某人行懸索橋總體設計及受力分析

廖宸鋒 馬耀宗 馮彩霞

【摘要：】文章以某大跨度人行懸索橋為例，介紹其設計要點，并通過靜力計算及穩(wěn)定性計算，分析了該類橋型的受力特點，可為同類型橋梁設計提供參考。

【關鍵詞：】人行懸索橋;結構設計;受力分析

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0 引言

人行懸索橋由于造型優(yōu)美，跨越能力強，常應用在旅游景區(qū)及山區(qū)等交通不便的地方以跨越山谷或河流。人行懸索橋?qū)捒绫刃?，主要受力活載為人群[1]，與常規(guī)懸索橋有較大區(qū)別，且相關規(guī)范針對人行懸索橋的條款也較少，因此對該類橋型的設計及受力進行總結分析具有重要意義。

本文以某大跨人行懸索橋為例，介紹其設計及受力分析要點，以期為同類橋型的設計提供借鑒。

1 工程概況

某人行懸索橋位于水電站上游，橋位區(qū)屬河谷地貌，地形起伏不大，地面高程在545～565 m，相對高差20 m，如圖1所示。大橋為連接兩岸新農(nóng)村的交通要道，且為當?shù)鼐皡^(qū)規(guī)劃中的重要橋梁。橋梁采用單跨112 m的柔性懸索橋，并結合景區(qū)規(guī)劃在0#錨錠上設置行人棲息亭榭。

2 技術標準

（1）跨徑組合：（36+112+14.5） m。

（2）橋面寬：總寬2.15 m，凈寬2.0 m。

（3）設計荷載：人群荷載按3.5 kN/m2取值。

（4）垂跨比：設計成橋恒載狀態(tài)下，主跨主纜垂度為7.5 m，即垂跨比f/L=1/14.93。

3 總體設計

本橋結構體系為單跨雙鉸懸索橋，橋梁跨徑組合為（36+112+14.5） m，橋?qū)?.15 m（凈寬2.0 m）。主纜設兩根，中心距為2.4 m，吊桿間距為2 m。為增強結構穩(wěn)定性，另布設了4根輔助纜。橋面系采用梁格體系，橋面板采用木板。橋塔為鋼筋混凝土門式框架結構，其與輔助纜基礎均為嵌巖鉆孔樁基礎。主纜錨碇為鋼筋混凝土框架結構，錨碇基礎采用挖孔樁。主纜錨固于錨碇上，輔助纜分別錨固于鋼橫梁以及輔助纜錨碇上。

4 結構設計要點

4.1 主纜設計

主纜由22股j15.24 mm鋼絞線組成，標準強度為1 860 MPa，主纜索體最小破斷拉力為5 729 kN。主纜線形為分段懸鏈線，無應力長度為165.248 m，通過張拉端錨具錨固于錨碇上。

4.2 輔助纜設計

輔助纜受力較復雜，不僅受力及變形大，還可能受扭轉作用，因此采用扭絞型鋼絲拉索，由19根5 mm高強鋼絲組成，標準抗拉強度為1 670 MPa。輔助纜施加預拉力，并通過熱鑄錨將索體兩端分別錨固于橋面系鋼橫梁以及輔助纜錨碇。

4.3 索鞍設計

索鞍主體采用ZG270-500鑄鋼，縱橫加勁肋為Q235c鋼板，通過塔頂預埋件固定于橋塔上。為滿足成橋后主纜在索鞍鞍槽內(nèi)的抗滑穩(wěn)定性，需通過索鞍頂部蓋板對主纜施加預壓力。為使索塔保持良好的受力狀態(tài)，索鞍在施工時設置偏向主纜錨點的預偏量。

4.4 索夾設計

采用銷接式索夾。索夾主體材料采用ZG270-500鑄鋼。

4.5 吊桿設計

吊桿采用20 mm的HPB300光圓鋼筋，通過上下吊點螺母鉸接于索夾和橋面系鋼橫梁。吊桿縱橋向間距為2 m，橫橋向間距為2.4 m。吊桿兩端設置螺紋，便于吊桿螺母的定位。

某人行懸索橋總體設計及受力分析/廖宸鋒，馬耀宗，馮彩霞

4.6 橋面系設計

橋面系采用梁格體系，整體性強，可避免斷吊桿工況下結構的垮塌。橋面系由槽鋼制作的橫梁與H型鋼制作的縱梁采用先栓后焊進行連接。橋面板為30 mm厚Ⅱa級木板，采用錨栓與橋面縱梁連接。

4.7 橋塔設計

索塔采用鋼筋混凝土門式框架結構，施工便捷，后期養(yǎng)護成本低。索塔總高11.3 m，采用五邊形截面，塔頂截面尺寸為1.2 m×0.6 m，塔底截面尺寸為1.2 m×0.9 m，采用實心斷面。索塔頂部設上橫梁一道，高1 m。

4.8 錨碇設計

主纜及輔助纜錨碇均通過樁基礎嵌固于中風化基巖。

5 結構靜力分析

5.1 有限元模型

采用Midas Civil軟件建立三維空間有限元模型，主纜、輔助纜采用索單元模擬，吊桿采用只受拉桁架單元模擬，橋面系鋼縱、橫梁以及橋塔和樁基礎采用梁單元，全橋共1 198個節(jié)點、1 244個單元（見圖2）。

5.2 荷載工況

計算中，考慮以下四種工況[2]：

（1）恒載+整體溫降+滿人荷載+十年橫風。

（2）恒載+百年橫風。

（3）恒載+整體溫降+滿人荷載+十年縱風。

（4）恒載+百年縱風。

5.3 靜力分析計算結果

各工況計算結果如表1所示。

根據(jù)計算結果可知：

（1）在工況一作用下，全橋豎向位移及主纜內(nèi)力最大，分別為0.42 m和1 367.2 kN。

（2）在工況二作用下，即百年橫風作用下，加勁梁應力最大，為171.82 MPa。

（3）主纜、吊桿在最不利荷載作用下的索力安全系數(shù)均>3.5，滿足要求，其中工況一對其影響最大。

（4）在百年橫風工況下，結構橫向位移最大，達到0.645 7 m。

綜合計算結果，橋梁整體受力的各項指標均滿足規(guī)范要求。對于寬跨比較小的柔性人行懸索橋而言，橫風作用控制其設計，計算時應特別注意驗算其對結構的影響。

5.4 輔助纜對于全橋結構位移約束的影響分析

由前述計算可知，對柔性懸索橋設計起關鍵控制作用的是“百年橫風工況”。設計中對本橋采用了不設輔助纜和設輔助纜兩種情況的對比分析。經(jīng)過計算可知，不設輔助纜時，全橋在百年橫風作用下橫向位移約為0.65 m（見下頁圖3）;設輔助纜時，全橋在百年橫風作用下橫向位移顯著減小，只有0.2 m（見下頁圖4），減少約69%。綜合考慮結構耐久性、行人行走的舒適性等，設計中增設了4根輔助纜。

6 結構穩(wěn)定性分析

人行懸索橋柔度大，尤其是跨徑越大，其穩(wěn)定性問題越突出[3]。文中采用四種工況對其穩(wěn)定性進行分析。

（1）工況一：全橋滿布人群荷載。

（2）工況二：全橋一側半布人群荷載。

（3）工況三：全橋一側半布人群荷載+十年一遇橫風向荷載。

（4）工況四：百年一遇橫向風荷載。

其中，十年一遇風荷載基本風速考慮為20.4 m/s，百年一遇風荷載基本風速考慮為30.2 m/s。

穩(wěn)定性計算結果如圖5～8所示（λ為橋梁結構穩(wěn)定系數(shù)）。

由計算結果可知：

（1）在人群活載作用下，無論采用全橋滿布人群還是一側半布人群的活載施加方式，大橋的穩(wěn)定性均較高，說明人群荷載對其穩(wěn)定性的影響很小。

（2）在橫風作用下，結構穩(wěn)定性較人群活載相比小得多。其中，在百年橫風作用下，結構穩(wěn)定系數(shù)僅為2.78 是控制本橋穩(wěn)定性的控制荷載。

綜合計算結果，橋梁結構最小穩(wěn)定系數(shù)在2.5以上，結構穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

7 結語

通過對本橋的結構設計及計算分析，可以得出以下結論：

（1）大跨人行懸索橋結構柔度大，寬跨比小，橫風荷載是結構受力的關鍵控制荷載，計算時應充分考慮其影響。

（2）對于大跨人行懸索橋，輔助纜（即抗風纜）的設計是必要的。

（3）百年橫風對大跨人行懸索橋穩(wěn)定性的影響大，設計時應采取措施改善結構的抗風穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]鄭明珠，周世忠，彭寶華，等.公路橋涵設計手冊.懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]JTG/TD65-05-2015，公路懸索橋設計規(guī)范[S].

[3]項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京：人民交通出版社，2013.8DD6288D-1FAE-47D8-9172-A933718C050C