何明梅

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵 阳 550002)

在我国西南地区，地势崎岖，山峦起伏，在长距离输水过程中，经常会遇到山谷、河流和大冲沟等天然障碍物，当采用地下穿越方案受到限制时，要考虑采用空中跨越结构作为管道工程设计中的辅助结构，一般多采用渡槽、管桥等方式进行跨越。其中，管桥又有拱式、梁式、悬索式等，悬索式管桥是一种柔性体系结构，与其他的桥梁结构相比，悬索式管桥的结构尺寸简洁轻巧、施工较为简单方便、工程投资较少，对山谷、河流和大冲沟具有良好的适应性，避免了施工过程中水下作业的复杂性，也避免了管道在运行过程中管桥下部结构有可能受到的水流影响等不利条件。在我国许多山区地方，大跨度悬索桥在交通运输中已经发挥了不可替代的作用，而在输水工程中还较为少见。因此，本文对某跨乌江悬索管桥的设计与计算进行简要介绍，以供其它类似工程进行参考。

1 工程概况

贵州某工程在自流输水过程中，需跨越乌江，跨越段为一个V型谷地，两岸均为陡崖，管桥跨度约200 m左右。若考虑下承拱式管桥，工程投资较大，施工较为复杂，临时费用较高。由于管桥主要用于输水，桥面较窄，考虑工程投资，决定采用柔性吊桥方案。悬索管桥设计跨度210 m，桥面设计高程433.60 m，管道设计流量为0.352 m3/s。

河床高程约290.0～295.0 m，水面宽78.0～93.4 m。左岸地形坡度约66°～68°，右岸地形坡度约72°～75°，呈对称V型纵向谷，左岸边坡为逆向坡，右岸边坡为顺向坡。据地表地质调查揭露，左岸岩体强风化深3.0～5.0 m，弱风化深10～15 m；右岸岩体强风化深4.0～4.4 m，弱风化法向厚3.9～4.1 m；河床铅直强风化厚3.3～3.6 m，弱风化铅直厚3.5～3.8 m。管桥基础置于溶蚀强风化基岩上，岩层缓倾，岩体为中至厚层块状结构，总体稳定性较好，溶蚀强风化灰岩建议承载力为800～1 000 kPa。

桥梁所在地属中亚热带季风气候地区，多年平均气温16℃，最高气温28℃，最低气温-4℃。管道主要是在灌溉期(3-7月份)运行，月平均气温均大于零度。

2 总体设计

悬索管桥主要包括缆吊系统、锚锭、索塔以及桥面系统，下面对各部分设计进行简要介绍。

2.1 缆吊系统

缆吊系统由主缆、吊索、风缆、索鞍等几个部分构成。

全桥共布置2根主缆，每根主缆由5根6×36 W +IWR镀锌钢丝绳构成。单根钢丝绳含6股，每股36根镀锌高强钢丝。单根主缆长270 m，设计矢跨比为1/20，每根主缆穿过索塔塔顶的索鞍后向下锚固在两岸岸坡的锚碇上。主缆与桥面采用吊索连接，每根吊索直径25 mm，采用柔性镀锌平行高强钢丝，顺桥向吊索间距2.5 m，左右各85根，吊索上端与主缆采用索夹固定，吊索下端与横梁采用高强螺栓连接。

为维持桥面的稳定，在桥面两侧各设置1根风缆及抗风拉索，风缆由抗风拉索通过设置在风缆与桥面横梁上的滑轮与桥面连接在一起，风缆两端分别锚固在修建于岸坡上的风缆锚锭上。

索鞍由上下两半通过高强度螺栓连接，主缆鞍和散索鞍都采用全铸钢传统结构，并且为了适应施工期间主缆鞍相对塔顶中心线的顶推和主缆的微量滑移，在主缆鞍下设置座板，在散索鞍下设置盆式滑动支座。

2.2 锚 碇

该工程两岸地质条件较好，在两岸岸坡修建主缆锚碇，选择重力式钢筋混凝土结构基础，基础外形尺寸为12 m×12 m×8 m，主缆张力通过锚碇传给地基，并且在锚碇底面预埋A25锚杆以增强锚碇稳定性。风缆锚碇修建在主缆锚碇两侧，基础外形尺寸为3 m×3 m×3 m。

2.3 索 塔

索塔采用钢筋混凝土门式结构，索塔承台基础厚度1.5 m，截面尺寸5.1 m×4.5 m，索塔从承台基础顶部到鞍座底部的高度为19.5 m，塔柱为实心截面，横桥向宽度为3.2 m，顺桥向宽度为2.5 m，两根塔柱中部设置一道横梁，横梁截面尺寸0.4 m×0.2 m。

2.4 桥面系统

管桥桥面设计宽度2.5 m，桥面横梁及纵梁采用槽钢焊接而成，横梁采用10#槽钢，纵梁采用6.3#槽钢，横梁布置间距为2.5 m，纵梁布置于桥面两侧，均与吊索位置相对应，梁上铺设厚6 cm木板，木板上铺设厚2 mm钢板网，两根DN400 mm螺旋焊管铺设在桥面两侧，对称布置，每隔15 m设置波纹管伸缩节，并每隔2 m设置橡塑管托，以固定管道，防止管道两侧滚动。桥面板铺设硬木板，应定期检查，如有损坏，及时更换。管桥平面布置图见图1。

3 结构计算

悬索桥主要有主缆、锚碇、索塔、风缆等，其中主缆是悬索桥的主要承重构件，它主要承受拉力，不承受压力和弯矩，用抗拉强度高的钢缆制作，而主缆拉力又通过锚碇传给地基，所以本文主要介绍主缆结构计算以及主缆锚碇稳定计算，以供类似工程参考。

3.1 设计依据

悬索管桥设计过程中，主要依据最新的《公路悬索桥设计规范》(JTG/T D65-05-2015)、《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)、《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)等桥梁规范以及《悬索桥设计》等相关专业规范与专著来计算，以满足使用要求。现行规范是采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，并按照分项系数的设计表达式进行设计。

图1 输水管桥平面布置图

3.2 设计荷载

该管桥荷载主要为缆吊体系自重、桥面自重、桥上人行荷载、桥上管道自重及水荷载，管桥设计人行荷载为3 kN/m；桥面铺设两根DN400 mm螺旋焊管过水，运行过程中水满管，螺旋焊管自重及水荷载为3.3 kN/m。经计算，总荷载设计值为13.3 kN/m，单根主缆设计值为6.65 kN/m。

3.3 主缆受力计算

采用抛物线法计算主缆受力，在主缆受沿跨度方向的均布荷载为q时，主缆的水平拉力为：

式中：H为主缆水平力；f为主缆跨中最低点到桥面的竖向距离， 即矢高；q为沿主缆跨度方向的均布荷载；l为主缆跨度。

该桥主缆跨度210 m，矢跨比为1/20，f=210/20=10.5 m。由于桥梁的矢跨比较小，钢索张力与水平力比较接近，故以索的水平力代替主缆的张力。

经计算，H=3491.3 kN。

3.4 锚碇稳定计算

根据该管桥建设的实际地形，分别在南北两岸修建主缆锚碇，主缆锚碇采用钢筋混凝土结构，两岸锚碇结构尺寸相同。

锚碇受水平拉力：

式中：F为锚碇所受主缆的水平拉力；H为主缆的总张力；α为主缆与锚碇水平面的夹角；α=15°

锚碇基础抗滑稳定系数kc按下式计算：

式中：kc为抗滑动稳定性系数；∑Pi为竖向力总和，锚碇自重与主缆垂直分力矢量和；∑Hip为抗滑稳定水平力总和，在本工程中为零；∑Hia为滑动水平力总和，主缆水平分力；μ为基础底面与地基之间的摩擦系数，根据地质资料，管桥两岸均为灰岩，抗滑系数μ取0.65。

经计算，锚碇基础抗滑稳定安全系数为2.5，大于2，满足规范要求。

其余结构的计算等可参照有关文献进行，本文不再赘述。

4 结 语

目前国内水利工程中，面临着许多管桥的设计与施工任务，本文结合工程实例，简要阐述了悬索管桥设计以及结构计算。结果表明，利用悬索管桥作为一种跨河输水方案是可行的，以供同类型工程设计参考。