橫梁長度參數對人行柔性吊橋抗傾覆的探討分析*

莫靖 李睿 岳俊歡 劉坤

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

云南某些地區水流湍急、峽谷深邃，為解決處于深山峽谷和山川河流之間交通通行的問題，需要修建大量的人行橋[1]。而人行柔性吊橋因其跨越能力強、造型美觀等特點，成為云南地區較受青睞的橋型[2]。

人行柔性吊橋的橋面凈寬有限，隨著跨徑的增加，寬跨比隨之減小，當人流量較大時，行人過橋途中，不會主動沿著橋中線行走，偏載作用明顯[3]。若橋梁橫向穩定性差，當行人偏于一側過橋時，橋面會產生較大的橋面橫坡，引起行人的緊張感；當橋面出現更嚴重的偏載時，甚至可能導致橋面系扭轉而傾覆[4]。

人行柔性吊橋的橋面系一般采用橫梁懸掛于吊桿下方，然后在橫梁上布置縱梁及橋面板。橋面所有荷載傳遞到橫梁，再由橫梁傳遞到主纜[5-6]。橋面系往往布置于橫梁中間，橫梁兩邊還有部分不布置橋面系，甚至懸挑出吊桿外，以確保橋面系的穩定性[7-8]。在橋面寬度不變的情況下，橫梁的長度變化，主要取決于橫梁懸挑的長度和空置長度。參照索道橋的橫梁布置對其側傾的影響研究，發現橫梁結構形式的不同，對橫向的穩定作用確實有一定的差異[9-10]，橫梁間距更是影響局部橫向傾斜的主要原因[11-12]。對于柔性吊橋，大多是針對橫梁的結構形式、橫梁安置的間距的優化進行研究，但我國目前還沒有出臺有關柔性吊橋的規范和文獻，這使得設計施工過程中沒有依據可循。綜上所述，本文以云南某人行柔性吊橋為例，在確定橫梁結構形式和橫梁布置間距的基礎上，分別對橫梁懸挑長度和空置長度進行調整，分析這2個參數對吊橋橫向坡度B至橋面的抗傾覆能力的影響。

1 工程實例

1.1 工程概況

云南某橋，為主跨跨徑L=96 m的人行柔性吊橋，主索采用拋物線形，矢高f=9.6 m，矢跨比為f/L=1/10，橋面凈寬4.0 m，原橋橫梁懸挑長度L1=0.2 m，空置長度(吊桿到邊縱梁的距離)L2=0.3 m。橋梁中線立面如圖1所示。

圖1 橋梁中線立面(單位：cm)

主纜、吊索采用ZAA6×36WS+IWR高強鍍鋅鋼絲繩，其公稱抗拉強度為1 770 MPa；橋面系縱梁為(180×100×6) mm矩形鋼梁，橫梁為(300×200) mm矩形鋼梁，頂板厚度16 mm，腹板厚度10 mm，次橫梁為(80×80×5) mm矩形鋼梁，鋼材均為Q345D；橋面板采用12+1.90PVB+12+1.90PVB+12鋼化夾層玻璃，橋梁橫斷面見圖2所示。

圖2 橋梁橫斷面(單位：cm)

1.2 計算建模

利用有限元軟件對人行柔性吊橋建立整體空間模型，主纜、吊桿采用索單元進行模擬，縱梁、橫梁、索塔采用梁單元進行模擬，橋面板采用板單元進行模擬。索塔底部、錨錠進行固結，索鞍采用剛性連接模擬，橋梁整體模型見圖3。

圖3 整體模型

模型中已建立的單元的恒載自重系數取-1，橋梁其余構造重量(例如索夾重量、護欄重量、螺栓重量等)均作為壓力面荷載施加于橋面板上；活載主要考慮3.5 kN/m2的人群荷載。為模擬人群偏載情況，在橋面一側的半橋寬范圍布置3.5 kN/m2的人群荷載，另一側空載，使橋面在荷載作用下產生最大的橋面橫坡。為判斷2個參數(L1為橫梁懸挑的長度，L2為空置長度)分別對橋面抗傾覆的影響(參數示意見圖4)，采用控制變量法，單獨改變L1和L2其中一個變量，此時橋面橫坡也會發生相應改變，由此判斷兩種方法對橋面抗傾覆的的影響程度。需注意由于L1和L2長度的改變，均會導致橋梁恒載的改變，在模型中需要對荷載進行調整，偏載作用下變形圖見圖5。

圖4 參數示意

圖5 偏載作用下變形

2 計算結果及對比分析

2.1 橫梁懸挑長度對柔性吊橋抗傾覆的影響

通過圖5可知，豎向撓度和橫坡撓度差最大的位置發生在橋跨1/4和3/4處(最不利處)，現保持L2為0.3 m不變，改變L1的長度，設定L1從0 mm增加到1 000 mm，計算橋面最不利處在偏載作用下的橫坡變化，從而分析橫梁懸挑長度對橋面抗傾覆的影響。

橫梁懸挑長度對偏載作用下橋面橫坡的影響如表1所示，懸挑長度對偏載作用下的橋面橫坡影響曲線如圖6所示。

表1 懸挑長度作用效果表

圖6 懸挑長度對橋面橫坡的影響曲線

增加橫梁的懸挑長度，實際上是通過增加橋梁的“自重剛度”來提高橋梁的抗傾覆能力，因此需要使自重達到一定的重量，才能起到抗傾覆的效果。由表1及圖6可知，在空置長度為0.3 m不變時，隨著懸挑長度從0 mm逐漸增大到1 000 mm，加載側豎向撓度由855.75 mm增大到904.8 mm，又減小到873.87 mm，偏載作用下的橋面最大橫坡從3.44%逐漸增加到3.61%，然后又減小到3.44%。由此判斷：橫梁懸挑長度在0～1 000 mm內變化時，橋面橫坡改變不明顯，甚至會導致橫坡變大。通過增加橫梁懸挑長度來保證其抗傾覆能力效果較差，甚至起到反效果。

2.2 空置長度對柔性吊橋抗傾覆的影響

保持L1為0.2 m不變時，改變L2的長度，設定L2從0 mm增大到1 000 mm，計算橋面最不利處在偏載作用下的橫坡變化，從而分析橫梁懸挑長度對橋面抗傾覆的影響。

空置長度對偏載作用下橋面橫坡的影響如表2所示，空置長度對偏載作用下的橋面橫坡影響曲線如圖7所示。

表2 空置長度作用效果表

圖7 空置長度對橋面橫坡的影響曲線

增大空置長度的距離，在增大“自重剛度”的同時，可以充分提升纜索初應力對剛度的作用，從而提高橋梁的抗傾覆能力。由表2及圖7可知，在橫梁懸挑長度L1為0.2 m不變時，隨著L2的增大，加載側豎向撓度由946.33 mm減小到869.14 mm。偏載作用下的橋面最大橫坡，當L2在0～400 mm內增大時，橫坡迅速由3.77%減小到3.21%；當L2在400～800 mm內增大時，橫坡緩慢由3.21%減小到3.16%；當L2在800～1 000 mm內增大時，橫坡由3.21%迅速減小到2.86%。由此判斷：空置長度在0～1 000 mm內逐漸增大時，橋面橫坡均會減小，且在0～400 mm和800～1 000 mm內減小效果最為明顯，因此通過增加空置長度來保證其抗傾覆能力是有效的。

2.3 橫梁長度對橋面抗傾覆能力的影響分析

在橫梁長度相同的情況下，將懸挑長度和空置長度對橋面橫坡的影響進行了直觀的對比分析，橫梁長度-橋面橫坡影響曲線如圖8所示；同時，不能只關注橋面的橫向坡度，對加載側的豎向最大撓度也需要進行綜合考慮，橫梁長度-豎向撓度影響曲線如圖9所示。

圖8 橫梁長度對橫坡的影響曲線

圖9 橫梁長度對偏載側最大撓度的影響曲線

在橋面凈寬不變的前提下，增大懸挑長度，會使橋面橫坡增大，無法提高橋面抗傾覆能力；而增大空置長度，可減小橋面橫坡，且在橫梁總長為4 400～5 200 mm和6 000～6 400 mm內減小效果最為突出。偏載側的豎向最大撓度也會隨著橫梁長度的影響而變化，增大橫梁的懸挑長度，使橫梁總長在4 000～5 000 mm時，相比于增大空置長度，偏載側的豎向最大撓度更小；增大空置長度使橫梁總長在5 000～6 600 mm時，相比于增大懸挑長度，偏載側的豎向最大撓度更小。

總體來說，當橫梁長度較小時，增大懸挑長度對減小豎向撓度效果明顯，但在兼顧減小橋面橫向坡度的條件后，即需要增加橫梁長度后，2個參數對豎向撓度的影響效果差距不大。

3 結論

以云南某人行柔性吊橋為例，利用有限元軟件對全橋建立模型，在橋寬不變的前提下，考慮人群偏載作用下，綜合考慮橫梁懸挑長度和空置長度對橋面橫向坡度和豎向最大撓度的影響，進而對吊橋的抗傾覆能力進行探討分析，現得出以下結論：

(1)懸挑長度在0～1 000 mm內增大時，會導致橋面橫坡的增大。增加橫梁的懸挑長度，不一定能增加其抗傾覆能力，甚至起到反效果。

(2)空置長度在0～1 000 mm內增大時，會使橋面橫坡逐漸減小，空置長度在0～400 mm和800～1 000 mm內增大時，橋面偏載橫坡的減小效果最明顯。因此，通過增加空置長度來保證其橋面的抗傾覆性是有效的。

(3)當橫梁總長達到一定長度時，2個參數對橋面豎向最大撓度的影響效果差距不大。

(4)綜合比較后，在橋面凈寬不變的前提下，適當增大橫梁的空置長度，會使其橋面橫坡減小的效果更明顯，橋面抗傾覆能力更強。