深海通航限高区域临时悬索栈桥设计方案研究

李 鑫 张 杰

(1.成都城投城建科技有限公司，四川 成都 610030； 2.中铁二十三局集团轨道交通工程有限公司，上海 200000)

悬索栈桥一般作为悬索桥主缆架设、紧缆、索夹安装及吊索架设的重要临时措施，但较少在跨海大桥施工过程中应用。本文依托项目新建桥梁的总长度较长，桥址位置海水较深,桥址区附近机场对施工期净空高度要求较高，综合考虑施工进度与工程造价问题,选用多塔不等跨的悬索栈桥形式作为临时施工平台。本文重点介绍了悬索栈桥的索形确定、索力计算以及静风稳定分析。文中介绍的悬索栈桥施工便道攻克了海上桥梁施工没有好的操作空间的技术难点,为施工人员提供了安全、舒适的海上施工作业平台,同时减少了对海域环境的污染,节约了成本，并且有效保证了桥址区通航净空要求。

1 设计概况

依托项目新建桥梁跨径为100 m+180 m+180 m+140 m+100 m+60 m，桥梁总长度较长，为之施工需要设计的栈桥长度也比较长，考虑到桥址位置的海水深度较深，使用一般的栈桥形式会使得桩基的数目过多，桩长较长，成本加大，再考虑到经济上的原因，决定选用多塔不等跨的悬索栈桥的形式，这样，桩基的数目减少，相应其他的钢材使用增加不多，经济上比较节约。

悬索栈桥的截面形式如图1所示，最底部的钢横梁采用16a的槽钢。中间8根桥面系缆索和2根扶手索在吊索的位置处，最上面的为猫道面层的钢丝网作为最后的铺装。

由于施工现场距离机场较近，需要考虑航空限高的问题，满足航空限高的要求[1]。且海面的波浪较大，栈桥的桥面距离海平面要有一定的距离，以免受到海浪的影响，航空限高值和栈桥桥面标高的最小值如表1所示。根据表1中数据，绘制CAD如图2所示，墩号编号如图2所示，航空限高线如图2中上方线条所示，栈桥桥面标高的最小值为图中的中间线条，最下方线条为海平面的高度，按照图2中的示意，栈桥的最高点和最低点只能在图中的最上方线条和中间线条之间，才可以满足航空限高和栈桥桥面最低标高的要求。构件自重荷载和活荷载计算见表2。

表1 栈桥最低和最高限高值 m

表2 荷载情况统计表 kN

需要说明的是，表2中各荷载值为所有同类构件荷载的总和，主缆索和吊索的荷载单独考虑不计在内；其中混凝土和泥浆管的为混凝土、钢管与泥浆和钢管的总重。桥面上同时需要布置混凝土泵管，泵管的数量为3根，沿着桥面横向均匀布置，正常工作时为两边的泵管输送混凝土，中间的泵管用以备用。人群等其他的荷载也是均匀的布置在桥面上。泥浆管的个数为2根，也是均匀的分布在桥面系上。

2 设计要点

2.1 索形的确定

悬索栈桥索形的确定是整个栈桥设计的核心问题，其目的是使栈桥成桥后的线形与主缆空缆时的线形平行[2]。该栈桥设计中采用悬链线解析计算结果，在给定的荷载值条件下，确定主缆索上以2 m为吊索间距的关键点的坐标值[3]。然后在Ansys中建模计算，采用Beam4梁单元模拟缆索的受力形式，梁单元的截面特性取值很小，对结果的影响较小，可以用来模拟索单元的受力形式。全模型共计4 572个节点和8 751个单元，模型的边界条件为各塔塔顶位置的节点固结，桥面系8根缆索约束水平位移。正常使用时所有的荷载都施加在模型上，以此确定线形形状。各主要构件图见图3。

在表1中，对栈桥最低和最高限高值有明确的要求，为了满足限高的要求，悬索栈桥的主缆索的高度在两边的边跨是逐渐降低的，如图4所示，在图4中最上方线条表示航空限高，最下方线条表示海平面位置，中间直线条表示栈桥桥面最低位置，中间曲线条表示栈桥形状。栈桥的桥面设在栈桥桥面的最低位置的中间直线条处。这样的布置23号墩处成为控制关键点，如图4中圆形细部图，此时，栈桥顶部距离航空限高0.7 m，总体上，栈桥的线型设计是满足要求的。

在悬链线解析计算结果的基础上，确定了线型坐标值和主缆内力值，以此为基础在Ansys中建模计算，Ansys建模如图5所示。Ansys的计算结果表明，主缆施加了初始内力后，模型的位移值为0.007 6 m，如图6所示，即表明对真实荷载的模拟已经足够精确，计算的结果是比较准确的。提取主缆计算结果可知主缆索的无应力长度为771.996 m，吊索的无应力长度和几何长度相差甚小，基本忽略不计。

2.2 桥面系拉索索力确定

考虑到小车和人群荷载作用在栈桥桥面系上，会产生较大的局部位移，需要给予桥面系拉索一张力作用，使得桥面系上的受力变形更加均匀变化。局部荷载为两人一车的共计2 500 N，分布在吊索中间的桥面系拉索上，以集中力的形式施加，集中力在第二跨径的中间位置施加，栈桥的位移结果如图7所示。分别模拟桥面系拉索产生5 t(见图7),10 t，20 t的拉力作用。

结果表明，桥面系拉索未施加张力时，在人群和小车的作用下产生0.136 m的位移，拉索施加了5 t，10 t，20 t的张力后，位移分别为0.028 m，0.022 m，0.016 m，位移值减小，并且拉索的线形也变平顺，构件的运送和行人都比较有利，综上，施加拉索的拉力定为10 t。

2.3 栈桥静风稳定分析

进行静风稳定分析时，需确定设计基准风速。根据设计资料，该栈桥设计基准风速取为29 m/s，施工阶段设计基准风速按《公路桥梁抗风设计规范》[4]取20年重现期取为25.52 m/s。

静三分力系数是风载和静风稳定计算的依据[5]，但静力三分力系数的准确获得需要开展节段模型试验。本设计将参考某大桥施工猫道风洞试验(如图8a)所示)取值。该大桥猫道面层下层钢丝网透风率83.3%，上层钢丝网透风率84%，总透风率67.3%；侧面防护网透风率85%。试验得到的猫道静力三分力系数如图8b)所示。

参照现行《公路桥梁抗风设计规范》中的静风稳定性分析方法进行二维线性静风稳定性分析。分别对3.5 m和2 m宽猫道进行静风稳定验算，得到扭转发散临界风速分别为63.2 m/s和56.45 m/s，均大于失稳检验风速31.9 m/s，3.5 m和2 m宽猫道静风稳定性均满足规范限值要求。

3 结语

本文介绍了某深海通航区新建大跨栈桥的设计过程，对悬索栈桥的设计要点进行了阐述，总结悬索栈桥设计关键点，得出以下结论：

1)索形的确定是整个栈桥设计的核心问题，通过悬链线解析得到线形坐标、主缆内力等参数后，表明线形满足各项要求。

2)为保障人群和小车在栈桥上时栈桥的稳定性，通过分析得到了桥面系拉索初张力。

3)栈桥的静风稳定分析是栈桥稳定性分析的重要环节，通过风洞试验得到静力三分力系数，得到了静风稳定性的临界风速。