人行悬索桥设计及计算分析

陈芙蓉

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

水利枢纽工程库区蓄水后，会淹没该地区原有道路，影响当地百姓出行，为跨越库区解决交通不便的问题，需要修建人行桥。拱式桥对地形条件的要求比较严苛，梁式桥的桥墩需要在深水中打桩施工，工艺复杂、造价较高[1]。悬索桥跨越能力大、造型美观，主跨采用钢构件，重量轻、抗弯能力强，且施工和后期维护较为方便，主要承重结构由架设在桥塔上的缆索承担，在竖向荷载作用下，通过吊索承受巨大拉力，充分利用了钢丝绳抗拉强度大的优良特性，形成受力明确的结构体系，不需要很高的索塔，便可以修建跨度较大的桥梁[2- 4]。所以与其他桥梁型式相比，选择人行悬索桥是比较经济合理的方案。考虑到本工程人行悬索桥的具体情况，充分研究施工条件和设计要求，综合研判选定最终整体方案和技术指标，运用有限元分析方法，对结构体系进行全面的分析和研究，使设计的人行悬索桥受力性能优良、施工方便、经济安全。本文将结构规格、材料品种选择的有利经验提供给同地区人行悬索桥设计从业者，为该地区脱贫攻坚、扶贫项目提供技术支撑。

1 工程概况

阿尔塔什人行悬索桥是阿尔塔什水利枢纽工程建成后，对淹没区域中的麦孜盖牧场的交通恢复工程。该桥左岸连接阿尔塔什水利枢纽工程库周恢复道路，右岸通过牧道与现有牧场(6万亩) 相接。工程位于叶尔羌河中游峡谷河段上，河谷呈“V”型谷，河流流向近东西向发育，河床高程1745～1750m，河谷底宽100～200m，河谷两侧山体雄厚，山顶高程通常2500～3000m不等，相对高度600～1000m。根据地形、地层及构造特征为峡谷形库盘。库区两岸大部分为裸露的基岩，主要由元古界和古生界的地层构成，岩层稳定，岩性以石英岩、砾岩、片岩、板岩、灰岩、花岗岩及片麻岩为主，岩层产状310°～355°SW∠40°～70°，走向与河谷走向夹角30°～55°。库区主要构造线与河谷斜交，除米亚断裂为区域性活动断裂外，其余断层规模均不大。桥址区岸坡整体稳定，局部岸坡较陡处分布少量卸荷岩体。桥址处河底高程约在1746m左右，后期水面高程将因蓄水上升到1820m(正常蓄水位)。

2 总体布置

该桥设计荷载采用人群荷载，桥面宽度1.8m，初始方案拟定为单跨两铰悬索桥，跨度为320m，主跨矢跨比为1/15，矢高21.333m，左岸背缆水平跨距44.402m，右岸背缆水平跨距17.413m。主梁竖曲线设置值为R=14000m，跨中处路冠高程1834.554m。桥型立面布置图如图1所示。

图1 桥型立面布置图(单位：mm)

2.1 主缆

悬索桥主要承重结构由架设在桥塔上的缆索承担，主缆通常由镀锌高强钢丝制成的平行钢丝束、钢丝绳、钢绞线制作，由于平行钢丝束弹性模量大、不需预拉、抗腐蚀性好、空隙率低，所以现代悬索桥多采用这种形式[5- 6]。

全桥设置两根间距为1.85m的缆索，线型为二次抛物线，另将61丝Φ5.1mm镀锌高强钢丝组成一股平行钢丝成品索，主缆由7股合制而成，缆索标准强度为1670MPa，弹性模量为2.0×105MPa。索夹处空隙率值为18%，索夹外该值为20%。主缆锚固体系选用冷铸锚型式，锚头锻造方式为现场加工，主缆在散索鞍后以辐射状展开后分别锚固在加劲梁的端锚梁上。

2.2 吊索及索夹

吊索是传递桥面活载和加劲梁恒载的主要杆件，全桥吊索共159对，采用竖直布置方式，吊索间距2.0m，采用24-6×19S+IWR钢丝绳(234kg/100m)，钢丝绳最小破断拉力363kN。吊索外包PE进行防护，两端均采用冷铸锚，上端通过叉形耳板与索夹连接，下端通过叉形耳板与加劲梁吊点耳板连接。

索夹由两个铸钢半圆部件组成，用高强螺栓连接紧固。索夹分成有吊索索夹和无吊索索夹，全桥共有173对，4种类型SJ1～SJ4。SJ1～SJ3为有吊索索夹，下端设有耳板与吊索联接，由于各处吊杆力大小及索夹位置主缆倾角有所差异，造成索夹规格不同，紧固索夹的高强螺栓数量也不一致；SJ4为无吊索索夹，主要布置于无吊索区，没有耳板，起夹紧主缆的作用。由于索夹和主缆形状分别是圆形和六角形，不能完全重合，所以用铅锌填料边填于缝隙处，确保索夹的抗滑系数在安全范围内[7]。

2.3 锚碇

主缆的锚固主要依靠锚碇，并通过锚碇将拉力传递给地基。锚碇主要有重力式和隧道式两种。重力式锚碇适应性较强，传力机理简单，主要通过锚碇自身重力和地基摩擦力承担主缆拉力[8]。隧道式锚碇的特点是，利用锚塞体充分发挥围岩的承载能力，并借助锚塞体自重和围岩一起承受主缆拉力，节约材料、开挖量少、经济性好，对周围环境破坏小，但对区域地形地质条件要求较高[9]。

受地貌影响，左右两岸锚碇都采取重力式，主体部分是C30钢筋混凝土。预应力操作室待预应力张拉完毕并灌浆后用片石混凝土封填。锚碇长13.0m，宽8.0m，高10.0m，左岸锚碇基底设计高程1837.285m，右岸锚碇基底设计高程为1844.612m，放坡支护开挖，基底应全部置于坚硬岩体内。浇注锚碇混凝土前需先采用固结灌浆对基础底部岩体的裂隙进行灌浆止水。桥位左右岸上下游侧均设置抗风锚碇，锚碇主体结构尺寸6.5 m×6.5 m×7m，基础结构尺寸8.5 m×8.5m×2m；抗风锚碇基底设计高程1821.131m，采用放坡支护开挖，基底应全部置于坚硬岩体内。

2.4 索塔

桥塔主要承受通过主缆传递到自身的竖向荷载并将其传递至基础，是支撑主缆的重要构件[10]。桥塔设计需要综合考虑地理因素、地质条件和工程造价等方面，既要满足结构受力性能的要求，又需使其施工简便、造型美观，达到设计合理、经济适用的效果[11]。本桥索塔为拱门型框架结构，结构材料主要为C30钢筋混凝土。索塔中部和上部分别设矩形下横梁和上横梁。塔柱由底部到顶部为等截面A型，纵向1.2m，横向1.5m，塔底中心间距6.0m，塔顶中心间距2.0m，高度26.0m。索塔基础选择扩大基础，基础结构分为两层，第一层长度11.5m，宽度5.2m，高度2.0m；第二层基础需置于坚硬岩体内，索塔第二层基础长度15.5m，宽度9.2m，高度2.0m，均采用C30混凝土浇注。浇注前需先采用固结灌浆对基础底部岩体的裂隙进行灌浆止水。

2.5 抗风缆

对于建在山区的人行悬索桥，结构稳定性是设计中的主要考量因素。在宽而深的山谷中，人行悬索桥的跨度往往比较大，桥面宽度因仅供人行不宜设置过大，导致结构宽跨比值较小，横向稳定性差。此外山区风力比较大，风荷载的作用对结构的整体稳定性也有一定影响，所以设计时务必要采取措施提高抗风强度和刚度，降低风致变形和避免风致失稳。抗风缆不仅可以提高横向稳定性，还能增强竖向稳定性[12- 13]。抗风主索采用7根48-8×31WS+IWR钢丝绳，标准抗拉强度1770MPa，公称直径144mm。抗风拉索采用66-8×31WS+IWR钢丝绳，公称直径66mm，标准抗拉强度1770MPa。抗风索采用立面跨比为1/50。钢丝绳采用绳夹连接和锚固，绳夹间距为300mm，为了确保安全，每个绳夹应拧紧至夹内风缆钢丝绳压扁1/3为止。抗风拉索通过钢筋环与桥面横梁连接，钢筋环焊接在横梁上。抗风索与水平夹角为30°。

2.6 加劲梁

桥面板按材料不同主要有木质、钢质和钢筋混凝土等3种形式。木质板强度低且易腐烂、耐磨损性差，也不便于维修，现行规范不允许使用；钢筋混凝土板力学性能好，缺点是重量大且破坏后更换困难；钢质板力学性能优良，且施工方便，可以通过优化截面减小风荷载来改善结构抗风性能，使用时需采取适当的防水防锈措施，延长使用寿命[14]。

加劲梁由横梁、纵梁、桥面板三部分构成，采用焊接拼装联结。纵梁、风构均与横梁焊接；纵梁顶板间焊接方式为连续焊接；花纹钢板纵向接头须在板端倒角，形成V形焊缝，做多次施焊；桥面板采用花纹钢板，板块间距1cm，以便与纵梁顶面焊接。横梁采用I20b工字钢；纵梁采用I14工字钢；风构采用75×8等边角钢；桥面板采用厚度为8mm的花纹钢板。

3 分析模型

3.1 模型建立

利用MIDAS桥梁空间非线性计算软件进行有限元计算，有限元模型中主缆、吊索均作为只受拉的索单元(共计642单元)、加劲梁作为梁单元(共计2906单元)；塔柱及其横梁结构用梁单元建立(共计56单元)；结构边界约束条件是：主缆锚固点和塔柱结构基础底部采用固定支座来模拟；加劲梁纵向位移和转动均不单独约束，仅在竖向与横向进行约束；桥面板、纵梁、横梁构件之间的非刚性连接节点通过主从节点约束来模拟[15]。计算模型如图2所示。

图2 有限元模型示意图

3.2 设计荷载

3.2.1永久作用

(1)结构自重：加劲梁取用3.4kN/m。

(2)二期恒载：涵盖桥面附属结构、栏杆等，共计0.7kN/m，按顺桥向均布荷载施加。

3.2.2可变作用

(1)人群荷载：3.5kN/m2，加载方式为全桥加载，不考虑集中荷载。

(2)风荷载：根据JTG/T D60-01-2004《公路桥梁抗风设计规范》附图A：全国基本风速分布图，本项目地点对应的基本风速为34.7m/s。本次计算设计基本风速采用32.5m/s。

(3)温度荷载：按照整体升温20℃、整体降温20℃取值。

3.2.3荷载组合

按JTGD60—2015《公路桥涵通用设计规范》要求对人行桥进行荷载组合计算，荷载组合情况如下：

(1)组合1=1.1恒载+1.4人群荷载。

(2)组合2=1.1恒载+0.825风+1.05升温。

(3)组合3=1.1恒载+0.825风+1.05降温。

(4)组合4=1.1恒载+1.4人群荷载+0.825风+1.05升温。

(5)组合5=1.1恒载+1.4人群荷载+0.825风+1.05降温。

4 计算分析

对人行悬索桥整体进行结构静力分析，由JTGD64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》第4.2.1条对桥梁承载能力极限状态按下式进行验算：γ0Sd≤Rd。对本桥在承载能力极限状态下结构受力分析结果如下。

4.1 主缆计算结果

图3为最不利荷载工况活载作用下主缆的轴向拉应力图，主缆的拉应力值在634.94～604.89MPa区间内变化，由塔顶主缆最高点到跨中主缆最低点该值逐渐减小，并呈对称分布的趋势。主缆的抗拉强度为1670MPa，抗拉强度分项系数为1.85，γ0Sd=1.1×634.94=698.434MPa<1670/1.85=902.703MPa，故主缆强度满足要求。

图3 主缆应力图(单位：MPa)

4.2 吊索计算结果

图4为本荷载工况下吊索的轴向内力图，全桥吊索最大拉力为50.50 kN，位于桥塔附近，最小拉力为21.89 kN，位于跨中主缆最低点。全桥吊索受力比较均匀，呈对称分布，吊索与主缆的链接方式采用的是销接式，钢丝绳吊索最小破断力363kN，抗拉强度分项系数为2.2，γ0Sd=1.1×50.50=55.55kN<363/2.2=165kN，吊索的强度满足规范要求。

图4 吊索内力图(单位：kN)

4.3 加劲梁计算结果

图5为本荷载工况下加劲梁的应力包络图，加劲梁结构包括桥面钢板、纵梁、横梁、风构。桥面系与索塔处设有支座，部分桥面系的重量由索塔下横梁承受。因此，靠近索塔附近的加劲梁应力有突变。全桥加劲梁最大拉应力为132.57MPa，最大压应力为125.29MPa，小于Q345钢材的强度设计值270MPa，强度满足要求。

图5 加劲梁应力包络图(单位：MPa)

4.4 抗风缆及抗风拉索计算结果

抗风缆及抗风拉索内力如图6所示。抗风缆最大拉力为4391.1kN，单根最小破断力为1410kN，抗拉强度分项系数为1.85，γ0Sd=1.1×4391.1=4830.21kN<7×1410/1.85=5335.1kN。故抗风缆强度满足要求。抗风拉索最大拉力为61.9kN，最小破断力为2670KN，抗拉强度分项系数为2.2，γ0Sd=1.1×61.9=68.09kN<2670/2.2=1213.6kN。故抗风拉索强度满足要求。

图6 抗风缆及抗风拉索内力图(单位：kN)

4.5 人群荷载与风荷载作用下桥梁变形

由图7可知，在全桥满布人群荷载作用下，跨中最大挠度值为0.578mm，满足挠度值在活载作用下小于L/250(1.28m)的条件，符合规范要求。

图7 恒载作用下加劲梁竖向位移图(单位：mm)

由图8和图9可知，无抗风缆状态下，在风荷载作用下加劲梁的最大横向变形为4.664m，不满足规范中关于风荷载作用下最大横向位移不大于L/150(2.133m)的规定。当设置了抗风缆后，在风荷载作用下加劲梁的最大横向变形为1.129m，满足规范规定。

图8 无抗风缆时加劲梁横向位移图(单位：m)

图9 有抗风缆时加劲梁横向位移图(单位：m)

5 结论

(1)该桥型跨越能力大，结构简洁，受力明确，便于施工且造价低，对于在水利工程库区淹没区修建跨越沟谷的人行桥具有明显优势和参考价值。

(2)该类型人行桥跨度大，桥面宽度小，横向刚度相对较弱，通过设置抗风缆可以增加结构的横向刚度、竖向刚度以及抗扭刚度，并且改善整个结构的抗风稳定性，进一步加强了安全性。

(3)悬索桥的横向刚度主要受加劲梁宽度和主跨跨径比值的影响，设计时可采用合理的宽跨比增加结构的横向刚度，进而优化抗风缆设计。

(4)本文仅对该桥的静力特性进行了研究，对于动力学特性和抗震分析有待进一步研究计算。