某地錨式空間索面景觀人行懸索橋總體設計與受力分析

摘要：文章以某工程實際案例為背景，結合現(xiàn)狀地形、現(xiàn)場條件、景觀效果要求，詳細介紹了人行懸索橋的主要設計要點，主塔采用了雙柱外傾式結構，主纜形成三維空間索面，未設置抗風纜；通過對結構進行靜力、動力、抗浮分析，滿足相關規(guī)范要求，可為同類型橋梁結構設計提供參考。

關鍵詞：景觀人行橋；懸索橋；地錨式；受力分析

中圖分類號：U448.25

0 引言

在市政工程中，傳統(tǒng)的人行橋結構以鋼筋混凝土、預應力混凝土、鋼結構為主，該類結構具有工藝成熟、造型多變，經(jīng)濟性強等優(yōu)點。隨著城市建設的日益發(fā)展，橋梁建造對景觀要求不斷提升，人行懸索橋由于造型優(yōu)美、跨越能力強等優(yōu)點，越來越受到重視，尤其在跨越山谷或河流等特殊地形條件下［1］，人行懸索橋是為數(shù)不多的選擇之一。人行懸索橋結構輕盈、寬跨比小，橫向剛度受到主纜線形及加勁梁形式的影響，在人群荷載及風荷載作用下［2］，撓度變形明顯，為保證此類工況條件下橋梁結構能滿足正常使用及承載能力要求，會采用一些輔助措施，以增加橋梁結構的剛度［3］。本文以某景觀人行懸索橋為例，詳細介紹了設計要點及結構計算分析，以期能為同類型橋梁結構設計提供參考。

1 工程概況

某綜合整治和開發(fā)利用工程項目，上游段為水綠澤國生態(tài)段，自然生態(tài)條件較好。根據(jù)景觀總體布設、現(xiàn)狀地形、交通功能要求等條件，景觀橋設計為人行橋兼觀光電瓶車通道。公園綠道路徑曲線蜿蜒優(yōu)美，橋梁上跨河道泵站、防洪閘出水口，橋臺兩端與景區(qū)綠道相接，兩端綠道寬4.5 m，采用紅色混凝土面層。防洪閘出口渠底寬度為17 m左右，橋底有人行道下穿，橋梁方案采用單跨70 m地錨式人行景觀懸索橋，橋寬6 m，外觀造型為“樹橋”主題。

2 總體設計

該橋結構體系為單跨雙鉸懸索橋，橋梁跨徑組合為（15+70+15）m，橋梁寬度為6 m，凈寬為5.3 m，兩側預留吊桿及欄桿設置空間。橋塔采用外傾式雙柱形橋塔，主纜在橋塔索鞍處采用正索鞍斜置技術，使主纜與吊索形成三維空間索面，該類造型不僅提高了橋梁橫向穩(wěn)定性，同時提升了塔型景觀效果。懸索主纜采用鋼絲繩材料，主塔采用鋼主塔，錨碇采用重力式混凝土錨碇，加勁梁采用雙邊縱梁+橫隔梁的結構體系，主跨梁高0.6 m，吊桿間距5 m，橫隔梁每2.5 m設置一道，橫隔梁高0.6 m。主塔基礎采用樁基礎，錨碇基礎為擴大基礎。如圖1、圖2所示。

2.1 主纜與索鞍設計

全橋總長為100 m，計算跨徑L=70 m，成橋恒載工況下，主纜矢高7.7 m，矢跨比為F/L=1/9.1。主纜立面線型通過幾何非線性平衡分析得到，空纜工況下，主纜矢高7.432 m，主纜無應力長度為110.799 5 m，塔頂索鞍水平預偏移量為6.1 cm。橋梁兩側各設置一根主纜，每根主纜由7根42 mm鋼絲繩組成，6×37WS+IWR，鋼絲繩公稱抗拉強度1 770 MPa，彈性模量為19.5×105 MPa，如圖3所示。主纜沿縱橋向變間距布置，橋跨中處中心間距為7.0 m，橋塔處中心間距為9.5 m，錨碇處中心間距為7.5 m，主纜形成三維空間索面，在橋臺錨碇處通過散索鞍后張拉錨固。由于橋塔為外傾式結構，主纜呈三維空間索面，塔頂索鞍若為平置，主纜索力將對主塔產(chǎn)生較大的橫向作用力，為避免上述情況，將索鞍在橋塔頂部斜置，以改善主塔受力情況。

索鞍采用ZG45熱鑄鋼，索鞍底板開坡口與塔頂鋼板焊接，為保證索塔良好的受力狀態(tài)，索鞍在施工期間應提前預設偏移量。

2.2 吊桿與索夾設計

吊桿采用40 Cr鋼材，直徑40 mm。相鄰吊桿間距5 m，橫隔梁每2.5 m設置一道，吊桿通過上下端叉耳分別與索夾及加勁梁橫隔梁處吊耳連接。吊桿中部設置標體長度調節(jié)裝置，以調整空纜過渡到成橋狀況下的桿體長度值。

索夾采用銷接式左右對合型索夾，索夾主體材料采用ZG45熱鑄鋼。索夾左右鑄鋼夾板采用高強螺栓緊固于主纜上。

2.3 主塔設計

主塔采用鋼結構雙柱式斜塔，塔高13.4 m，塔柱向外傾斜成83.2°，采用等截面帶肋鋼箱結構，橫橋向寬1 m，縱橋向寬0.8 m，鋼板厚30 mm，橫隔板每2.5 m設置一道。材料采用Q355耐候鋼。

主塔頂部與索鞍底部鋼板焊接，索鞍斜置以減少橫向力作用。為滿足景觀效果，塔頂不設置橫向連接梁，僅依靠塔身自身提供承載力。主塔根部埋入樁基承臺內部，樁基采用6根1.2 m鉆孔灌注樁。

2.4 橋面系設計

橋面系材料為Q355鋼材，加勁梁縱梁采用倒梯形斷面，上開口寬1 490 mm、全寬1 590 mm，下開口寬700 mm、全寬800 mm；高度為600 mm；頂、底板和腹板均厚16 mm，頂、底板均以板式加勁肋進行加勁，加勁肋規(guī)格為120 mm×14 mm；標準橫梁采用倒梯形斷面，上開口寬680 mm，全寬780 mm，高度為600 mm；下開口寬440 mm，全寬540 mm，頂、底板和腹板均厚16 mm。

2.5 錨碇設計

結合周邊建設場地條件及橋梁跨徑等因素，錨碇采用重力式錨碇結構，通過錨碇自身重力及基底摩擦力抵抗主纜拉力及其他活荷載作用。錨碇采用擴大基礎形式，底部局部換填級配碎石以增加其摩擦系數(shù)。

2.6 景觀設計

橋面鋪裝采用3 mm厚彩色高分子聚合物薄層，高分子聚合物薄層基本材料采用特制IPPI膠粘劑（高分子聚合物改性聚氨酯）、高滲透封底底漆（水泥基面用）、輕質陶粒（彩色）、透明罩面，直接攤鋪于混凝土結構或鋼橋面板表層，厚度僅3 mm，具有重量輕、抗滑、防水、耐久等優(yōu)點，薄層可以做成各種顏色，景觀效果良好。橋梁外側護欄采用帶曲線造型的園藝護欄，在保證安全的前提下，依然能滿足外觀要求。橋梁建筑裝飾主要以表面噴涂，適當安裝一定的鋼構件、外包HDPE套管等方式實現(xiàn)。

3 結構靜力分析

3.1 模型建立

該橋利用Midas Civil軟件對其進行結構計算，結構驗算考慮恒載、人群荷載及風荷載對結構的影響，建立三維仿真模型。其中梁單元共計60個，索單元58個、節(jié)點125個，最后建立全橋模型及邊界如圖4所示。

3.2 設計荷載

該橋荷載分為恒截及活載：恒載包括主塔自重、加勁梁自重、橋面護欄、主纜自重等荷載；活載為人群荷載、溫度荷載、風荷載，其中人群荷載按3.5 kN/m2計入，溫度荷載取整體升溫25 ℃、整體降溫20 ℃計，風荷載按26.3 m/s計入。

3.3 荷載工況

本次計算考慮結構3種工況組合，荷載組合系數(shù)按《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）［4］（以下簡稱《通用規(guī)范》）取值。

（1）工況一：恒載。

（2）工況二：恒載+整體溫度+人群荷載。

（3）工況三：恒載+整體溫度+人群荷載+風荷載。

3.4 靜力分析結果

3.4.1 主纜、吊桿應力結果

根據(jù)受力情況分析，結構在工況三標準組合作用下，主纜的拉應力最大，其最大拉應力為594 MPa，其容許拉應力為1 770 MPa，安全系數(shù)為2.98，根據(jù)《公路懸索橋設計規(guī)范》（JTG-T D65-05-2015）［5］第9.4.2條規(guī)定，其安全系數(shù)應≥2.5，滿足規(guī)范要求。標準組合下吊桿最大應力125 MPa，安全系數(shù)為6.28，滿足要求。在基本組合下，主纜最大應力765 MPa，小于容許值955 MPa，滿足《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》（JTG D64-2015）要求，吊桿最大拉應力為161 MPa，小于容許拉應力628 MPa，滿足規(guī)范要求。如下頁圖5所示。

3.4.2 主塔計算結果

根據(jù)受力結構分析，主塔應力如圖6所示，基本組合工況三下，主塔最大應力94.7 MPa，小于容許值270 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.4.3 加勁梁計算結果

根據(jù)受力結構分析，如圖7所示，加勁梁在基本組合工況三下，最大應力為99.7 MPa，小于容許值270 MPa，滿足規(guī)范要求。

4 結構抗風動力分析

懸索橋對風荷載非常敏感，風荷載在計算中往往成為關鍵控制性因素。本次設計考慮橋梁跨徑及景觀效果等因素，取消了傳統(tǒng)抗風纜的設計，采用了三維空間纜面及主塔外傾的方式以增加橋梁主體結構的橫向穩(wěn)定性，并根據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）（以下簡稱《設計規(guī)范》）（設計時2018版新抗風規(guī)范暫未實施）的規(guī)定，對結構進行顫振驗算。

通過軟件對結構進行特征值分析，取前二十階振型結果。查詢《通用規(guī)范》，橋址地表類別屬于C類。設計風速按百年一遇取值為26.3 m/s。結構的扭轉基頻為ft=4.51，故顫振穩(wěn)定指數(shù)If=45.1/（4.51×6）=1.66lt;4.0，根據(jù)《設計規(guī)范》計算顫振臨界風速Vcr=49.21 m/s，顫振檢驗風速［Vcr］=1.2×1.43×26.3=45.1 m/s，Vcrgt;［Vcr］，因此滿足規(guī)范要求。

5 結構抗浮分析

由于橋位區(qū)在100年一遇洪水位下，主梁將浸沒在水中，為防止主梁浸沒狀態(tài)下發(fā)生漂浮，支座采用抗拉抗震球型支座。主梁的抗浮力計算如下：全橋浸入水中鋼箱梁空腔體積：V=107 m3；浸入水中鋼箱梁承受浮力：F浮=V×ρ水×g=107×1 000×9.8/1 000=1 048.6 kN；全橋主梁以上恒載重：G=1 093 kN；抗浮安全系數(shù)：μ=1.5。

全橋共4個支座，每個支座受到的抗浮力：F抗浮=（μ×F浮-G）/4=120.0 kN。該橋采用LKQZ（Ⅱ）1GD/DX支座，上拔承載力為200 kN，滿足規(guī)范要求。

6 結語

（1）懸索橋結構形式由于跨越能力強，結構簡潔美觀，受力明確，在市政橋梁應用發(fā)展上越來越受到重視，尤其有特殊景觀要求的項目上，有很好的應用前景。

（2）懸索橋結構形式寬跨比較小，在風荷載、人行荷載等活荷載作用下，容易產(chǎn)生較大變形，在設計及施工過程中應嚴格控制其主纜及吊標變形值，精確計算其無應力長度，滿足成型后線形及受力條件要求。

（3）橋梁橫向剛度受到主梁跨徑及寬度的影響，傳統(tǒng)方式設置抗風纜加強其橫向剛度。本橋考慮到跨徑及景觀要求，取消了抗風纜的設置，通過主塔外傾、索鞍斜置等方式加強其主梁的橫向剛度，減小主塔的橫向作用力。

（4）人行橋考慮小型電動觀光車通行，設計驗算荷載取每輛車1 000 kg，限載12人。懸索橋屬于柔性懸索結構，活載作用下?lián)隙嚷源螅ㄗh不宜同時快速通過兩輛觀光車，以免由于橋梁撓度較大造成游客不適。

（5）該橋梁底標高設計為高于五年一遇洪水位，但在超過五年一遇洪水位時部分或全部梁體將被水淹沒，此時應禁止游客上橋，并密切關注橋梁及周邊環(huán)境的變化，防止大型漂浮物靠近橋梁。

參考文獻

［1］廖宸鋒，馬耀宗，馮彩霞.某人行懸索橋總體設計及受力分析［J］.西部交通科技，2022（4）：92-94.

［2］項海帆.高等橋梁結構理論［M］.北京：人民交通出版社，2013.

［3］邵旭東，程翔云，李立峰.橋梁設計與計算［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［4］JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規(guī)范［S］.

［5］JTG/T D65-05-2015，公路懸索橋設計規(guī)范［S］.

收稿日期：2024-03-21

作者簡介：李豐成（1986—），主要從事市政道路與橋梁設計、咨詢工作。