某人行悬索桥总体设计及受力分析

2022-06-28廖宸锋马耀宗冯彩霞

西部交通科技 2022年4期

关键词：受力分析结构设计

廖宸锋马耀宗冯彩霞

【摘要：】文章以某大跨度人行悬索桥为例，介绍其设计要点，并通过静力计算及稳定性计算，分析了该类桥型的受力特点，可为同类型桥梁设计提供参考。

【关键词：】人行悬索桥;结构设计;受力分析

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0 引言

人行悬索桥由于造型优美，跨越能力强，常应用在旅游景区及山区等交通不便的地方以跨越山谷或河流。人行悬索桥宽跨比小，主要受力活载为人群[1]，与常规悬索桥有较大区别，且相关规范针对人行悬索桥的条款也较少，因此对该类桥型的设计及受力进行总结分析具有重要意义。

本文以某大跨人行悬索桥为例，介绍其设计及受力分析要点，以期为同类桥型的设计提供借鉴。

1 工程概况

某人行悬索桥位于水电站上游，桥位区属河谷地貌，地形起伏不大，地面高程在545～565 m，相对高差20 m，如图1所示。大桥为连接两岸新农村的交通要道，且为当地景区规划中的重要桥梁。桥梁采用单跨112 m的柔性悬索桥，并结合景区规划在0#锚锭上设置行人栖息亭榭。

2 技术标准

（1）跨径组合：（36+112+14.5） m。

（2）桥面宽：总宽2.15 m，净宽2.0 m。

（3）设计荷载：人群荷载按3.5 kN/m2取值。

（4）垂跨比：设计成桥恒载状态下，主跨主缆垂度为7.5 m，即垂跨比f/L=1/14.93。

3 总体设计

本桥结构体系为单跨双铰悬索桥，桥梁跨径组合为（36+112+14.5） m，桥宽2.15 m（净宽2.0 m）。主缆设两根，中心距为2.4 m，吊杆间距为2 m。为增强结构稳定性，另布设了4根辅助缆。桥面系采用梁格体系，桥面板采用木板。桥塔为钢筋混凝土门式框架结构，其与辅助缆基础均为嵌岩钻孔桩基础。主缆锚碇为钢筋混凝土框架结构，锚碇基础采用挖孔桩。主缆锚固于锚碇上，辅助缆分别锚固于钢横梁以及辅助缆锚碇上。

4 结构设计要点

4.1 主缆设计

主缆由22股j15.24 mm钢绞线组成，标准强度为1 860 MPa，主缆索体最小破断拉力为5 729 kN。主缆线形为分段悬链线，无应力长度为165.248 m，通过张拉端锚具锚固于锚碇上。

4.2 辅助缆设计

辅助缆受力较复杂，不仅受力及变形大，还可能受扭转作用，因此采用扭绞型钢丝拉索，由19根5 mm高强钢丝组成，标准抗拉强度为1 670 MPa。辅助缆施加预拉力，并通过热铸锚将索体两端分别锚固于桥面系钢横梁以及辅助缆锚碇。

4.3 索鞍设计

索鞍主体采用ZG270-500铸钢，纵横加劲肋为Q235c钢板，通过塔顶预埋件固定于桥塔上。为满足成桥后主缆在索鞍鞍槽内的抗滑稳定性，需通过索鞍顶部盖板对主缆施加预压力。为使索塔保持良好的受力状态，索鞍在施工时设置偏向主缆锚点的预偏量。

4.4 索夹设计

采用销接式索夹。索夹主体材料采用ZG270-500铸钢。

4.5 吊杆设计

吊杆采用20 mm的HPB300光圆钢筋，通过上下吊点螺母铰接于索夹和桥面系钢横梁。吊杆纵桥向间距为2 m，横桥向间距为2.4 m。吊杆两端设置螺纹，便于吊杆螺母的定位。

某人行悬索桥总体设计及受力分析/廖宸锋，马耀宗，冯彩霞

4.6 桥面系设计

桥面系采用梁格体系，整体性强，可避免断吊杆工况下结构的垮塌。橋面系由槽钢制作的横梁与H型钢制作的纵梁采用先栓后焊进行连接。桥面板为30 mm厚Ⅱa级木板，采用锚栓与桥面纵梁连接。

4.7 桥塔设计

索塔采用钢筋混凝土门式框架结构，施工便捷，后期养护成本低。索塔总高11.3 m，采用五边形截面，塔顶截面尺寸为1.2 m×0.6 m，塔底截面尺寸为1.2 m×0.9 m，采用实心断面。索塔顶部设上横梁一道，高1 m。

4.8 锚碇设计

主缆及辅助缆锚碇均通过桩基础嵌固于中风化基岩。

5 结构静力分析

5.1 有限元模型

采用Midas Civil软件建立三维空间有限元模型，主缆、辅助缆采用索单元模拟，吊杆采用只受拉桁架单元模拟，桥面系钢纵、横梁以及桥塔和桩基础采用梁单元，全桥共1 198个节点、1 244个单元（见图2）。

5.2 荷载工况

计算中，考虑以下四种工况[2]：

（1）恒载+整体温降+满人荷载+十年横风。

（2）恒载+百年横风。

（3）恒载+整体温降+满人荷载+十年纵风。

（4）恒载+百年纵风。

5.3 静力分析计算结果

各工况计算结果如表1所示。

根据计算结果可知：

（1）在工况一作用下，全桥竖向位移及主缆内力最大，分别为0.42 m和1 367.2 kN。

（2）在工况二作用下，即百年横风作用下，加劲梁应力最大，为171.82 MPa。

（3）主缆、吊杆在最不利荷载作用下的索力安全系数均>3.5，满足要求，其中工况一对其影响最大。

（4）在百年横风工况下，结构横向位移最大，达到0.645 7 m。

综合计算结果，桥梁整体受力的各项指标均满足规范要求。对于宽跨比较小的柔性人行悬索桥而言，横风作用控制其设计，计算时应特别注意验算其对结构的影响。

5.4 辅助缆对于全桥结构位移约束的影响分析

由前述计算可知，对柔性悬索桥设计起关键控制作用的是“百年横风工况”。设计中对本桥采用了不设辅助缆和设辅助缆两种情况的对比分析。经过计算可知，不设辅助缆时，全桥在百年横风作用下横向位移约为0.65 m（见下页图3）;设辅助缆时，全桥在百年横风作用下横向位移显著减小，只有0.2 m（见下页图4），减少约69%。综合考虑结构耐久性、行人行走的舒适性等，设计中增设了4根辅助缆。

6 结构稳定性分析

人行悬索桥柔度大，尤其是跨径越大，其稳定性问题越突出[3]。文中采用四种工况对其稳定性进行分析。

（1）工况一：全桥满布人群荷载。

（2）工况二：全桥一侧半布人群荷载。

（3）工况三：全桥一侧半布人群荷载+十年一遇横风向荷载。

（4）工况四：百年一遇横向风荷载。

其中，十年一遇风荷载基本风速考虑为20.4 m/s，百年一遇风荷载基本风速考虑为30.2 m/s。

稳定性计算结果如图5～8所示（λ为桥梁结构稳定系数）。

由计算结果可知：

（1）在人群活载作用下，无论采用全桥满布人群还是一侧半布人群的活载施加方式，大桥的稳定性均较高，说明人群荷载对其稳定性的影响很小。

（2）在横风作用下，结构稳定性较人群活载相比小得多。其中，在百年横风作用下，结构稳定系数仅为2.78 是控制本桥稳定性的控制荷载。

综合计算结果，桥梁结构最小稳定系数在2.5以上，结构稳定性满足规范要求。