平拉索人行桥设计及钢结构施工技术研究

申铁军

(山西路桥建设集团有限公司 太原市 030006)

0 引言

平拉索结构是一种典型柔性结构体系，平拉索桥无需使用重型机械、吊装设备，采用简单机械设备可完成桥梁的安装架设，2021年，山西省晋中市旅游大通道项目开工建设，本工程位于山岭重丘区，地形起伏较大，开工前施工单位对桥位处的地形进行核实，发现地形图中的地形与实际地形相差较大，及时通知设计，设计根据现场实际情况将桥梁简支结构调整为平拉索结构。与常规的桥梁施工方法相比，平拉索结构稳定梁容易操作，就位方便，所有的构件安装简便易行，适应性强、安全性好，尤其适合现场施工条件恶劣的情况下使用，所以设计为平拉索人行桥。该桥位于山西省晋中市，目前是山西省首例平拉索人行桥，平拉索桥构件较多且比较复杂，2021年施工前详细复核各部位的尺寸，主缆、风缆的锚固结构尺寸结合施工单位采购的实际产品，及时将产品参数与设计进行复核。确定无误后进行施工。同时，为防止锚碇前的土坡滑移，设置护坡。因无准确的桥位处的地表情况，实际施工中如护坡构造需要调整时，及时与设计单位进行了联系。

1 平拉索桥的结构特点

平拉索索道人行桥是一种悬索结构，属于柔性桥梁，以主索(缆)为主要受力结构，即利用悬索来跨越沟、壑、江、河的一种供人通行的悬索桥, 与悬索桥相似，但没有索塔，它的桥面结构不通过吊索与主缆连接，将桥面板直接铺设在高强钢丝绳制成的拉索上,这是平拉索桥与悬索桥的最大区别[1]。平拉索结构是典型柔性结构体系,受力特性体现为几何非线性。在设计阶段,设计者不但要计算其在恒、活载、附加荷载作用下的变形和受力,还要进行挂索初态下索鞍的预偏置等特殊计算以及吊索、主缆制作时的无应力索长的计算,在施工阶段还要做施工荷载、风载作用下的受力分析[2]。平拉索桥含设在桥的两侧的稳定索,稳定索的两端和两岸的锚碇连接,在桥的两侧稳定索间由一组稳定梁连接;稳定梁的上方设有一组和稳定索平行的桥面索，桥面索的两端与两岸的锚碇进行连接,桥面索经压梁和稳定梁固定连接,压梁上铺设车行道板，在车行道板两侧设人行道板、安装椽木、栏杆[3]。

2 结构设计及背景

该平拉索索道人行桥采用柔性索桥结构形式，该桥桥长即净跨径(承重索锚点间距)为84m，桥面净宽2.82m，其矢高为2.52m，矢跨比为1∶30，结构设计基准期为100年，使用年限为100年，设计安全等级为二级，环境类别为一般冻融环境。桥面系采用型钢骨架加防腐木桥面组成，主缆锚固在桥头两侧混凝土内，风缆锚固在锚桩上。

2.1 承重索及栏杆索

桥面下共设5根6×55SWS+IWR-60-1670纤维芯钢丝绳承重索,承重索两侧各设2根6×55SWS+IWR 60-1670纤维芯钢丝绳，作为稳定索，承重索(稳定索)横向间距0.50～0.65m。

(1)缆索端部索具采用配套的热铸锚。钢丝绳及其配套索具均为厂家定制生产的配套成品。

(2)结构计算时采用的钢丝绳弹性模量为1.95×10MPa，钢丝绳采购完成后应根据厂家提供的实测数据进行修正。主缆两端需要设置索长调节器，以利于施工时调节长度。

(3)桥面每侧栏杆内侧设置3根栏杆索，栏杆索均采用6×19S+FC-30-1670纤维芯钢丝绳。栏杆索通过索夹与栏杆相连。

(4)成品索各连接部分的强度大于钢丝绳强度(由生产厂家的试验资料为准)。承重索(稳定索)和栏杆索的技术指标符合《重要用途钢丝绳》(GB 8918—2006)标准的要求。

2.2 锚锭设计

主桥锚碇采用C40混凝土，平面尺寸为11.5m (长) ×11m (宽)，锚碇厚度为变高5.1～6.5m。稳定索锚于锚锭前端，并设立柱用于栏杆索锚固，立柱间设置步道台阶方便行人上下，并通过盖板与景观平台相接。锚锭内张拉预应力钢绞线。锚锭处地基承载力大于200 MPa。锚碇立面构造见图1、锚碇平面构造见图2。

图1 锚碇立面构造图

图2 锚碇平面构造图

2.3 风缆设计

(1)风缆采用成品纤维芯钢丝绳，钢丝绳的规格为6×19S+FC-30-1670。公称抗拉标准强度为1670MPa。

(2)风缆的端部索具采用配套的单耳式调节浇铸索具。钢丝绳及其配套索具、销轴均为厂家定制生产的配套成品。

(3)风缆上端由耳板和销轴锚固在桥面系大横梁处，下端锚固在风缆基础上。风缆基础采用9根直径为60mm的钢管桩和承台组成。

(4)风缆收紧度是防止桥梁摆动和确保稳定的关键，故必须全桥对称进行，反复调整，以桥梁轴线允许偏差作控制标准。

(5)风缆下锚点在施工时根据场地的实际情况进行适当调整。

2.4 桥面系设计

桥面系由大横梁、小横梁及桥面防腐木板组成。全桥每6m设置一道大横梁， 大横梁采用HW200×200×8×12型钢,共13道,每1.5m设置一道小横梁,小横梁采用HW100×100×6×8型钢，共40道。小横梁间纵向设置L50×5和L75×50×5角钢作为连接，并通过螺栓固定在小横梁上。大、小横梁均通过索夹与承重索和稳定索进行连接，大横梁索夹位置及风缆锚固位置设置隔板加劲。桥面板系铺设4cm厚防腐木板条，作为人行桥面，木板条通过螺栓与型钢连接。大、小横梁位置断面图见图3、图4。

图3 大横梁位置断面图(单位：mm)

图4 小横梁位置断面图(单位：mm)

3 主要施工工序及施工要点

3.1 主要施工工序

(1)平拉索桥基础开挖，工厂加工制作桥面系构件。

(2)锚碇、桥头立柱及风缆锚桩施工，锚碇施工时做预应力管道和索管管道预埋定位。

(3)锚碇及桥头立柱混凝土强度达到设计的100%时，张拉预应力钢束，并压浆、封锚。

(4)人行道主索和栏杆索的架设、张拉。

(5)横梁及桥面系、栏杆安装。

(6)风缆张拉。

3.2 主要施工要点

(1)平拉索桥构件较多且比较复杂，施工前应详细复核各部位的尺寸，确定无误后方能施工。

(2)主缆、风缆的锚固结构尺寸结合施工单位采购的实际产品，及时将产品参数与设计进行复核。

(3)锚碇及锚碇上桥头立柱施工时，须精准定位、预埋人行主索和栏杆索索管及垫板。

(4)锚碇混凝土浇注时，必须考虑大体积混凝土水化热影响，采用分层浇注或预埋冷却管，减少水化热的影响。

(5)为防止锚碇前的土坡滑移，应设置护坡。因无准确的桥位处的地表情况，实际施工中如护坡构造需要调整时，及时与设计单位联系。

(6)基坑开挖及回填工程量，护坡工程量以实际发生量为准。

4 平拉索桥钢结构施工

4.1 防腐施工

4.1.1钢丝绳的防腐

钢丝绳在出厂前需要进行涂油防腐处理，在运营使用过程中应定期进行维护，以免锈蚀。

4.1.2其它钢结构的防腐

(1)钢结构外表面防腐方案

喷砂除锈至Sa2.5；底涂层为环氧富锌底漆(1道/80um)，中间涂层为环氧(云铁)漆(2 道/150um)；面涂层(第一道)为丙烯酸脂肪族聚氨脂面漆(1 道/40um)；面涂层(第二道)为氟碳面漆(1道/30um)；总干膜厚度(涂层)为 300um。

(2)现场焊缝表面

底涂层为环氧富锌底漆(1 道/80um)；中间涂层为环氧(云铁)漆(2道/150um)；面涂层(第一道)为丙烯酸脂肪族聚氨脂面漆(1 道/40um)；面涂层(第二道)为氟碳面漆(1 道/30um)；总干膜厚度(涂层)为 300um。

(3)高强螺栓

高强螺栓栓接的杆件和梁端面板(摩擦面)必须进行处理，抗滑移系数(处理后的)应大于0.55，工地支前的复验值不小于0.45。高强度螺栓接合面的涂装体系为:喷砂除锈至Sa3.0，无机富锌防锈防滑漆(1 道/80um)。

4.2 钢结构制作、焊接、组装

对钢梁的制作、加工、焊接、组装制定工艺文件，作为作业指导书报监理和设计认可。

4.2.1钢结构制作

钢板冷矫时缓缓加力，室温不低于5℃,总变形率不大于2%。时效冲击值不满足禁止冷矫;加热矫正时温度应控制在600～800℃,低合金结构在加热矫正之后自然缓慢地冷却。

4.2.2焊接和焊接检验

(1)加工单位对其首次采用的钢材、焊接接头的形式、焊接的材料、焊接的方法要进行焊接工艺评定，并报监理工程师认可。

(2)加工单位对焊缝比较集中、刚性较强节点编制焊接程序，将焊接的应力降低至最低限度。

(3)焊条使用前需经350℃左右烘焙2h，焊剂使用前须经250℃左右烘焙2h，然后存放在恒温箱中，施焊时焊条、焊剂应放在焊条保温筒中，防止受潮;焊缝同一位置不得出现二次以上返修，超过二次时，按返修工艺进行。

(4)焊缝的检查

焊缝的质量等级与外形尺寸及缺陷分级符合现行的有关规程、质检标准的有关规定;射线探伤、焊缝质量按有关国家规范、规程、质检标准的有关规定执行; II 级焊缝进行磁粉探伤及检查，凡出现缺陷磁粉迹痕均作返修处理。

4.2.3钢结构组装

(1)组装前，进行零部件检查，沿焊缝边缘31～51mm范围内与连接接触面的氧化皮、铁锈、油污水份清除干净。

(2)定位焊缝长度为50～75mm，焊角尺寸一般不大于设计焊脚一半，并应由有合格上岗证书的焊工进行。

(3)组装顺序根据焊接方法、焊接顺序、结构形式确定;构件的隐蔽部位应首先焊接涂装。

(4)检查焊缝是否影响安装，如有冲突应立即进行处理;安装前应按构件明细核对进场构件，查验产品合格证及验收文件，预拼装过的构件在现场组装时，根据标注的中心线和控制基准点记录进行控制。

5 平拉索索道人行桥使用养护具体要求

(1)严格按设计荷载要求控制本桥的使用，应有专人负责组织、疏导、监督、管理游人，以保证大桥的顺利运营。

(2)桥梁上不得通过任何管线。对桥梁设施进行定期维护或更换，对于钢构件应定期涂防锈漆。

(3)本桥结构体系受力复杂，跨度较大，所以运营期间应禁止在桥上摇晃、蹦跳，严格禁止人群列队整齐通过，严格禁止摇晃、依靠桥面栏杆及栏杆索。

(4)管理人员应定期对大桥的状态进行检测，如发现影响安全的问题时，应及时封闭检修，并定期对大桥各部件进行维护及保养。

(5)当桥位处风力超5级(风力≥10m/s)时，应根据现场实际情况对大桥进行封闭。大桥在夜晚照明不充足的情况下应予以封闭;雨雪天气应加强管理或进行封闭;坚决不允许小孩独自上桥必须由家长陪同，穿高跟鞋的游人应谨慎通过，以免鞋跟落入桥面铺板缝隙之中。

6 结束语

锚碇混凝土浇注时，必须考虑大体积混凝土水化热的影响，采用分层浇注或预埋冷却管，减少水化热的影响。风缆地锚的位置可根据现场的实际情况进行调整，但必须征得设计的同意。