李 谷, 彭海濤

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司， 湖南 長沙 410200；2.中國建筑第五工程局有限公司， 湖南 長沙 410004)

0 引言

隨著社會發(fā)展，城市建設對景觀橋梁的需求逐漸增多，很多景觀橋梁不再滿足于常規(guī)橋梁的結(jié)構形式。懸索橋因為結(jié)構形式特色鮮明而受到建設者的青睞。常規(guī)的懸索橋一般為3跨結(jié)構，且邊跨較大。此舉是為了減小外荷載作用下塔柱承受的水平分力，進而減小塔底截面彎矩，因此常規(guī)懸索橋邊主跨比一般為0.25～0.5[1]。同時，主纜的水平分力還和垂度有關，垂度越大，水平力越小，塔底彎矩也越小。因此常規(guī)懸索橋的垂跨比一般為1/9～1/10。較大的邊跨和較大的垂度在一定程度上限制了懸索橋方案的應用。

本文以某景區(qū)人行懸索橋為例，提出了一套小垂跨比(1/12.8)空間桁架結(jié)構懸索橋設計方案，并詳細闡述了設計思路、計算過程和施工關鍵要點，以期為同類型橋梁設計提供參考。

1 項目概況

為提高旅游區(qū)品質(zhì)，某地擬提質(zhì)改造某景觀湖，環(huán)湖修建人行游步道，擬在河流匯流處修建一座人行懸索橋。

景觀湖位于項目所在城鎮(zhèn)河流流域中上游，湖面面積為約80萬平方米，湖區(qū)設置以城市景觀為主，為兼顧供水和灌溉等綜合效益的中型水閘樞紐工程。正常蓄水位85.50m，設計洪水為20 a一遇，校核洪水為50a一遇；擬建橋梁橋位位于湖泊與河道交匯處，河道寬約60m，河底平均高程為80m，正常蓄水水深5.5m。河底淤泥層平均厚度約1m，下為礫砂層和強風化花崗巖，花崗巖層可作為持力層。

該橋設計重點考慮如下因素：

1) 為減少阻水率，保證行洪，河道中間不設橋墩，橋梁一跨過河。

2) 東側(cè)河堤是既有城市道路，沒有空間設置懸索橋邊跨和錨碇。

3) 整個景區(qū)景觀效果要求協(xié)調(diào)，橋塔不宜設計過高。

綜合考慮上述因素，擬采用矮塔單跨的小垂跨比懸索橋，橋塔、錨錠和橋臺一體。

2 結(jié)構設計

2.1 整體布置

本項目為單跨地錨式懸索橋，橋梁全長79m，橋面長度60.4m，主橋計算跨徑70m，主索垂度5.46m，塔高6.8m，垂跨比為1/12.82。其布置如圖1所示：

圖1 橋型整體布置示意圖(單位： cm)

2.2 橋塔設計

2.2.1塔身

由于該橋為單跨懸索橋，不設置邊跨，橋塔將承擔絕大部分主索在外荷載下產(chǎn)生的水平分力。為了使塔頂水平分力不在塔底造成過大彎矩，并且與景觀環(huán)境相適應，橋塔高度應較常規(guī)懸索橋更小。然而，塔高的減小必然引起垂度f的減小，由懸索橋恒荷載水平分力計算公式如式(1)。

(1)

由式(1)可知，水平分力H與f的大小成反比，而塔底彎矩與H的大小成正比，因此塔高與主索水平力、塔底彎矩形成了一種相互影響的耦合變化關系，不能將任意一方割裂考慮，一旦塔高取值突破了常規(guī)懸索橋的經(jīng)驗值范圍，就應當根據(jù)具體情況針對性地進行特殊構造設計。

為使橋塔保證足夠的強度和剛度，本橋未采用常規(guī)懸索橋的獨柱型塔腿，而采用了抗彎剛度更大的A字形塔腿以承擔主纜傳力。橋塔底面兩個塔腿截面共同抗彎；為增加受壓構件穩(wěn)定性，塔腿之間設置橫向聯(lián)系，側(cè)面形成“A”字型；兩側(cè)橋塔頂設置橫撐(見圖2)。

2.2.2塔頂索鞍

該橋索鞍只起到使主索在塔頂彎曲的導向限位作用，不影響主索內(nèi)力傳遞。該橋索鞍主要由底板和側(cè)板構成，底板為10mm厚圓弧形彎曲鋼板，緊貼圓形塔頂，通過錨栓固定，側(cè)板為20mm厚半圓環(huán)形鋼板，通過角焊縫與底板連接，底板和側(cè)板之間設置10mm厚加勁板。底板直接承受主索對橋塔的壓力，減小主索和橋塔之間的摩擦，側(cè)板限制主索的橫向位移。

2.2.3塔下基礎

懸索橋的基礎由承臺和樁基組成，承臺兼作主索錨碇。由于主索的拉力最終將傳遞給基礎，因此基礎必須具備抗剪、抗彎、抗傾覆性能。

本橋承臺長10.5m，寬6.4m，高2.5m，下設置4根D120樁基。根據(jù)力學分析可知承臺的傾覆彎矩M向跨中旋轉(zhuǎn)。為了充分發(fā)揮承臺大體積混凝土抗彎剪和樁基抗壓的優(yōu)勢，該橋?qū)蛩槝蛳蛑行牟贾迷诔信_中心之后，增大了抗傾覆力臂L，使得在M作用下受壓力F的樁基為抗傾覆作出更多貢獻。

圖2 橋塔與基礎構造示意圖(單位： cm)

2.3 纜索系統(tǒng)設計

2.3.1主索

主索索材采用6×19+IWS鋼芯鋼絲繩，通過索鞍架設在橋塔上，主索兩端錨固在索塔背后的承臺上。為保證足夠的安全系數(shù)，一邊主索采用2根φ 42mm的鋼絲繩，單根鋼絲繩破斷力1040kN。

2.3.2橋面索

本橋為不設置加勁梁、僅設置橋面系的柔性懸索橋，橋面系本身剛度較小，故通過設置2根橋面索提高結(jié)構整體剛度和抗風性能(見圖3)。橋面索采用和主索同樣規(guī)格φ42mm的6×19+IWS鋼芯鋼絲繩，橋面索兩端錨固于兩岸承臺上，通過U型螺栓和橋面系橫梁連接。施工時通過調(diào)節(jié)吊桿長度使其上拱產(chǎn)生張力。完成上拱后的橋面索和吊桿、橋面系橫梁和主索構成整體受力的空間桁架體系，由于橋面索和吊桿對主索產(chǎn)生預載，主索的成橋內(nèi)力增加，全橋剛度得以提高。此外，由于懸索橋垂跨比越大整體剛度越小[3]，本橋的小垂跨比布置也提升了全橋的剛度。

圖3 桁架體系示意圖

2.3.3錨固構造

橋面索和主索均通過錨固構造將拉索內(nèi)力傳遞給錨碇。錨固構造主要由拉板、圓鉸、螺桿、錨梁等構件組成(見圖4)。

圖4 錨固構造示意圖

拉板由Q345B鋼板加工而成，圓鉸、錨梁由Q345B圓鋼機加工而成，螺桿采用M36-9.8級精制高強螺栓及其配套螺母。

主索橋面索鋼絲繩纏繞在錨梁上，繩索回頭用繩夾固定，錨梁通過螺桿、圓鉸將主索的拉力傳遞給拉板前端，拉板后端通過PBL鍵和錨碇連接。

錨固構造因此形成了鋼絲繩—錨梁—螺桿—圓鉸—拉板—承臺基礎的傳力路徑，受力明確、結(jié)構簡單、便于施工，后期還可通過螺母調(diào)整索形索力。

2.3.4索夾與吊桿

索夾由兩片20mm厚機加工鋼板組成，通過高強螺栓張緊，產(chǎn)生咬合力(見圖5)。索夾中間設置一個環(huán)形螺栓連接吊桿。吊桿由HPB300拉桿和KOUD螺旋扣組成。拉桿連接索夾，螺旋扣連接橫梁上的U型螺栓，成橋以后可以通過調(diào)整螺旋扣的長度控制成橋線形和吊桿張力(見圖6)。另外，在主跨靠近橋塔的無索區(qū)設置3枚空索夾，保持主索的線形與整體性。

圖5 索夾構造示意圖

圖6 吊桿構造示意圖

圖7 橋面系構造示意圖(單位： cm)

2.4 橋面系設計

本橋為人行懸索橋，人群荷載是主要外荷載。為減輕結(jié)構自重，該橋不設置加勁梁而采用由橫梁、小縱梁和橋面板組成的柔性橋面系(見圖7)。橋面系全寬2.7m，其中人行道板寬2 m，道板外為吊桿區(qū)域。橋面板固定在小縱梁上，直接承受人群荷載，小縱梁將荷載傳遞給橫梁，橫梁再將荷載通過吊桿傳遞給主索。

2.4.1橫梁與小縱梁

橫梁采用126mm高Q345槽鋼，橫梁兩端設置連接吊桿、橋面索的U型螺栓和護欄立柱，中間焊接小縱梁。

小縱梁采用63mm高Q345槽鋼，全橋設置6道小縱梁，與橫梁交錯形成“井”字型梁格。

2.4.2橋面板與附屬設施

為達到景觀效果，橋面板采用40mm厚防腐木板，通過燕尾螺絲固定在縱梁上。

該橋主要附屬設施為護欄。護欄由立柱、橫梁、鋼絲網(wǎng)組成。為了適應柔性懸索橋的變形特性，橫梁與立柱連接設為鉸接。立柱和護欄均采用40×50 mm Q235方鋼管。護欄設置上下兩道橫梁，中間設置304不銹鋼絲網(wǎng)。

2.5 結(jié)構耐久性設計

混凝土結(jié)構耐久性應符合《公路鋼筋混凝土與預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362—2018)中相關規(guī)定。在施工中，要求改善混凝土品質(zhì)，增強混凝土密實性，降低水、氯離子等的侵入，提高鋼筋防銹能力，增強混凝土耐久性。

外露鋼板如支座預埋鋼板、欄桿鋼管等均需除銹防腐處理，防腐工作應在施工準備階段完成。鋼材防腐采用熱鍍鋅防腐涂裝和油漆防銹涂裝。

人行道木板采用防腐木。

3 結(jié)構計算

懸索橋為典型柔性結(jié)構，主要承重構件為主纜。外力作用下主纜產(chǎn)生較大變形，使結(jié)構剛度發(fā)生改變，而結(jié)構剛度變化又反過來影響主纜的受力和變形，這是柔索結(jié)構特有的幾何非線性特征。

工程上，一般以近似公式計算的方法獲得控制工況下懸索橋關鍵部位的內(nèi)力，從而指導設計，若想對結(jié)構任意位置進行詳細分析，則需借助有限元分析軟件。本項目通過建立懸索橋有限元模型，對全橋結(jié)構進行分析。

3.1 有限元模型建立

采用有限元軟件MIDAS CIVIL建立懸索橋的整體有限元模型(見圖8)?？紤]索單元的幾何非線性特征和初始剛度，根據(jù)預設的垂度，使成橋狀態(tài)主纜的豎向位移為0。

圖8 有限元模型

3.2 關鍵構件計算結(jié)果

3.2.1主纜強度驗算

該橋最不利工況為人群滿載時，人群荷載集度3.5kN/m2。人群滿載時單邊主纜最大拉力為475kN(橋塔附近)，單邊主纜破斷力為2080kN，安全系數(shù)為4.4。懸索橋垂跨比越小，主索內(nèi)力越大，且景區(qū)橋梁由于日后可能無專業(yè)路政人員管養(yǎng)，綜合考慮強度以及日后可能產(chǎn)生的腐蝕、磨損和疲勞等問題，應該適當提高結(jié)構強度安全儲備[4]，安全系數(shù)宜不小于4.0(見圖9)。

圖9 人群滿載主纜內(nèi)力圖

3.2.2吊桿強度驗算

最不利工況同樣考慮人群滿載時，吊桿最大拉力為10.3 kN。

吊桿構件中，P型KOUD螺旋扣承載力為20kN，M16HPB300圓鋼承載力為54.3kN，因此吊桿安全系數(shù)為1.94(見圖10)。

圖10 人群滿載吊桿拉力圖

3.2.3錨固構件強度驗算

錨固構件是結(jié)構承重的根本構件，承擔幾乎所有的荷載， 必須有足夠的強度，本橋設計思路為保證錨固構件的強度高于主索鋼絲繩的強度，以發(fā)揮鋼絲繩的安全儲備極限。

錨固構件由拉板(4片)、圓鉸(2個)、螺桿(2個)和錨梁(1個)構成，其中拉板、螺桿受拉，圓鉸和錨梁受剪，采用容許應力法計算這些構件的極限強度如表1。

表1 錨固構件強度計算構件受力特性截面積/mm2強度/MPa承載力/kN拉板受拉4 000.003101 240.00圓鉸受剪6 358.502761 754.946錨梁受剪9 312.002762 570.112螺桿受拉1 923.257201 384.740

由表1可知，所有構件強度均大于單根鋼絲繩破斷力1040kN。

3.2.4主梁撓度計算

經(jīng)計算，人群滿載時主梁產(chǎn)生最大撓度，位于跨中下?lián)?29mm，是為計算跨徑(70m)的1/306。由于現(xiàn)行規(guī)范并未對人行懸索橋剛度提出具體要求，但以往工程經(jīng)驗表明人行懸索橋的撓跨比不宜大于1/150，因此認為該橋結(jié)構剛度滿足要求(見圖11)。

圖11 人群滿載主梁撓度圖

3.2.5基礎水平力驗算

在恒荷載和人群荷載作用下，懸索橋的基礎承擔主纜的水平分力和橋臺背后大堤土體及堤面上汽車荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力。由于本橋采用承臺樁基礎，因此驗算群樁基礎的水平承載力。

3.2.5.1 承臺水平力計算

1)主索產(chǎn)生的水平分力。

主索在橋塔處和水平線夾角為26°(見圖12)，由3.2.1可知單邊主索最不利荷載工況下的拉力為475 kN，則整個基礎所受水平分力標準值:

H1=P×cos 26°=475 kN×2×0.9=855 kN

圖12 主索拉力P分解圖

2)大堤及堤上荷載產(chǎn)生的土側(cè)壓力。

橋臺需要嚴格控制位移，因此土側(cè)壓力按照靜土壓力公式計算。

橋梁承臺頂和大堤頂平齊，承臺高2.5 m。

根據(jù)公路路基設計規(guī)范(JTG D30—2015)公式(H.0.1-3)計算大堤上汽車荷載的等代均布土層厚度:

(2)

其中:q=19.375kN/m2(根據(jù)規(guī)范內(nèi)插)，γ=17.2kN/m3(項目地勘資料)。計算得:h0=1.15m。

由項目地勘資料知，大堤素填土內(nèi)摩擦角φ=12° ，因此靜止土壓力系數(shù):

K0=1-sin(12°)=0.792

承臺頂部的靜止土壓力:

σ1=0.792×1.15×17.2 kN/m3=15.7 kPa

承臺底部靜止土壓力:

σ2=0.792×(1.15+2.5)×17.2 kN/m3=49.7 kPa

承臺寬6.4 m，因此受到的土側(cè)壓力為：

H2=2.5 m×6.4 m×(15.7 kPa+49.7 kPa)/

2=523 kN

承臺受到的總水平力

∑H=H1+H2=1 378 kN。

3.2.5.2 樁身抗剪強度驗算

要驗算樁基礎的水平承載力，首先要明確計算承載力是由樁身強度控制還是由樁頂位移控制。因此首先假定樁基周圍土體完全固結(jié)，在水平荷載作用下樁頂不會發(fā)生位移，水平力完全由樁身抗剪承擔。

由3.2.5.1可知: ∑H=1 378 kN

基礎采用4根D120樁基，配置直徑10 mmHPB300螺旋筋，樁頂間距100 mm。其截面積為:

S=4πR2=4.52 m2

根據(jù)《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)第6.3.1節(jié)15條對樁頂截面抗剪承載力進行驗算，其中：b=1.76r=1.056 m，h0=1.6r=0.96 m。

計算得單樁斜截面抗剪承載力為1 421 kN，4根樁基抗剪承載力為5 684 kN>∑H，因此在水平力的作用下樁身不會發(fā)生破壞，橋梁樁基礎的水平承載力應該由位移控制。

3.2.5.3 樁基水平承載力驗算

樁基礎水平承載力根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ 94—2008)中(5.7.2)和(5.7.3)等公式進行計算。

首先根據(jù)公式(5.7.2-2)：

計算單樁水平承載力，計算參數(shù)及結(jié)果見表2。

表2 單樁水平承載力計算αEI/(kN·m4)νxX0/mRha/kN0.298 2 527 124.3 0.9 0.006 320.2

由表2計算可知單樁水平承載力為320.2 kN。由于承臺樁基礎采用4根D120樁基，因此須根據(jù)公式(5.7.2-1)計算樁基水平承載力特征值。

Rh=ηhRha

不計承臺摩擦力、側(cè)向土水平力的貢獻，由公式(5.7.3-6)可得：

ηh=ηiηr=1.0×2.05=2.05

因此樁基總水平承載力為：

2.05×320.2 kN×4=2 625.64 kN=1.9∑H

由上述計算可知樁基水平承載力大于外荷載產(chǎn)生的水平力標準值。橋梁的承臺樁基水平承載力滿足規(guī)范要求，且具有足夠的強度富余，結(jié)構安全合理。

4 施工要點

本橋位于景區(qū)，施工過程中不能影響景區(qū)周邊道路正常通行和居民生活。湖區(qū)水體受到保護，不能架設臨時棧橋且不能水下施工。針對項目具體情況確定施工方案要點并落實，是決定項目竣工能否達到驗收標準和業(yè)主方要求的關鍵。結(jié)合項目特點和以往工程經(jīng)驗總結(jié)了施工要點如下。

4.1 樁基施工

基礎采用鉆孔灌注樁，由于在大堤上鉆孔，靠近水源，土體受水壓、浸泡容易塌孔，因此成孔須用泥漿護壁并在成孔后立即灌樁。

4.2 承臺施工

承臺是大體積混凝土構件，澆筑時將產(chǎn)生大量水化熱。施工時應該分層澆筑，并在每個澆筑層中布置冷卻水管。

在主索和橋面索的承臺錨點位置要設置相應預埋件，并在澆筑混凝土的時候予以保護。

4.3 承臺護坡施工

本橋位于景區(qū)湖泊，建設方要求盡可能保護水體，避免水下施工，但橋臺錐坡部分位于水下，常規(guī)漿砌片石不能滿足要求，因此橋臺錐坡防護采用拋投賽克格賓方案。

賽克格賓為六邊形雙絞合鋼絲網(wǎng)面與填石組成的工程構件，具有穩(wěn)定性強、整體結(jié)合緊密、抗沖刷能力強、施工簡單易行等優(yōu)點。

4.4 橋塔施工

橋塔為A字型橋塔，斜交塔腿和頂部圓弧橫梁給鋼筋幫扎和立模帶來一定難度。鋼筋和模板需要精確定位。此外，在橋塔施工前必須搭建腳手架，確保高處施工安全。橋塔塔頂需設置索鞍預埋件，塔頂?shù)膱A弧度要與索鞍底板弧度吻合。

4.5 索鞍施工

索鞍由專業(yè)廠家制造，施工時在現(xiàn)場分段組裝。索鞍節(jié)段之間鋼板要頂緊，不能有縫隙。

4.6 主索施工

主索采用先導索卷揚機牽引過河，主索垂度調(diào)整是施工主索的最重要內(nèi)容，利用水準儀或者全站儀等精密測繪儀器測量調(diào)整。具體步驟如下：

1) 在塔柱上標定主索架設垂度對應的水平測點。

2) 架設主纜、測量主跨最低點的高程。

3) 測量塔柱標定測點的的高程。

4) 比較2)、3)測量結(jié)果，根據(jù)差值修正主索垂度。

5) 調(diào)整主索垂點高程比塔柱標定點高程高20 cm左右。

6) 將主索在錨點做永久錨固。

7) 后續(xù)主索微調(diào)通過旋轉(zhuǎn)錨固構件上的螺母實現(xiàn)。

4.7 橋面索施工

由于該橋主索、吊桿和橋面要形成共受力的桁架體系，確保橋面索架設后產(chǎn)生張力是施工關鍵。在設計階段通過計算確定橋面索的無應力索長，該橋的橋面索無應力索長為54.2m。施工時用顏料在橋面索鋼絲繩上標記兩點無應力索長。施工時一端先錨固，將一側(cè)標記置于錨梁上，另一端用卷揚機牽引，直至無應力長度的另一側(cè)標記位于錨梁處，遂將鋼絲繩固定。錨固時應使錨梁位于螺桿外側(cè)總行程3/4的位置處，以確保橋面安裝完成后有充分的行程范圍調(diào)整索力。

4.8 橋面系和吊桿安裝

橋面系施工，尤其是安裝橫梁、吊桿是一件十分困難和危險的工作，施工人員應嚴格遵守安全防范措施和分清各自的職責。

4.8.1橫梁安裝

由于本橋位于景區(qū)湖區(qū)，無法修建棧橋，且無法駛?cè)脒\輸船舶，因此橫梁安裝的步驟為：

1) 在橋塔之間架設和橋面索平行的安全索。

2) 在橋臺附近的橋面索上搭設臨時施工平臺。

3) 在施工平臺、安全索的保護下，安裝臨近橋臺的橫梁。

4) 在固定好的橫梁上繼續(xù)鋪設臨時平臺，由橋臺向跨中推進，安裝所有橫梁。

4.8.2吊桿安裝及橋面線形調(diào)整

由于橋面索在成橋時需要上提產(chǎn)生張力，上提力由吊桿提供，因此吊桿施工是確保橋面線形和橋面索張力符合設計要求的關鍵。其安裝步驟如下：

1) 在跨中、1/4跨徑位置用手拉葫蘆連接主索和橋面索、并將橋面索抬升至設計標高，然后設置臨時固定。

2) 在跨中橫梁處安裝吊桿，確認在臨時固定的保護下，跨中處吊桿不會承受太大拉力。

3) 從橋臺開始逐步向跨中安裝吊桿，安裝時，首先用手拉葫蘆提升橋面索至設計標高，然后將吊桿的KOUD螺旋扣和橫梁的U型螺栓連接，再放松手拉葫蘆，完成荷載轉(zhuǎn)移。

4) 全部吊桿安裝完成后，對稱拆除跨中、1/4跨的臨時連接，此時全橋吊桿的內(nèi)力將發(fā)生重分布，進而使吊點發(fā)生位移。

5) 再次測橋面索吊點標高，利用螺旋扣對吊點標高進行進一步精細調(diào)整，直到符合設計標高，最后進行小縱梁和橋面板安裝。

5 結(jié)語

該項目主體工程已完工，項目建設符合預期。本項目的建設實施豐富了景觀橋型，滿足了景區(qū)橋梁建設需求，得出了如下結(jié)論：

1) 景觀設計。

本橋采用小垂跨比單跨懸索結(jié)構，創(chuàng)造性地提出基礎、錨錠、橋塔一體化設計，大大減少了橋梁占地面積，解決了橋梁頭空間問題，景觀效果好。

2) 結(jié)構設計。

本橋采用A字型橋塔和高強度主索改善結(jié)構受力，采用橋面索提高結(jié)構剛度。

3) 施工。

為保護水體并解決水下錐坡防護問題，同時降低成本，提出拋灑賽克格賓方案，解決景區(qū)橋臺錐坡防護水下施工難題，為類似工程提出了有益參考。

本文提出了一種適應景區(qū)建設要求的新型結(jié)構—小垂跨比空間桁架懸索橋，從總體布設、景觀效果、結(jié)構構造、分析計算、施工要點等5個維度詳細介紹其設計理念、受力特點和施工要點，論證其創(chuàng)新性、合理性、可行性，為同類型橋梁提供設計參考。