山区人行悬索桥抗风稳定性技术措施

（浙江大学建筑设计研究有限公司，浙江 杭州 310027）

0 引言

随着国家大力支持自然风景生态景区的开发，景区游线的扩展、优化及优化游客体验显得尤为重要，特别是提升景区体验感的跨山桥梁的建设显得更加迫切。由于景区地势的独特性，跨越景区山谷的桥梁大多采用跨越能力较强、施工简便、对环境破坏小的柔性悬索桥，但是，柔性悬索桥由于其具有刚度较小、跨宽比较大等特点，对风荷载的作用非常敏感。因此，在桥梁的施工、设计等各阶段就应采取技术措施来提高其抗风承载力及稳定性。目前，马召宇研究了设置风缆对人行悬索桥抗风稳定性的影响，提出了风缆的提升使人行悬索桥在不同的张力下的抗风稳定性得到提高[1]。陈龙贵对柔性悬索桥的抗风性能进行了研究[2]。李丽娜针对悬索桥各构件减少风振影响进行了研究[3]。石凯对人行悬索桥的抗风稳定性进行了研究[4]。雷鸣对山区大跨悬索桥在非均匀风荷载作用下的静风稳定性进行了研究[5]。

该文通过对山区人行悬索桥的特点及悬索桥风载响应特点的分析，结合某景区内的悬索桥工程，从桥梁各个构件角度出发，提出了一些实用的提高柔性悬索桥在风荷载作用下稳定性的技术措施。

1 山区人行悬索桥的特点

山区环境由于地势条件复杂，在山区建设桥梁容易受到施工作业空间、施工机械、运输条件、环境保护、跨越能力等因素的影响。因此，山区桥梁大部分需要采用柔性悬索桥。因为它具有跨越能力较大、施工作业空间较小、施工机械要求较低，同时对环境破坏较小、结构构件轻巧等优点。山区人行柔性悬索桥主要有4 个特点[1]。

1.1 垂跨比较小、拉索用量较大

为减少对周边环境破坏，景区悬索桥往往不会设置对景区环境破坏较大的主塔，而仅设置锚碇进行拉索锚固。在兼顾行人行走舒适性和拉索受力合理的情况下，其垂跨比一般在2%～6%，并且其刚度受拉索的拉力影响较大。因此，为了保证人行悬索桥有足够的刚度来抵抗风荷载，与设置主塔的悬索桥相比，在相同跨径下，其拉索用量也较大。

1.2 荷载较小

山区人行悬索桥荷载较小的原因不仅体现在人群活荷载较小，更体现在悬索桥由于受施工、结构等影响，其构件大部分采用小型预制构件以便于运输吊装施工及结构受力，从而导致结构整体自重较小，进而使承重索在恒载作用下拉力较小，因此，其整体刚度较低。

1.3 跨宽比较大

人行悬索桥一般跨径较大、宽度较窄、高度较低，即跨宽比较大且整体比较纤细，因此其横向抗风稳定性、结构阻尼和自振频率均较低，对抗风稳定性较为不利。

1.4 对活荷载较为敏感

由于人行悬索桥主要受力构件为承重索，而承重索为柔细构件，在活荷载作用下极易振动。特别是在风荷载的动力的作用下，产生的振动不仅影响行人的舒适性，而且影响结构设计的承载能力及稳定性，而山区峡谷区域往往是强风区域，因此，在山区区域，人行悬索桥的抗风承载能力及稳定性将是该类桥梁设计的控制性因素。

2 悬索桥风载响应特点

风对桥梁的作用可以分为静力与动力2 种[3]。其中，静力作用与其他活荷载类似，主要考虑的是由于风荷载直接作用而产生的效应以及在风荷载作用下引起的承载能力及稳定性问题。由于，静风荷载主要垂直于作用面，因此，桥梁纵向断面形式、杆件尺寸和作用面范围直接影响静力作用的大小。通过以往的桥梁事故分析，桥梁由于风荷载静力作用而导致的破坏较少。

风对桥梁的动力作用则表现为颤振、涡振、驰振和抖振等动态反应。其中颤振和驰振现象是桥梁在风场作用下产生的发散振动[2]，它是由于桥梁本身振动而产生的，当风速持续增大，超过临界值时，桥梁结构就会出现大位移变形，导致破坏。而涡振和抖振现象是桥梁在风场作用下产生的限幅振动[2]。限幅振动一般是在风速较小的情况下发生的，桥梁结构的振幅变化不是很大。

3 案例分析

3.1 项目概述

某风景区须建设一座连接2 个山峰的跨山景观桥，山峰之间距离约为130 m，在综合考虑经济性、技术可行性、施工便利性、环境保护等特点的情况下，该桥结构形式采用了无加劲梁单跨柔性悬索桥体系，桥梁跨径布置为1 m～133 m，总长为145 m（2 个锚碇锚固点之间的距离），设置3%的纵坡；桥梁横断面净宽为3 m，两侧设置护栏和抗风稳定索，结构总宽为4 m，设计人群荷载3.5 kPa，桥面采用钢格栅+塑木铺装组合形式。

该桥设2 根主缆，位于桁架底部，固定在桁架下横梁下方，成桥时主缆垂直平面内的垂跨比为3.99/133=3/100。主缆截面由61 根直径为15.24 mm 的环氧涂层钢绞线组成。每根钢绞线外包HDPE（高密度聚乙烯）套管，61 根钢绞线组成六边形，用索夹定型。主梁采用钢桁架结构，桁架各杆件均采用钢管，考虑到行人在桥上行驶时桥梁上下振动较大，因此各节段之间采用销轴连接。

3.2 主要抗风技术措施

3.2.1 主梁采用空间桁架结构

与以往未设置主塔的柔性悬索桥采用简单的纵横梁布置或仅设置横梁不同，该桥梁在设计时，主梁采用空间桁架结构，与主缆形成张弦式受力体系，结构断面布置如图1 所示。

该体系有4 个优点。1）采用桁架结构相对于简单的纵横梁布置或仅设置横梁，由于其自重增加，使承重索拉力增大，桥梁结构刚度随之增大，从而提高桥梁抗风的稳定性。2）空间桁架结构杆件截面尺寸较小、空间通透性良好，较小的受载面积降低了风荷载的静力作用。更为重要的是，采用空间桁架结构由于其通透性良好，风荷载能够自由流动，从而能够有效地降低风荷载的动力作用，而风荷载的动力作用往往取决定了悬索桥的安全性、稳定性和舒适性。3）桁架结构刚度比纵横梁结构大。对桥梁的整体刚度提高较为明显，从而减小了桥梁在风荷载作用下的振动。4）由于承重索的垂度及线型可以通过桁架的高度来调整，因此，在保证承重索受力的情况下，桥面仍能保持水平，增强了行人行走舒适度，从而使该结构体系适用性更强。

3.2.2 承重索设置在桁架下方并与桁架下弦紧密连接

相对于将承重索通过吊杆设置在主梁上方，将承重索设置在主梁下方并紧密相连，可有效地降低承重索直接承受风荷载作用，并增强了两侧承重索的整体刚度。

3.2.3 桁架上弦两侧设置抗风稳定索

通过在桁架上弦两侧设置抗风稳定索是，可以保证空间桁架在横向荷载（主要为横向风荷载）作用下的侧向整体稳定。抗风稳定索采用4 根直径为44 mm 的钢丝绳，通过“U”形扣连接在钢桁架的下横梁上

3.2.4 采用护栏索增强抗风稳定性

护栏的设计也采用了对提高桥梁整体抗风能力非常有利的护栏形式。护栏采用带φ12.7 mm 不锈钢丝绳的简易护栏，每侧设置4 道钢丝绳，钢丝绳采用“U”形扣连接在护栏立柱上。

3.2.5 铺装采用透风性较好的钢格栅+塑木铺装组合

采用透风性能较好的桥面钢格栅+塑木铺装，将有利于风力在桥梁范围内的自由流动，从而降低由于风荷载引起的振动。

4 结语

随着国家政策对生态风景区开发的倾斜，山区人行悬索桥的建设势必会越来越多，而其抗风稳定性是亟需解决的一个问题，需要在研发、设计、施工、管理等各方面进行研究，特别是对于相关的设计理论基础和设计方法需要更加深入的研究。该文通过对某景区人行悬索桥的案例分析，从主体结构、附属栏杆、桥面铺装、抗风稳定索的设计角度出发，阐述了该桥在解决抗风稳定性方面所采用的一些实用技术措施，对今后其他山区人行悬索桥有一定的借鉴作用。

图1 桥梁结构断面布置