天蒙旅游区人行索桥缆索系统设计

张家锋，王兴刚

（中国交通建设股份有限公司，北京 100088）

1 工程概述

蒙山天蒙旅游区位于山东省临沂市费县的东北部，总体规划面积达到了240 平方公里。项目所在地自然生态良好，且具有非常丰富的历史文化资源、地方民俗资源、红色旅游资源、生态农业资源和滨水休闲资源，项目建成后已经成为契合山东省山地型生态旅游和休闲度假市场需求的综合型人文生态旅游度假区[1]。望海楼和玉皇顶是蒙山天蒙旅游区内的两个重要景点，分别位于相邻的两座高峰上，南北相顾。两峰之间以山谷相隔，谷深140 m以上。为将这两个景点相连，加强景区的通达性，设置人行索桥。大桥建成后，山谷一跨而过，从望海楼到玉皇顶，步行时间缩减至十几分钟。大桥气势恢宏，造型优美，自身成为一个重要的景点，同时也是绝好的观景通道。站在桥上举目远眺，风光无限。偶遇烟雨季节，更是如烟如雾，胜似仙境。

大桥为主跨420 m 的单跨吊悬索桥，跨径组成为38+420+47.5 m，桥面纵坡为1.5 %。主缆在成桥状态下的中跨垂跨比为1：12，两根主缆中心距为3.5 m。为提高主梁的结构稳定性，在主梁下方两侧设置抗风缆[2-4]。主梁由横梁和纵梁组成，上面铺设混凝土桥面板。主梁在索塔中心线处设置伸缩缝，索塔处主梁下方设置竖向支座，主梁梁端侧向设置抗风支座。大桥的总体布置图如图1 所示。

图1 天蒙人行索桥总体布置

2 缆索体系选择

缆索系统作为悬索桥的生命线，是大桥的关键受力部件。根据抗风稳定的需要，对主缆的结构体系进行了对比分析。选择的方案有下部设置抗风缆方案和空间主缆方案[5-6]。结合景观、地形、运输安装条件等综合比选，采用适合桥位地形、便于施工的抗风缆方案。

图2 设置抗风缆方案

图3 空间主缆方案

3 主缆设计

按照桥梁功能要求，选择主梁净宽2.4 m，全桥共设2 根主缆，横向间距为3.5 m。

3.1 方案选择

设计中对主缆的材料进行了综合分析论证。考虑的方案有钢丝绳、环氧涂层钢绞线和平行钢丝[7]。大桥桥位处山势险峻，运输条件极为不便。

钢丝绳索股有着扭转性能好、适应变形能力大的优点，但是钢丝绳索股的直径较大，运输、架设、入鞍定位和索股调整的难度都很大。考虑到本项目的建设条件，主缆不考虑采用钢丝绳索股，重点对环氧涂层钢绞线和平行钢丝两种索股进行了重点研究和比较。

环氧涂层钢绞线通过在钢绞线的外侧涂装环氧涂层来实现对主缆索股的保护，省去了主缆现场涂装的工序，但是也降低了索夹和主缆之间的摩阻力。为实现环氧涂层钢绞线索股的可行性，考虑将每侧主缆分为三根。

结果综合比较，钢绞线索股的抗滑稳定性稍差，存在一定的技术难度，最终采用了更为成熟的平行钢丝索股。

3.2 主缆设计

主缆采用预制平行钢丝索股法（PPWS）制作。在主缆索股的两端设置热铸锚，锚杯内浇注锌铜合金，使平行钢丝与锚杯相连。索股锚头与锚碇后锚面采用承压式连接，通过在锚头和垫板之间增加调整垫板的方式来调整主缆长度。

鉴于本桥位运输条件极为不便，未采用常规悬索桥常用的127 丝和91 丝索股，而采用了重量较轻的61 丝索股。单根主缆由18 股通长索股组成、直径5.0 mm 的镀锌高强钢丝组成，钢丝公称抗拉强度为1 670 MPa。主缆空隙率索夹内取18 %，索夹外取20 %。主缆经整形紧缆后为圆形，索夹内直径为183 mm，索夹外直径为185 mm。主缆断面和索股断面如图4 和图5 所示。

图4 主缆断面

图5 索股断面

4 吊索和索夹设计

大桥为单跨吊人行索桥，中跨设置吊索。吊索与桥塔中心线的水平距离、相邻吊索之间的水平间距均为3 m。综合考虑材料性能、制造加工、安装维护、后期更换等多方面因素，结合本桥吊索的受力特点，经比选后选用钢丝绳吊索，且每一吊点设1 根吊索。吊索与索夹之间采用销铰式连接方式，与主梁之间为承压式连接。梁端锚头设有球面垫圈，以减小吊索的弯折。

图6 吊索构造

吊索分为两种，一种是端部抗风拉索附近的吊索，由于其受力较大，定义为加强吊索；其余吊索为一般吊索。吊索均采用镀锌钢芯钢丝绳，公称抗拉强度为1670 MPa，结构形式为6×37S+IWR。索体外包覆高密度PE 护套，以获取更好的防护效果。

吊索缆端锚头由锚杯与叉形耳板构成，二者通过螺纹连接。锚杯采用热铸锚形式，锚杯内浇注锌铜合金，使吊索钢丝与锚杯相连。

吊索梁端锚头采用承压式设计，由锚杯与大型承压锚固螺母构成。锚杯采用热铸锚形式，锚杯内浇注锌铜合金，使吊索钢丝与锚杯相连。吊索在制造、架设过程中的长度误差，可以通过调节锚固螺母在锚杯上的位置来进行消除。

索夹采用上下对合结构。上下两半索夹用高强螺杆连接并抱合、夹紧在主缆上，接缝处嵌填橡胶防水条防水。

本桥索夹分为有吊索索夹和无吊索的紧缆索夹两种。为了方便制造，本桥索夹均设计为相同长度，耳板销孔位置稍有不同，以适应索夹倾角的变化。索夹壁厚均设计为25 mm。

5 抗风缆设计

为增加主梁的结构稳定性，在主梁下方两侧设置抗风缆。抗风缆由7 根镀锌钢丝绳组成，通过抗风缆索夹锁紧在一起，在两端通过散索套散开，锚固于抗风索锚桩。

图7 抗风缆构造

每根钢丝绳公称直径为φ 56mm，公称抗拉强度为1670 MPa，结构形式为8×55SWS+IWR。钢丝绳两端设套筒式热铸锚，在锚杯内浇注锌铜合金，使钢丝绳钢丝与锚杯相连。钢丝绳锚头与抗风缆锚桩后锚面采用承压式连接，通过在锚头和垫板之间增加调整垫板的方式来调整抗风缆长度。抗风缆整圆后公称直径为φ 160mm。

6 抗风拉索和索夹设计

抗风拉索将抗风缆和主梁联系在一起，提高主梁抗风能力的同时，也增加了结构体系的刚度。

图8 抗风拉索构造

抗风拉索采用镀锌钢芯钢丝绳，索体外包覆高密度PE 护套防护。抗风拉索分为两种，一种是位于端部的抗风拉索，受力较大，定义为加强抗风拉索，公称直径为φ42 mm；其余为一般拉索，公称直径为φ22 mm。

7 索鞍设计

塔顶主索鞍是用于支撑主缆的永久性结构件，安装于索塔顶部，承受主缆的竖向压力，并将主缆的竖向压力均匀地传递到索塔。

主索鞍鞍体采用全铸型结构，鞍体下设不锈钢板，以适应施工中的相对移动。为了增加主缆钢丝与鞍槽间的摩阻力，并方便索股定位，在鞍槽内部设置竖向隔板。索股全部就位并调股后，在主缆钢丝顶部用锌块填平，并进行封水处理。之后，用拉杆将鞍槽侧壁拉紧。

塔顶设有底座，以安装主索鞍。底座上面设有不锈钢板，与鞍体下表面的不锈钢板构成不锈钢滑动副。

图9 塔顶主索鞍构造示意图

人形索桥主缆直径较小，索股根数不多，宜采用散索套将主缆索股分散后锚固于锚碇上。散索套采用上下对合结构形式，由等直径的摩阻段和变直径的散索段组成。上下两半散索套体用高强螺杆连接并抱合、夹紧在主缆索股上，接缝处嵌填橡胶防水条防水。

图10 散索套构造示意图

8 结语

山东临沂蒙山天蒙旅游区人行索桥是世界最大跨度的人行索桥，结构形式是单跨吊悬索桥。为提高抗风稳定性，增设抗风缆和抗风拉索，因此比常规悬索桥结构更为复杂。本文较详细介绍了主缆、吊索和索夹、抗风缆、抗风拉索和索夹、主索鞍、散索套的设计情况，是对设计工作的技术总结，也为将来类似桥梁的设计提供参考。

图11 天蒙景区人行悬索桥缆索系统建成效果