小垂跨比空间桁架悬索桥设计与施工技术研究

李 谷, 彭海涛

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410200；2.中国建筑第五工程局有限公司， 湖南 长沙 410004)

0 引言

随着社会发展，城市建设对景观桥梁的需求逐渐增多，很多景观桥梁不再满足于常规桥梁的结构形式。悬索桥因为结构形式特色鲜明而受到建设者的青睐。常规的悬索桥一般为3跨结构，且边跨较大。此举是为了减小外荷载作用下塔柱承受的水平分力，进而减小塔底截面弯矩，因此常规悬索桥边主跨比一般为0.25～0.5[1]。同时，主缆的水平分力还和垂度有关，垂度越大，水平力越小，塔底弯矩也越小。因此常规悬索桥的垂跨比一般为1/9～1/10。较大的边跨和较大的垂度在一定程度上限制了悬索桥方案的应用。

本文以某景区人行悬索桥为例，提出了一套小垂跨比(1/12.8)空间桁架结构悬索桥设计方案，并详细阐述了设计思路、计算过程和施工关键要点，以期为同类型桥梁设计提供参考。

1 项目概况

为提高旅游区品质，某地拟提质改造某景观湖，环湖修建人行游步道，拟在河流汇流处修建一座人行悬索桥。

景观湖位于项目所在城镇河流流域中上游，湖面面积为约80万平方米，湖区设置以城市景观为主，为兼顾供水和灌溉等综合效益的中型水闸枢纽工程。正常蓄水位85.50m，设计洪水为20 a一遇，校核洪水为50a一遇；拟建桥梁桥位位于湖泊与河道交汇处，河道宽约60m，河底平均高程为80m，正常蓄水水深5.5m。河底淤泥层平均厚度约1m，下为砾砂层和强风化花岗岩，花岗岩层可作为持力层。

该桥设计重点考虑如下因素：

1) 为减少阻水率，保证行洪，河道中间不设桥墩，桥梁一跨过河。

2) 东侧河堤是既有城市道路，没有空间设置悬索桥边跨和锚碇。

3) 整个景区景观效果要求协调，桥塔不宜设计过高。

综合考虑上述因素，拟采用矮塔单跨的小垂跨比悬索桥，桥塔、锚锭和桥台一体。

2 结构设计

2.1 整体布置

本项目为单跨地锚式悬索桥，桥梁全长79m，桥面长度60.4m，主桥计算跨径70m，主索垂度5.46m，塔高6.8m，垂跨比为1/12.82。其布置如图1所示：

图1 桥型整体布置示意图(单位： cm)

2.2 桥塔设计

2.2.1塔身

由于该桥为单跨悬索桥，不设置边跨，桥塔将承担绝大部分主索在外荷载下产生的水平分力。为了使塔顶水平分力不在塔底造成过大弯矩，并且与景观环境相适应，桥塔高度应较常规悬索桥更小。然而，塔高的减小必然引起垂度f的减小，由悬索桥恒荷载水平分力计算公式如式(1)。

(1)

由式(1)可知，水平分力H与f的大小成反比，而塔底弯矩与H的大小成正比，因此塔高与主索水平力、塔底弯矩形成了一种相互影响的耦合变化关系，不能将任意一方割裂考虑，一旦塔高取值突破了常规悬索桥的经验值范围，就应当根据具体情况针对性地进行特殊构造设计。

为使桥塔保证足够的强度和刚度，本桥未采用常规悬索桥的独柱型塔腿，而采用了抗弯刚度更大的A字形塔腿以承担主缆传力。桥塔底面两个塔腿截面共同抗弯；为增加受压构件稳定性，塔腿之间设置横向联系，侧面形成“A”字型；两侧桥塔顶设置横撑(见图2)。

2.2.2塔顶索鞍

该桥索鞍只起到使主索在塔顶弯曲的导向限位作用，不影响主索内力传递。该桥索鞍主要由底板和侧板构成，底板为10mm厚圆弧形弯曲钢板，紧贴圆形塔顶，通过锚栓固定，侧板为20mm厚半圆环形钢板，通过角焊缝与底板连接，底板和侧板之间设置10mm厚加劲板。底板直接承受主索对桥塔的压力，减小主索和桥塔之间的摩擦，侧板限制主索的横向位移。

2.2.3塔下基础

悬索桥的基础由承台和桩基组成，承台兼作主索锚碇。由于主索的拉力最终将传递给基础，因此基础必须具备抗剪、抗弯、抗倾覆性能。

本桥承台长10.5m，宽6.4m，高2.5m，下设置4根D120桩基。根据力学分析可知承台的倾覆弯矩M向跨中旋转。为了充分发挥承台大体积混凝土抗弯剪和桩基抗压的优势，该桥将桥塔顺桥向中心布置在承台中心之后，增大了抗倾覆力臂L，使得在M作用下受压力F的桩基为抗倾覆作出更多贡献。

图2 桥塔与基础构造示意图(单位： cm)

2.3 缆索系统设计

2.3.1主索

主索索材采用6×19+IWS钢芯钢丝绳，通过索鞍架设在桥塔上，主索两端锚固在索塔背后的承台上。为保证足够的安全系数，一边主索采用2根φ 42mm的钢丝绳，单根钢丝绳破断力1040kN。

2.3.2桥面索

本桥为不设置加劲梁、仅设置桥面系的柔性悬索桥，桥面系本身刚度较小，故通过设置2根桥面索提高结构整体刚度和抗风性能(见图3)。桥面索采用和主索同样规格φ42mm的6×19+IWS钢芯钢丝绳，桥面索两端锚固于两岸承台上，通过U型螺栓和桥面系横梁连接。施工时通过调节吊杆长度使其上拱产生张力。完成上拱后的桥面索和吊杆、桥面系横梁和主索构成整体受力的空间桁架体系，由于桥面索和吊杆对主索产生预载，主索的成桥内力增加，全桥刚度得以提高。此外，由于悬索桥垂跨比越大整体刚度越小[3]，本桥的小垂跨比布置也提升了全桥的刚度。

图3 桁架体系示意图

2.3.3锚固构造

桥面索和主索均通过锚固构造将拉索内力传递给锚碇。锚固构造主要由拉板、圆铰、螺杆、锚梁等构件组成(见图4)。

图4 锚固构造示意图

拉板由Q345B钢板加工而成，圆铰、锚梁由Q345B圆钢机加工而成，螺杆采用M36-9.8级精制高强螺栓及其配套螺母。

主索桥面索钢丝绳缠绕在锚梁上，绳索回头用绳夹固定，锚梁通过螺杆、圆铰将主索的拉力传递给拉板前端，拉板后端通过PBL键和锚碇连接。

锚固构造因此形成了钢丝绳—锚梁—螺杆—圆铰—拉板—承台基础的传力路径，受力明确、结构简单、便于施工，后期还可通过螺母调整索形索力。

2.3.4索夹与吊杆

索夹由两片20mm厚机加工钢板组成，通过高强螺栓张紧，产生咬合力(见图5)。索夹中间设置一个环形螺栓连接吊杆。吊杆由HPB300拉杆和KOUD螺旋扣组成。拉杆连接索夹，螺旋扣连接横梁上的U型螺栓，成桥以后可以通过调整螺旋扣的长度控制成桥线形和吊杆张力(见图6)。另外，在主跨靠近桥塔的无索区设置3枚空索夹，保持主索的线形与整体性。

图5 索夹构造示意图

图6 吊杆构造示意图

图7 桥面系构造示意图(单位： cm)

2.4 桥面系设计

本桥为人行悬索桥，人群荷载是主要外荷载。为减轻结构自重，该桥不设置加劲梁而采用由横梁、小纵梁和桥面板组成的柔性桥面系(见图7)。桥面系全宽2.7m，其中人行道板宽2 m，道板外为吊杆区域。桥面板固定在小纵梁上，直接承受人群荷载，小纵梁将荷载传递给横梁，横梁再将荷载通过吊杆传递给主索。

2.4.1横梁与小纵梁

横梁采用126mm高Q345槽钢，横梁两端设置连接吊杆、桥面索的U型螺栓和护栏立柱，中间焊接小纵梁。

小纵梁采用63mm高Q345槽钢，全桥设置6道小纵梁，与横梁交错形成“井”字型梁格。

2.4.2桥面板与附属设施

为达到景观效果，桥面板采用40mm厚防腐木板，通过燕尾螺丝固定在纵梁上。

该桥主要附属设施为护栏。护栏由立柱、横梁、钢丝网组成。为了适应柔性悬索桥的变形特性，横梁与立柱连接设为铰接。立柱和护栏均采用40×50 mm Q235方钢管。护栏设置上下两道横梁，中间设置304不锈钢丝网。

2.5 结构耐久性设计

混凝土结构耐久性应符合《公路钢筋混凝土与预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)中相关规定。在施工中，要求改善混凝土品质，增强混凝土密实性，降低水、氯离子等的侵入，提高钢筋防锈能力，增强混凝土耐久性。

外露钢板如支座预埋钢板、栏杆钢管等均需除锈防腐处理，防腐工作应在施工准备阶段完成。钢材防腐采用热镀锌防腐涂装和油漆防锈涂装。

人行道木板采用防腐木。

3 结构计算

悬索桥为典型柔性结构，主要承重构件为主缆。外力作用下主缆产生较大变形，使结构刚度发生改变，而结构刚度变化又反过来影响主缆的受力和变形，这是柔索结构特有的几何非线性特征。

工程上，一般以近似公式计算的方法获得控制工况下悬索桥关键部位的内力，从而指导设计，若想对结构任意位置进行详细分析，则需借助有限元分析软件。本项目通过建立悬索桥有限元模型，对全桥结构进行分析。

3.1 有限元模型建立

采用有限元软件MIDAS CIVIL建立悬索桥的整体有限元模型(见图8)。考虑索单元的几何非线性特征和初始刚度，根据预设的垂度，使成桥状态主缆的竖向位移为0。

图8 有限元模型

3.2 关键构件计算结果

3.2.1主缆强度验算

该桥最不利工况为人群满载时，人群荷载集度3.5kN/m2。人群满载时单边主缆最大拉力为475kN(桥塔附近)，单边主缆破断力为2080kN，安全系数为4.4。悬索桥垂跨比越小，主索内力越大，且景区桥梁由于日后可能无专业路政人员管养，综合考虑强度以及日后可能产生的腐蚀、磨损和疲劳等问题，应该适当提高结构强度安全储备[4]，安全系数宜不小于4.0(见图9)。

图9 人群满载主缆内力图

3.2.2吊杆强度验算

最不利工况同样考虑人群满载时，吊杆最大拉力为10.3 kN。

吊杆构件中，P型KOUD螺旋扣承载力为20kN，M16HPB300圆钢承载力为54.3kN，因此吊杆安全系数为1.94(见图10)。

图10 人群满载吊杆拉力图

3.2.3锚固构件强度验算

锚固构件是结构承重的根本构件，承担几乎所有的荷载， 必须有足够的强度，本桥设计思路为保证锚固构件的强度高于主索钢丝绳的强度，以发挥钢丝绳的安全储备极限。

锚固构件由拉板(4片)、圆铰(2个)、螺杆(2个)和锚梁(1个)构成，其中拉板、螺杆受拉，圆铰和锚梁受剪，采用容许应力法计算这些构件的极限强度如表1。

表1 锚固构件强度计算构件受力特性截面积/mm2强度/MPa承载力/kN拉板受拉4 000.003101 240.00圆铰受剪6 358.502761 754.946锚梁受剪9 312.002762 570.112螺杆受拉1 923.257201 384.740

由表1可知，所有构件强度均大于单根钢丝绳破断力1040kN。

3.2.4主梁挠度计算

经计算，人群满载时主梁产生最大挠度，位于跨中下挠229mm，是为计算跨径(70m)的1/306。由于现行规范并未对人行悬索桥刚度提出具体要求，但以往工程经验表明人行悬索桥的挠跨比不宜大于1/150，因此认为该桥结构刚度满足要求(见图11)。

图11 人群满载主梁挠度图

3.2.5基础水平力验算

在恒荷载和人群荷载作用下，悬索桥的基础承担主缆的水平分力和桥台背后大堤土体及堤面上汽车荷载产生的侧压力。由于本桥采用承台桩基础，因此验算群桩基础的水平承载力。

3.2.5.1 承台水平力计算

1)主索产生的水平分力。

主索在桥塔处和水平线夹角为26°(见图12)，由3.2.1可知单边主索最不利荷载工况下的拉力为475 kN，则整个基础所受水平分力标准值:

H1=P×cos 26°=475 kN×2×0.9=855 kN

图12 主索拉力P分解图

2)大堤及堤上荷载产生的土侧压力。

桥台需要严格控制位移，因此土侧压力按照静土压力公式计算。

桥梁承台顶和大堤顶平齐，承台高2.5 m。

根据公路路基设计规范(JTG D30—2015)公式(H.0.1-3)计算大堤上汽车荷载的等代均布土层厚度:

(2)

其中:q=19.375kN/m2(根据规范内插)，γ=17.2kN/m3(项目地勘资料)。计算得:h0=1.15m。

由项目地勘资料知，大堤素填土内摩擦角φ=12° ，因此静止土压力系数:

K0=1-sin(12°)=0.792

承台顶部的静止土压力:

σ1=0.792×1.15×17.2 kN/m3=15.7 kPa

承台底部静止土压力:

σ2=0.792×(1.15+2.5)×17.2 kN/m3=49.7 kPa

承台宽6.4 m，因此受到的土侧压力为：

H2=2.5 m×6.4 m×(15.7 kPa+49.7 kPa)/

2=523 kN

承台受到的总水平力

∑H=H1+H2=1 378 kN。

3.2.5.2 桩身抗剪强度验算

要验算桩基础的水平承载力，首先要明确计算承载力是由桩身强度控制还是由桩顶位移控制。因此首先假定桩基周围土体完全固结，在水平荷载作用下桩顶不会发生位移，水平力完全由桩身抗剪承担。

由3.2.5.1可知: ∑H=1 378 kN

基础采用4根D120桩基，配置直径10 mmHPB300螺旋筋，桩顶间距100 mm。其截面积为:

S=4πR2=4.52 m2

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)第6.3.1节15条对桩顶截面抗剪承载力进行验算，其中：b=1.76r=1.056 m，h0=1.6r=0.96 m。

计算得单桩斜截面抗剪承载力为1 421 kN，4根桩基抗剪承载力为5 684 kN>∑H，因此在水平力的作用下桩身不会发生破坏，桥梁桩基础的水平承载力应该由位移控制。

3.2.5.3 桩基水平承载力验算

桩基础水平承载力根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)中(5.7.2)和(5.7.3)等公式进行计算。

首先根据公式(5.7.2-2)：

计算单桩水平承载力，计算参数及结果见表2。

表2 单桩水平承载力计算αEI/(kN·m4)νxX0/mRha/kN0.298 2 527 124.3 0.9 0.006 320.2

由表2计算可知单桩水平承载力为320.2 kN。由于承台桩基础采用4根D120桩基，因此须根据公式(5.7.2-1)计算桩基水平承载力特征值。

Rh=ηhRha

不计承台摩擦力、侧向土水平力的贡献，由公式(5.7.3-6)可得：

ηh=ηiηr=1.0×2.05=2.05

因此桩基总水平承载力为：

2.05×320.2 kN×4=2 625.64 kN=1.9∑H

由上述计算可知桩基水平承载力大于外荷载产生的水平力标准值。桥梁的承台桩基水平承载力满足规范要求，且具有足够的强度富余，结构安全合理。

4 施工要点

本桥位于景区，施工过程中不能影响景区周边道路正常通行和居民生活。湖区水体受到保护，不能架设临时栈桥且不能水下施工。针对项目具体情况确定施工方案要点并落实，是决定项目竣工能否达到验收标准和业主方要求的关键。结合项目特点和以往工程经验总结了施工要点如下。

4.1 桩基施工

基础采用钻孔灌注桩，由于在大堤上钻孔，靠近水源，土体受水压、浸泡容易塌孔，因此成孔须用泥浆护壁并在成孔后立即灌桩。

4.2 承台施工

承台是大体积混凝土构件，浇筑时将产生大量水化热。施工时应该分层浇筑，并在每个浇筑层中布置冷却水管。

在主索和桥面索的承台锚点位置要设置相应预埋件，并在浇筑混凝土的时候予以保护。

4.3 承台护坡施工

本桥位于景区湖泊，建设方要求尽可能保护水体，避免水下施工，但桥台锥坡部分位于水下，常规浆砌片石不能满足要求，因此桥台锥坡防护采用抛投赛克格宾方案。

赛克格宾为六边形双绞合钢丝网面与填石组成的工程构件，具有稳定性强、整体结合紧密、抗冲刷能力强、施工简单易行等优点。

4.4 桥塔施工

桥塔为A字型桥塔，斜交塔腿和顶部圆弧横梁给钢筋帮扎和立模带来一定难度。钢筋和模板需要精确定位。此外，在桥塔施工前必须搭建脚手架，确保高处施工安全。桥塔塔顶需设置索鞍预埋件，塔顶的圆弧度要与索鞍底板弧度吻合。

4.5 索鞍施工

索鞍由专业厂家制造，施工时在现场分段组装。索鞍节段之间钢板要顶紧，不能有缝隙。

4.6 主索施工

主索采用先导索卷扬机牵引过河，主索垂度调整是施工主索的最重要内容，利用水准仪或者全站仪等精密测绘仪器测量调整。具体步骤如下：

1) 在塔柱上标定主索架设垂度对应的水平测点。

2) 架设主缆、测量主跨最低点的高程。

3) 测量塔柱标定测点的的高程。

4) 比较2)、3)测量结果，根据差值修正主索垂度。

5) 调整主索垂点高程比塔柱标定点高程高20 cm左右。

6) 将主索在锚点做永久锚固。

7) 后续主索微调通过旋转锚固构件上的螺母实现。

4.7 桥面索施工

由于该桥主索、吊杆和桥面要形成共受力的桁架体系，确保桥面索架设后产生张力是施工关键。在设计阶段通过计算确定桥面索的无应力索长，该桥的桥面索无应力索长为54.2m。施工时用颜料在桥面索钢丝绳上标记两点无应力索长。施工时一端先锚固，将一侧标记置于锚梁上，另一端用卷扬机牵引，直至无应力长度的另一侧标记位于锚梁处，遂将钢丝绳固定。锚固时应使锚梁位于螺杆外侧总行程3/4的位置处，以确保桥面安装完成后有充分的行程范围调整索力。

4.8 桥面系和吊杆安装

桥面系施工，尤其是安装横梁、吊杆是一件十分困难和危险的工作，施工人员应严格遵守安全防范措施和分清各自的职责。

4.8.1横梁安装

由于本桥位于景区湖区，无法修建栈桥，且无法驶入运输船舶，因此横梁安装的步骤为：

1) 在桥塔之间架设和桥面索平行的安全索。

2) 在桥台附近的桥面索上搭设临时施工平台。

3) 在施工平台、安全索的保护下，安装临近桥台的横梁。

4) 在固定好的横梁上继续铺设临时平台，由桥台向跨中推进，安装所有横梁。

4.8.2吊杆安装及桥面线形调整

由于桥面索在成桥时需要上提产生张力，上提力由吊杆提供，因此吊杆施工是确保桥面线形和桥面索张力符合设计要求的关键。其安装步骤如下：

1) 在跨中、1/4跨径位置用手拉葫芦连接主索和桥面索、并将桥面索抬升至设计标高，然后设置临时固定。

2) 在跨中横梁处安装吊杆，确认在临时固定的保护下，跨中处吊杆不会承受太大拉力。

3) 从桥台开始逐步向跨中安装吊杆，安装时，首先用手拉葫芦提升桥面索至设计标高，然后将吊杆的KOUD螺旋扣和横梁的U型螺栓连接，再放松手拉葫芦，完成荷载转移。

4) 全部吊杆安装完成后，对称拆除跨中、1/4跨的临时连接，此时全桥吊杆的内力将发生重分布，进而使吊点发生位移。

5) 再次测桥面索吊点标高，利用螺旋扣对吊点标高进行进一步精细调整，直到符合设计标高，最后进行小纵梁和桥面板安装。

5 结语

该项目主体工程已完工，项目建设符合预期。本项目的建设实施丰富了景观桥型，满足了景区桥梁建设需求，得出了如下结论：

1) 景观设计。

本桥采用小垂跨比单跨悬索结构，创造性地提出基础、锚锭、桥塔一体化设计，大大减少了桥梁占地面积，解决了桥梁头空间问题，景观效果好。

2) 结构设计。

本桥采用A字型桥塔和高强度主索改善结构受力，采用桥面索提高结构刚度。

3) 施工。

为保护水体并解决水下锥坡防护问题，同时降低成本，提出抛洒赛克格宾方案，解决景区桥台锥坡防护水下施工难题，为类似工程提出了有益参考。

本文提出了一种适应景区建设要求的新型结构—小垂跨比空间桁架悬索桥，从总体布设、景观效果、结构构造、分析计算、施工要点等5个维度详细介绍其设计理念、受力特点和施工要点，论证其创新性、合理性、可行性，为同类型桥梁提供设计参考。