中跨豎向雙纜自錨式懸索橋主纜線形設計

（上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海 200437）

1 概述

在城市橋梁設計中，橋梁跨越的被交道路及河道往往不會很寬，這給自錨式懸索橋這種懸索橋亞分支提供了廣闊的應用前景。自錨式懸索橋以其秀美的外形、合理的使用跨度在城市景觀橋梁中屢見不鮮，并迅速成為城市地標建筑，構筑靚麗風景線。自錨式懸索橋無論是平面纜型還是空間纜型，在豎向范圍內通常僅設置一根主纜并通長布置。

隨著社會的發展，部分懸索橋需考慮高空觀景功能等特殊需求，主纜在邊中跨并非通長布置，中跨主纜需分纜布設。通過筆者的不完全統計，國內外部分橋梁設計時，在受力主纜上加設了裝飾性主纜，在邊中跨亦為通長布置。因此，結構性豎向雙主纜的設計在目前國內外的懸索橋設計中并不常見。故本文嘗試以國內某地實際工程為例，結合特殊景觀自錨式懸索橋雙主纜情況，從受力合理性和經濟性上推導此種情況主纜線形設計方法及主索鞍的設計。

2 豎向雙主纜工程案例

國內某橋為城市地標性景觀橋梁，要求具備“高空觀景”“橋塔連接”等功能。設計方案采用塔樓一體化的自錨式懸索橋方案，橋塔采用仿古閣樓式建筑外觀，具備游人登高賞景觀光功能；同時，在兩座橋塔間設置了人行橋，滿足橋塔間行人溝通聯系需求，避免游人繞行橋面系。方案效果圖詳見圖2。

圖2 某大橋方案效果圖

人行橋跨徑與橋梁主跨相同，中間無法設置其他輔助承重受力構件，因此采用吊橋形式，通過纜索承擔人行橋恒載與活載。人行吊橋主纜與主體橋梁主纜在橋塔索鞍處合并，形成了中跨豎向雙纜的特殊布置情況。

主橋采用自錨式懸索橋，跨徑布置為94+188+94m，橋寬30.5m，主梁采用混凝土P-K 梁。吊索橫向間距29m，縱向標準間距6m。

頂層設觀景人行吊橋，橋梁跨徑188m。橋梁采用兩道主索承載鋼橫梁，橫梁上安裝縱向鋼箱梁結構，形成縱橫梁體系結構。為保證橋梁結構穩定性，索橋兩側設置2 道抗風穩定索。全橋設置9 道橫向聯系用橫梁，為鋼結構焊接工字型斷面形式，橫梁長30m，高1.5m，兩側設主纜吊點，吊點間距離29m?？v梁為鋼箱梁結構。

3 豎向雙主纜線形設計方法

3.1 計算假定

主纜是自錨式懸索橋的關鍵承重構件，主纜線形直接影響了整個懸索橋的受力分配和結構變形。主纜體系的計算分析是懸索橋體系中結構分析的基礎和關鍵，主纜系統在成橋狀態的線形、受力狀態直接決定了全橋的受力合理性，主纜線形的合適度也影響了橋面線形和橋梁外觀[1]。只有明確了主纜的分析成果，才能繼續其余構件的計算。本文在主纜的分析計算過程中,采用下列4 條假定[1][2]:

（1）主纜材料為線彈性材料，符合虎克定律。

（2）主纜是理想柔性的，不能受壓也不能抗彎，只能承受拉力，截面抗彎剛度對纜形的影響忽略不計。

（3）主纜受力前后截面特性不改變，泊松效應忽略不計。

（4）恒載狀態下橋塔基本無彎曲內力。

3.2 理論設計方法

在本工程中，由于涉及到邊跨主纜、中跨主纜、中跨人行橋主纜，需分步逐步推導計算，確定三個主纜線形，具體流程如下。

①：擬定人行吊橋縱橫梁構造，明確人行吊橋恒載分布g。根據景觀美學比例確定人行橋的中跨矢高h。

人行吊橋恒載近乎沿主纜均布荷載，其主纜呈懸鏈線，主纜端部水平力可由下式確定[1]。

首先將微段將沿索長均勻布置的荷載轉化為沿跨度方向的等效均布荷載，

②：擬定主橋橋梁主梁構造，明確主橋中跨恒載分布及吊桿布置，可求得節段內恒載吊桿力。

根據景觀美學比例、最短吊桿長度等確定主橋中跨矢高f。

根據吊桿集中力荷載作用下的主纜示意，在已知吊桿力及纜索自重情況下，對中跨跨中彎矩平衡條件 0M=∑ 可得主橋中跨主纜水平力Tx。再由分段懸鏈線法可得主纜線形，在此不再贅述。

③：綜合步驟①所得水平力H 與步驟②的水平力Tx，確定邊跨主纜水平力W=H+Tx。

根據明確的主纜水平力，結合邊跨主索鞍和散索套位置邊界條件，結合分段懸鏈線法明確邊跨主纜線形。

④：根據前三步驟確定的主纜線形，詳細計算各主纜的安全系數、索鞍內主纜抗滑移安全系數。

根據初步平衡的橋塔左右側主纜水平力，建立全橋有限元模型，計算主纜在主要恒活載作用下的最大主纜力。

保證橋塔左右三根主纜抗拉強度安全系數在不小于2.5 情況下，應使主纜各個斷面具有相同的設計安全系數。通過設置橋塔左右主纜的安全系數基本一致，提高左右側主纜經濟性。

在安全系數一致情況下合理布置主纜索股數，力求邊跨主纜索股數量N1等于中跨索股數量N2 與人行橋索股數量N3 之和，即滿足N1=N2+N3，方便主纜編束與施工。

明確各主纜索股數量后，按要求驗算主索鞍鞍槽內主纜抗滑安全系數，并保證主索鞍設計尺寸符合常規構造及施工要求。

⑤：如在設計過程中不滿足步驟④的驗算條件，可對各跨主纜矢跨比進行微調，逐步逼近最佳設計值。

4 雙主纜線型設計案例

根據以上方法，對雙層主纜布置的某景觀懸索橋結合有限元程序進行了計算分析。計算采用通用有限元程序Midas，并依據自編小程序對線形進行校核。

①根據頂層人行橋構造和恒載布置，計算獲得頂層人行吊橋主纜線形，記錄其主纜水平分力。

頂層人行吊橋主纜線形為拋物線，跨徑為177.79m，矢高為11.853m，矢跨比1/15，其半跨線形數據如表1所示（主跨跨中車行道橋面處為坐標原點，大里程方向為X 正值，豎向向上為Z 正值，下同）。

表1 頂層人行橋半跨主纜線形

②根據主橋中跨構造和恒載布置，計算獲得中跨主纜線形，記錄其主纜水平分力。

中跨主橋主纜線形為懸鏈線，跨徑為188m，矢高為53.714m，矢跨比1/3.5，其半跨線形數據如表2所示。

表2 主橋中跨半跨主纜線形

③根據前述①和②中的水平力，可得主橋邊跨主纜水平分力，合理調整邊跨部分區段恒載布置，計算獲得邊跨主纜線形。

邊跨主橋主纜線形為懸鏈線，跨徑為87m，矢高為8m，矢跨比1/10.9，其線形數據如表3所示。

表3 主橋邊跨主纜線形

④合并以上多個線形分析子程序為一個完整模型，校驗結構及恒載布置，對主纜線形及全橋構件進行驗算。

圖7 全橋線形分析模型

根據計算結果，邊跨主纜31 股169 絲+7 股127 絲φ5 毫米鍍鋅鋁鋼絲組成；中跨主纜由31 股169 絲組成；人行橋主纜由7 股127 絲組成。纜索索股組成達到了平衡，不需額外索股；三根纜索均在滿足受力合理性的基礎上達到了線形的景觀協調。

5 主索鞍構造

主索鞍鞍座是支撐主纜的關鍵構件，主纜線形對鞍座設計的幾何尺寸和構造都會產生重大影響。鞍座內的承纜槽弧形面使主纜達到平順過渡的目的，并形成懸索橋特有的簡潔、柔韌和優美的主纜線形。鞍座的設計首先需滿足受力要求，鞍座需具備足夠的強度和剛度；其次鞍座需滿足幾何線形的要求，盡可能減少主纜索股由于彎折產生的次應力。

對于中跨豎向雙纜布置的特殊情況，鞍座既要滿足常規主索鞍的構造需求，保證通長布置主纜平順過渡；此外，還需滿足上層人行橋主纜索股轉向過渡的要求。為滿足需求，設計在構造細節上創新采用了轉向裝置，如圖8所示。

圖8 豎向雙纜布置的主索鞍構造

轉向裝置通過在鞍座底板上加設水平向隔板及其加勁板，并在隔板間設置類似承纜槽拉桿螺栓的固定拉桿裝置，保證能有效抵抗主纜索股轉向的徑向力，實現人行橋主纜的過渡。

6 結語

本文結合某景觀自錨式懸索橋豎向雙主纜的工程實際情況，在保證主纜設計的安全一致性、經濟適用性和構造合理性情況下，給出了單側結構性雙主纜的設計方法。并結合某大橋實際工程，進行了詳細的分析并創新設計了同類型橋梁的主索鞍構造。填補了現有工程的空白點，供同類型項目進行參考。