山东潭溪山人行桥设计与施工过程关键技术分析

宋瑶 王鑫雨 于露 程德 胡井雷

摘要：公路悬索桥与人行悬索桥相比，其设计过程复杂、建造难度大。本文以“2020年国际桥梁亚瑟海顿奖”获奖项目——山东潭溪山人行桥为研究对象，从设计原理、设计难点及解决方案、施工技术创新等方面进行研究分析，防范了设计存在的一些重大安全隐患，确保了工程结构安全与正常施工。

关键词：悬索桥;设计;施工

一、项目概况

山东潭溪山人行桥为钢拱桥（无背索斜拉式弧形桥），桥面外弧形，桥面宽度1.8m，通过15道钢索与主拱连接，采用Galfan钢索，抗拉强度为1670MPa。弧形桥面总长度为126m，横跨悬崖之间，跨度约103m，矢高25m。钢结构主拱为φ2000×30钢管，钢材型号为Q345B。

二、结构设计

（一）设计原理

桥墩基础位于山体西侧与东侧两端位置，桥墩基础周围为山体岩壁临空面。利用点云后处理Cyclone软件进行后处理导入Rhino软件中进行三维协同设计，下图为山东潭溪山人行桥基础与山体整体三维模型示意图。桥墩基础为桩筏基础，西侧承台高度为4m，东侧承台高度为2m，结合混凝土支墩与钢柱角连接。根据山体地层及施工设备，采用直径300mm钻孔灌注桩，桩长15m，进入弱风化石灰岩。钢结构拱桥支座承受较大的水平推力，同时由于桥面为外弧形，基础还承受较大的向山体外侧的弯矩。为桥墩基础位置选择及设计分析带来较大难度，桥墩基础需远离岩壁布置，并对桥墩基础受力状况的岩体稳定进行分析。

本项目采用徕卡C10三维激光扫描仪，为得到完整的三维模型，从各个角度去对山体进行扫描，因此需要合理的选择站点，每两个将进行拼接的站点之间至少要有 15% 以上的重合区域，且重合区域要有比较明显的特点，便于后续的点云数据的有效拼接。针对本项目实际，在山体周边布置6个站点，进行点云拼接、去噪后获得较为完整的山体地貌点云数据。然后通过点云处理，获得山体地貌精准的三维模型。通过三维激光扫描获取山体准确地形，同时考虑桥台基础定位，建立山体及桥墩基础的整体三维模型（见下图），将模型导入有限元分析软件ANSYS，进行受力分析。岩体分层根据地勘钻孔资料进行划分，桥墩及山体采用四面体实体单元模拟。邻近承台及桩基础周边单元网格尺寸约20cm，远离桥墩基础单元网格尺寸逐步加大，网格尺寸约50～100cm。

（二）设计难点及解决方案

设计方面要解决的难点之一是岩体的稳定性问题。设计中应用了三维激光扫描定位技术，设置了6个扫描站点悬崖岩体全貌进行了扫描，通过点云拼接、去噪处理，构建了崖体、桥墩及基础的三维数值计算模型，通过数值计算与分析，确保了悬崖岩体的稳定性。

设计方面要解决的难点之二是设计目标的可实现性问题。采用设计—制作—施工全过程一体化设计理念，在充分考虑预应力张拉、桥面和拱架安装的可实施性及避免危险高空作业的目标下，进行结构的预应力初始状态设计与计算。考虑斜拉索的初始预应力由拱架和桥面自重的相互作用产生，通过调整拉索原长及预应力值使得初始状态下桥面中点起拱600mm左右，在人行荷载下，桥面不产生向下的挠度。这样的设计理念，避免了在桥面上布置张拉工装、进行危险的高空作业。

三、施工技术创新

（一）平移和旋转施工方案

景区运输条件很差，桥面和拱架只能小段工厂制作、运输到现场安装。但现场场地狭小，采用自悬崖底部搭设脚手架或支撑柱的方案，或者悬崖底部拼接、整体提升的方案，代价极大、危险性较高。而一体化设计理念实现的条件是桥面和拱架需布置在一定的位置、连接斜拉索的两端后由桥面和拱架的自重导入预应力。而只有将桥面和拱架放置在其夹角小于120度的位置上，才能连接无应力的长度为原长的斜拉索。综合以上因素，采用旋转桥面和拱架的安装方法就自然形成。

（二）临时旋转铰接节点构造

桥面与拱架的拱脚设计均为刚接连接，为了实现旋转施工，必须设置临时的旋转铰接节点，旋转到位后再固定和封装节点。临时铰接节点采用简单的销轴连接方式，两拱脚处销轴位于拱脚连线上，销轴节点必须满足大角度旋转的要求。

（三）拱推力主动平衡装置

拱在水平位置拱脚无推力，而拱在旋转过程中，拱脚会产生随与地面夹角变化的推力。这一推力会使临时旋转节点上的钢板抵紧而产生摩擦力，当摩擦力很大时会使拱无法旋转。所以，必须设置抵抗拱脚推力的平衡装置。当然可以设置连接两个拱脚的拉索来被动地抵抗拱脚推力，但长度109m的水平索拉力事实上仅取决于垂度、基本为定值，无法平衡变化的拱脚推力。

（四）搖摆柱子及爬升装置

为拱的旋转提供推力是旋转施工实施的关键。在跨度的1/3处两个位置各设置一根摇摆柱，摇摆柱的基础为铰接连接、可以360度旋转。摇摆柱中设置爬升装置，爬升装置由一组液压千斤顶和钢套筒组成。钢套筒在千斤顶推力下可以沿摇摆柱爬升、停止爬升后可予以定位。千斤顶顶升推力根据施工过程的数值计算随拱旋转角度输入。

（五）运维全过程的控制与监测技术

运行过程中的舒适度是景观人行桥必须考虑的问题。计算分析表明，谭溪山景观人行桥的舒适度为CL4不可接受类别。工程中，设置了10个TMD，使桥梁舒适度达到了CL1最好类别。施工完成后、TMD安装前后的人行现场实测证明了数值计算与分析的正确性。

为了确保景观人行桥在运行期特别是节假日高峰运行期的安全性，对人行桥建立了运营期全寿命健康监测系统。对每根索布置了EM索力传感器，在桥面上布置了三个三向加速度仪。如果加速度值超过设定的门槛值，系统将自动向人行桥运行管理部门和负责人报警。

参考文献：

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[2] 康迎宾，杨雪. 简易人行悬索桥设计研究[ J ].河南水利与南水北调，2016（10）

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[5] 白桦，李德锋，李宇，刘健新. 人行悬索桥抗风性能改善措施研究[ J ].公路，2012（12）

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