空間剛性纜索自錨式懸索橋結構體系研究

戚瑞琨QI Rui-kun

（上海市建筑科學研究院集團有限公司，上海 200092）

0 引言

空間剛性懸索橋是一種具有高度美學價值和工程挑戰的橋梁設計。目前，世界各地都有不少空間剛性懸索橋的建造和設計案例。這些橋梁通常采用先進的結構設計和工程技術，以實現長跨度、高承載能力和獨特的外觀特點。空間剛性懸索橋在世界各地被廣泛應用，為城市的交通運輸和旅游業發展提供了重要的支持。設計和建造這種橋梁需要高水平的工程技術和實踐經驗，以確保其結構和穩定性符合安全標準。跨河或上跨快速路的人行橋由于景觀及凈空的要求，梁高較小，但此種橋梁的跨徑通常較大，這就造成了橋梁高跨比過小，剛度不足，振動問題突出。本文以一個實際的剛性懸索橋為例進行結構的體系研究。

1 結構方案

1.1 方案概述

本橋上跨濱河東路和濱河東路東側綠化帶，是一座溝通桃園三巷片區與西側汾河景區公園的人行專用橋，為附近居民來往于東側居住區與西側健身休閑公園間提供了一個安全的專用通道。

采用空間主纜剛性自錨式懸索橋上跨濱河東路，結構形式新穎。主橋塔柱采用外翻的斜塔，剛性主纜位于斜塔平面內，斜塔猶如一雙張開迎客的雙臂，增加了結構的空間感。殘疾人士近期可通過附近下穿地道通過濱河東路，遠期可根據無障礙通行需求在人行橋兩側設置電梯，滿足無障礙設計要求。

1.2 結構設計

本方案采用空間主纜剛性自錨式懸索橋，橋跨跨徑為11.93+47.14+11.93m，全長71m。橋梁樓梯采用“L”形樓梯，即先沿橋梁軸向設置一跨樓梯，然后順濱河東路落地。總體布置如圖1 所示。

圖1 總體布置圖（欄桿未示，單位：m）

橋面系采用30mm 火燒花崗巖鋪地形式；橋面欄桿采用不銹鋼藝術欄桿形式，既美觀又輕盈，使得整體結構極具現代氣息。

1.2.1 主纜

空間主纜采用400×400mm 鋼箱斷面，主纜在主跨范圍內位于主塔的斜平面內，與水平面成75°夾角，在邊跨主纜錨固于主梁上。

1.2.2 主梁

橋梁采用雙主梁結構，單側主梁標準段為600×400mm 矩形鋼箱截面，在錨固段主梁加寬加高為800×900mm。主梁之間采用工字形橫梁連接，橫梁標準段間距1.5m，橋面板厚12mm。橋梁縱坡4.5%，不設橫坡。橋梁橫截面如圖2 和圖3 所示。

圖2 主塔位置主梁橫斷面圖（單位：m）

圖3 標準主梁橫斷面圖（單位：m）

1.2.3 吊桿

吊桿采用剛性吊桿，工字形斷面。吊桿在主跨橫梁對應位置設置，分別與主梁和主纜焊接，邊跨不設吊桿。

1.2.4 主塔

主塔為斜塔，采用變截面矩形鋼箱斷面，截面自塔底至塔頂由800×600mm 變化值600×400mm，主塔順橋向軸線與水平面成70°夾角，橫橋向軸線與水平面成75°夾角。

1.2.5 橋墩及基礎

本橋基礎分為主橋基礎及樓梯基礎兩種。

主橋主墩基礎采用C30 混凝土承臺+C30（水下）直徑1.2m 鉆孔灌注樁的基礎形式，承臺厚度1.5m，邊墩基礎采用C30（水下）直徑1.2m 鉆孔灌注樁的基礎。

樓梯基礎采用C30（水下）直徑1.0m 鉆孔灌注樁基礎形式。

1.2.6 樓梯

主橋橋面與地面高差約為5.4m，為方便行人上、下橋面，在主梁南北兩側對稱設置“L”形的折線樓梯，并在距地面2.7m 高度處設置深度2.3m 的休息平臺；

主橋兩側樓梯、坡道橫斷面布置為：0.2m（欄桿）+2.1m（凈寬）+0.2（欄桿）=2.5m。

1.3 施工方法

該橋采用節段吊裝的施工方法：在機非分隔帶、中央分隔帶、人行道范圍內設置臨時墩，將鋼梁預制節段運至現場，焊接成較大的節段后利用汽車吊起吊并現場焊接連接成橋。全橋施工共需工期約4 個月。具體施工步驟如下：

①與橋墩樁基礎和承臺位置沖突的管線改線；

②施工橋墩樁基礎、承臺及塔墩等；

③搭設臨時支架；

④工廠加工桁架節段，并運輸至現場；

⑤汽車吊吊裝鋼梁、主纜節段，精確就位后進行焊接；

⑥主體結構完成后施工橋面系及其它附屬設施；

⑦完成全橋施工，準備運營。

2 結構體系動力分析

背景橋梁方案采用空間主纜剛性自錨式懸索橋，橋跨跨徑為11.93m+47.14m+11.93m，全長71m。橋梁采用雙主梁結構，主梁之間采用工字形橫梁連接，橫梁標準段間距1.5m，主塔為斜塔，主塔順橋向軸線與水平面成70°夾角，橫橋向軸線與水平面成75°夾角。橋梁結構立面見圖4。

圖4 橋梁結構立面圖

2.1 有限元模型建立

首先建立全橋有限元模型如圖5，其中，主纜及主梁采用梁單元，橋面板采用板單元。

圖5 全橋有限元模型

2.2 橋梁自振分析

完成有限元靜力計算的前提下，進行橋梁特征值分析，分析得到橋梁的一階豎彎頻率，得到橋梁一階豎彎頻率為2.3Hz，如圖6 所示。落在危險頻率范圍內，需要進行舒適度分析，需要注意的是，在選取豎彎頻率時，要參考結構的質量參與度，選用合理的振型模態。（表1）

表1 橋梁各模態質量參與程度

圖6 橋梁結構一階豎彎振型

3 結論

本文通過對一座人行景觀橋進行結構方案設計，橋型方案采用剛性懸索的結構形式。作為空間懸索結構，從結構體系角度進行了分析，研究結果表明：空間結構的懸索體系結構復雜，力學特性規律相比于常規懸索橋而言，結構振型和自振頻率具有顯著特征。