軟件Midas civil軟件進行空間模型分析，選取主橋進行結構分析，建模時，主梁及索塔均采用空間梁單元建模，玻璃橋面采用板單元模擬，拉索采用桁架單元模擬，考慮拉索的垂度效應以及樁土作用。

全橋共包含1 056個節點，2 275個單元，其中包含2 079個主梁單元、164個板單元和32個拉索桁架單元，拉索端部與主梁共節點。支座布置采用雙支座模擬，考慮扭轉效應；考慮樁土作用建立樁基模型，見圖2。

圖2 桐廬懸廊橋整體桿系模型示意圖

2.1 設計荷載

（1）人群荷載：3.5 kN/m2；

（2）橋面凈寬：凈1.6 m；

（3）基本風壓：0.50 kN/m2；

（4）基本雪壓：0.40 kN/m2。

2.2 材料

（1）主纜鋼索：拉索采用GLG850鋼，其抗拉強度設計值為850 MPa。

（2）混凝土采用C40，Ec=3.25×104MPa，fcd=18.4 MPa，ftd=1.65 MPa，容重γ=25 kN/m3。

（3）玻璃：采用鋼化夾膠玻璃，型號為（12+1.52PVB+12）

（4）型鋼：玻璃懸廊上部結構鋼結構采用Q345B。

2.3 結構計算的荷載組合

基本組合：γ2×[1.2×恒載+1.4×活載（含沖擊）+沉降+0.75×1.4梯度溫度+0.75×1.4整體溫度+0.75×1.1×風荷載]。

頻遇組合：恒載+0.7×活載（不計沖擊）+0.8×梯度溫度+整體溫度+0.75×風荷載。

標準組合：恒載+活載+沉降+梯度溫度+整體溫度+風荷載。

2.4 施工階段劃分

全橋的主要步驟：施工基礎及橋塔施工→逐段施工懸臂段，張拉斜拉索→鋪裝玻璃面板、安裝護欄→正式通行。

3 受力性能分析

為了確保結構的安全性，經計算，施工階段變形，應力最大值均發生在橋面鋪裝階段。其結構的應力、位移、內力以及索力計算結果如下所示。

3.1 變形結果

施工階段的主要變形結果見圖3、圖4。

圖3 桐廬懸廊橋橋面鋪裝施工(單位：mm)

圖4 桐廬懸廊橋成橋階段(單位：mm)

由上述的計算結果可以得出，主梁最大變形為249.4 mm＜L/300=260 mm，主塔最大變形為52.3 mm＜L/300=76.9 mm，滿足規范要求。

3.2 應力結果

施工階段的主要應力結果見圖5～圖7。

圖5 桐廬懸廊橋橋面鋪裝施工應力圖(單位：MP a)

圖6 桐廬懸廊橋成橋階段主塔應力圖(單位：MP a)

圖7 桐廬懸廊橋成橋階段主梁應力圖(單位：MP a)

由上述的計算結果可以得出，主梁最大應力為116.81 MPa，最大拉應力為72.29 MPa；主塔最大應力為103.58 MPa，最大拉應力為71.69 MPa，橋梁的主梁、主塔的應力滿足規范要求。

3.3 斜拉索索力結果

索力結果見表1。

由表1可以得出，斜拉索的安全系數滿足要求，斜拉索的安全性足以保證。

表1 初拉力及規格 （單位：kN）

4 穩定驗算

為了確保結構在施工過程以及成橋時的穩定安全，需要對施工階段最不利工況和成橋工況進行穩定計算，本文共選擇裸塔、最大懸臂、成橋三個工況驗算結構的穩定安全，具體結果見下。

4.1 裸塔工況

裸塔施工的模型如下，其臨界失穩狀態見圖8。

圖8 桐廬懸廊橋裸塔失穩圖（縱向失穩）

由計算結果可知裸塔階段臨界失穩系數為40.5，滿足要求。

4.2 最大懸臂工況

最大懸臂的模型如下，其臨界失穩狀態見圖9。由計算結果可知最大懸臂階段的臨界失穩系數為20.7，滿足要求。

圖9 桐廬懸廊橋最大懸臂失穩圖（橫向失穩）

4.3 成橋工況

成橋階段的模型如下，其臨界失穩狀態見圖10。

圖10 桐廬懸廊橋成橋失穩圖（橫向失穩）

由計算結果可知成橋階段臨界失穩系數為29.6，滿足要求。

由以上的計算結果可以知道，在最不利的施工階段和成橋階段，橋梁的穩定系數均大于2.5，滿足規范要求，結構的安全性可以得到保證。

5 結論

本文采用橋梁專業有限元軟件Midas civil較為準確的分析了桐廬懸廊橋，得出以下結論：

（1）懸廊橋的主梁最大變形為249.4 mm＜L/300=260 mm，主塔最大變形為52.3 mm＜L/300=76.9 mm，滿足規范要求。

（2）懸廊橋的主梁最大應力為116.81 MPa，最大拉應力為72.29 MPa；主塔最大壓應力為103.58 MPa，最大拉應力為71.69 MPa，橋梁的主梁、主塔的應力滿足規范要求。

（3）懸廊橋的拉索最大應力320.4 MPa，受力性能滿足規范要求。

（4）懸廊橋最小臨界失穩系數為29.6，主橋整體穩定系數較大，說明穩定性鉸好。

從結果看，桐廬懸廊橋的整體應力水平均滿足我國現行的相關規范要求。通過對桐廬懸廊橋的受力性能分析，為大橋的施工提供理論數據，也為同類橋型的設計提供參考。