恩施大峽谷大樓門景觀橋結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

■劉政偉 尹棟佳 夏齊勇

（湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，武漢 430051)

恩施大峽谷景區(qū)為國家5A 級景區(qū)，景區(qū)內(nèi)百里絕壁、千丈瀑布、傲嘯獨(dú)峰、遠(yuǎn)古村寨等景點(diǎn)美不勝收，美國《國家地理》雜志專題介紹，認(rèn)為可與美國科羅拉多大峽谷相媲美。本橋位于大峽谷核心景區(qū)，對橋梁的景觀價值要求較高。本項目在設(shè)計之初，即以“融橋于景，造橋為景”創(chuàng)意構(gòu)思，橋梁結(jié)構(gòu)融于自然，又能作為一道獨(dú)特的景觀增添自然的亮色。

橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）橋梁類型：人行專用橋；（2）設(shè)計基準(zhǔn)期：100 年；（3）設(shè)計使用年限：50年；（4）設(shè)計安全等級：一級； （5）荷載等級：人群設(shè)計荷載3.5 kPa；百年重現(xiàn)期的風(fēng)速25.3 m/s，基本雪壓0.35 kPa。

1 總體設(shè)計

橋址區(qū)位于大峽谷深度景區(qū)，周圍無車行道路通行，運(yùn)輸條件較差。 主橋位置位于兩座陡崖之間，橋梁頂面高程與深谷高差在80 m 以上，崖體坡度在80°以上，建設(shè)條件受到極大制約。 橋址地貌見圖1。

圖1 橋址航拍照片

對橋址區(qū)崖壁的地質(zhì)情況勘探顯示，除表面層長期風(fēng)化外，崖體淺層為中風(fēng)化灰?guī)r，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，薄-中厚層狀構(gòu)造，其飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為35 MPa，達(dá)到較堅硬巖的水平，地質(zhì)條件良好。

設(shè)計主創(chuàng)人員多次踏勘現(xiàn)場，收集資料，充分考慮景觀、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)、施工等多方面因素，通過多輪方案比選， 確定了無塔式巖錨雙索面斜拉橋方案。 橋梁主跨88 m，斜拉索張拉側(cè)的梁體嵌入巖石層內(nèi)，形成嵌固端，另一側(cè)采用支座邊界。 斜拉索間距6 m， 共12 對24 束， 斜拉索利用有利的地質(zhì)條件，采用CFRP 筋材超高強(qiáng)水泥基巖錨基礎(chǔ)替代索塔作為斜拉索的錨固端，這種無塔巖錨基礎(chǔ)屬國內(nèi)首次應(yīng)用。

斜拉索采用散索設(shè)計，在豎向和平面內(nèi)與主梁形成空間夾角。 散索設(shè)計提供了橋梁橫向剛度，解決了結(jié)構(gòu)橫向擺動和抗風(fēng)問題，同時在空間上形成了拉索依次張開的次第感， 象征恩施人民熱情好客，張開雙臂迎八方游客的人文寓意。 設(shè)計效果見圖2、圖3。

圖2 橋梁景觀效果

圖3 橋梁空間模型

2 三維定位與BIM 應(yīng)用

橋址區(qū)地勢險峻， 主橋架設(shè)在兩個陡崖之間，崖體坡度在80°以上，傳統(tǒng)的測量方式實施難度大，定位困難，且精度無法保證設(shè)計需求。 傾斜攝影技術(shù)是測量領(lǐng)域近年發(fā)展的高新技術(shù)，該技術(shù)通過從1 個垂直、4 個傾斜和5 個不同的視角同步采集影像和數(shù)據(jù)，能夠高精度、多層次獲取地物的航攝影像數(shù)據(jù)（圖4）。

圖4 傾斜攝影模型

采用Global Mapper 地圖繪制軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將基于多視角影像技術(shù)超高密度點(diǎn)云自動構(gòu)建為不規(guī)則的三角網(wǎng)絡(luò)， 從而進(jìn)一步生成高精度、高分辨率的表面三維模型。 采用建筑信息模型（BIM） 解決方案Auto CAD Civil 3d 軟件將傾斜攝影真實三維場景與橋梁BIM 精確模型融合，對斜拉索錨點(diǎn)及主橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確定位。

3 主梁設(shè)計

主橋鋼主梁全長88 m，寬度5.0 m，采用雙主梁格構(gòu)設(shè)計。 單梁采用焊接工字鋼，梁高1.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段頂?shù)装寮案拱搴穸?6 mm，固結(jié)端節(jié)段厚度增加到20 mm。每隔1.5 m 設(shè)置1 道橫隔板，橫隔板設(shè)置2 道加勁肋。 橋面板采用8 cm 厚的活性粉末混凝土，具有高耐久性和高抗彎折、抗壓等性能，能夠適應(yīng)較復(fù)雜的自然環(huán)境和受力狀況。 主梁一般斷面及斜拉索錨固斷面見圖5、圖6。

圖5 主梁一般斷面

圖6 斜拉索錨固斷面

主梁錨固端設(shè)置在與斜拉索巖錨錨固端同側(cè)，通過加勁板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)， 主梁嵌入開挖的洞室內(nèi)，通過承壓板將主梁的內(nèi)力傳遞到巖體內(nèi)（圖7）。

圖7 主梁錨固端斷面

根據(jù)現(xiàn)場地形情況，斜拉索另一側(cè)的巖壁斜向近乎與主梁平行，不適合設(shè)置斜拉索巖錨，但有利于設(shè)置主梁支座。 設(shè)計采用嵌固在巖壁內(nèi)的混凝土懸臂梁作為斜拉橋懸臂端的支撐梁（圖8）。 除了設(shè)置豎向支座2 個外， 在主梁側(cè)邊設(shè)置2 個支座，限制梁體的水平位移。

圖8 主梁懸臂端支撐

橋梁模型采用Midas Civil 計算軟件進(jìn)行整體模型計算，橋梁三維模型見圖9，巖錨及主梁錨固端采用固結(jié)約束，主梁懸臂端采用支座約束。 主梁在基本組合下應(yīng)力計算結(jié)果見圖10。主梁錨固區(qū)域由于應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)到219.7 MPa，通過加勁板等措施降低該區(qū)域的應(yīng)力水平。

圖9 橋梁三維模型

圖10 基本組合下主梁組合應(yīng)力

4 斜拉索設(shè)計

斜拉索采用整束擠壓式鋼絞線，鋼絞線單根公稱直徑d＝15.2 mm，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk＝1 860 MPa，Ep=1.95×105MPa。 索體采用環(huán)氧涂層鋼絞線+油脂+PH 套的方式進(jìn)行單根防護(hù)。 經(jīng)多根平行編索緊密集束后，再套上HDPE 套管進(jìn)行整體防護(hù)。 為減少風(fēng)致振動，拉索外防護(hù)層采用雙螺旋線護(hù)套。

斜拉橋結(jié)構(gòu)輕柔，結(jié)構(gòu)變形受風(fēng)荷載、人群荷載等影響較大。 為解決這一問題，本橋斜拉索采用19 束15.2 mm 鋼絞線集束，安全系數(shù)為5.2～8.2，遠(yuǎn)高于強(qiáng)度需求，來達(dá)到提高橋梁整體剛度的目的。

5 斜拉索巖錨設(shè)計

巖錨設(shè)計采用CFRP 筋預(yù)應(yīng)力錨桿系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于碳纖維錨桿、 超高性能水泥基粘結(jié)錨固介質(zhì)，具有高抗壓強(qiáng)度、高耐久性及高韌性等優(yōu)良性能，并在矮寨大橋等橋梁工程中成功運(yùn)用[1-2]。

錨桿所用CFRP 筋材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度fpk＝2400 MPa，是鋼絞線的1.3 倍，筋材-粘結(jié)介質(zhì)界面粘結(jié)強(qiáng)度比鋼絞線大得多， 彈性模量E≥1.5×105MPa，破斷延伸率大于等于1.5%，高性能水泥基材（RPC）抗壓強(qiáng)度130 MPa。 每個錨固段設(shè)置兩根錨桿結(jié)構(gòu)。 單根錨桿桿體筋材采用5 根有效直徑12 mm 的CFRP 筋組成，筋材總面積565.5 mm2。 錨桿采用單端預(yù)應(yīng)力張拉，張拉控制應(yīng)力為σfk＝0.6 fpk＝1440 MPa。 巖錨系統(tǒng)見圖11～13。

圖11 巖錨系統(tǒng)

巖錨按永久構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計， 參照GB50086-2015 《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》及文獻(xiàn)[1-2]的研究結(jié)論進(jìn)行設(shè)計。巖錨計算主要分為2 個部分：一是確保錨桿抗拉強(qiáng)度極限大于設(shè)計值，確定錨桿所需的CFRP 筋材的直徑和根數(shù)；二是確保錨桿的有效錨固長度內(nèi)的粘結(jié)性能大于錨桿的抗拉強(qiáng)度極限值，來確定臨界錨固長度。

錨桿根數(shù)與直徑計算如下：

圖12 巖錨頂部細(xì)部構(gòu)造

式中：Ns—錨桿拉力設(shè)計值；k—安全系數(shù)，取2.2；n—筋材根數(shù)；d—筋材有效直徑；ffk—筋材極限抗拉強(qiáng)度。

設(shè)計采用錨桿采用直徑12 mm 壓痕式CFRP筋材，有效破斷面積113.1 mm2，筋材極限抗拉強(qiáng)度不小于2 400 MPa，錨桿拉力設(shè)計值為500 kN。 計算可得所需筋材根數(shù)不小于4.1 根， 取整后設(shè)計采用5 根筋材制作1 根錨桿，滿足設(shè)計要求。 錨桿構(gòu)造設(shè)計截面見圖14。

圖13 巖錨底部細(xì)部構(gòu)造

圖14 巖錨錨桿截面構(gòu)造

臨界錨固長度是計算錨桿的有效設(shè)計長度，使錨桿與巖體的粘結(jié)年滿足設(shè)計承載力要求。 計算如下：

式中：τm—筋材-粘結(jié)介質(zhì)界面粘結(jié)強(qiáng)度，設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度130 MPa 活性粉末混凝土混合漿料，在文獻(xiàn)[2]中，活性粉末混凝土混合漿料與巖體的平均界面強(qiáng)度遠(yuǎn)大于普通砂漿與巖石粘結(jié)強(qiáng)度，美國PTI《巖層與土體預(yù)應(yīng)力錨桿的建議》推薦白云質(zhì)石灰?guī)r與灌漿料的極限粘結(jié)應(yīng)力為1.4～2.0 MPa。 綜合考慮后，設(shè)計筋材-粘結(jié)介質(zhì)界面粘結(jié)強(qiáng)度取2.0 MPa；D—地下段鉆孔直徑， 設(shè)計巖錨結(jié)構(gòu)為150 mm；lcr—臨界錨固長度；Km—安全系數(shù)，取2.5;Kb—群錨增大系數(shù)。

計算得出錨桿臨界錨固長度3.3 m， 設(shè)計地下錨固深度不小于3.5 m，滿足設(shè)計要求。

6 人行舒適度計算

研究指出[3-4]，斜拉橋的自振頻率與索梁剛度比EeAe/EdId、索塔剛度比以及跨徑l 有關(guān)，在結(jié)構(gòu)尺寸確定情況下，索截面面積與結(jié)構(gòu)自振頻率近似成正比。 我國現(xiàn)行規(guī)范CJJ69-95《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》規(guī)定上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3.0 Hz。 本橋結(jié)構(gòu)輕柔，跨徑較大，斜拉索采用了較大的截面面積來提高結(jié)構(gòu)剛度。 結(jié)構(gòu)第一階橫向自振頻率提高到1.42 Hz， 第一階豎向自振頻率提高到2.05 Hz， 但再增加斜拉索截面面積對提高結(jié)構(gòu)自振頻率效率不高，造成較大的材料浪費(fèi)。 經(jīng)驗及研究表明，現(xiàn)行規(guī)范對于大跨徑、輕柔結(jié)構(gòu)天橋要求偏于嚴(yán)苛和保守[5-7]。 歐美人行橋設(shè)計規(guī)范中對正常使用狀態(tài)下舒適度通常是以控制自振頻率和控制結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)加速度來保證橋梁舒適度使用要求見表1。

表1 各國規(guī)范規(guī)定人行橋無需驗算豎向動力性能的自振頻率最小值

日本規(guī)范對于自振頻率限值較寬松，歐洲規(guī)范的豎向頻率限值都較大，這是因為這些規(guī)范的限值都是指不需要進(jìn)行舒適度計算的結(jié)構(gòu)。 目前國內(nèi)人行橋梁大多參考德國規(guī)范進(jìn)行舒適度設(shè)計。 德國規(guī)范規(guī)定人行橋結(jié)構(gòu)的豎向固有頻率1.25 Hz≤f0≤4.6 Hz 范圍內(nèi)，需要應(yīng)用限制動力響應(yīng)值法驗算舒適度，側(cè)向荷載限制頻率范圍為0.5 Hz≤f0≤1.2 Hz。德國規(guī)范規(guī)定的行人交通等級及舒適性指標(biāo)見表2、表3。

表2 行人交通等級和密度

表3 德國規(guī)范人行舒適性指標(biāo)

橋梁結(jié)構(gòu)第一階側(cè)向振動頻率大于1.2 Hz，無需進(jìn)行舒適性驗算。 豎向動力性能采用Midas Civil建立結(jié)構(gòu)對豎向振動特性進(jìn)行時程分析，結(jié)果見表4。 TC2 交通流下主梁結(jié)構(gòu)的峰值加速度包絡(luò)結(jié)果見圖15。

表4 不同交通流下峰值加速度

圖15 TC2 荷載等級下峰值加速度

結(jié)果表明，在TC1 和TC2 交通流下，結(jié)構(gòu)舒適度為“優(yōu)”，在TC3 交通流下，結(jié)構(gòu)舒適度為“良”，在TC4 和TC5 交通流下，結(jié)構(gòu)舒適度為“中”，均在規(guī)范容許范圍內(nèi)。

7 結(jié)語

（1）傾斜攝影技術(shù)和BIM 技術(shù)結(jié)合在橋梁工程中的應(yīng)用，可以解決復(fù)雜陡峻地形中橋梁結(jié)構(gòu)定位問題。 （2）依托良好的地質(zhì)條件，本橋采用的無塔斜拉橋結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)受力合理，對景觀橋梁設(shè)計具有借鑒意義。 （3）巖錨基礎(chǔ)是主橋結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，文中提供了計算方法。 （4）大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)輕柔，斜拉索截面面積對主橋剛度影響較大。 設(shè)計應(yīng)綜合考慮材料利用效率與結(jié)構(gòu)性能改善的關(guān)系，尋找最優(yōu)設(shè)計平衡點(diǎn)。 （5）我國人行橋設(shè)計規(guī)范對于結(jié)構(gòu)基頻做出的限制規(guī)定偏于保守， 對于大跨度、結(jié)構(gòu)輕柔的天橋結(jié)構(gòu)基頻如滿足規(guī)范，付出代價較大，結(jié)合本項目經(jīng)驗，建議參考德國規(guī)范進(jìn)行舒適度驗算，計算結(jié)果滿足舒適度要求。