懸挑環形廊橋靜力性能及結構優化研究

劉爭輝，趙 峰，劉士清，劉 召

(1. 武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢 430065； 2. 湖北省建筑科學研究設計院，湖北 武漢 430071)

1 工程概況

某懸挑環形廊橋為人行景觀橋，位于山地峽谷地區，建設場地北側為坡度25°～30°山坡，東、西側為觀光道路，南側為高差約250m的懸崖，現場場地標高為765.240～775.810m。該橋主塔為鋼筋混凝土門式橋塔，塔柱斷面尺寸為2m×2.5m，高25m，橋塔基礎由承臺及預應力錨索組成，承臺平面尺寸為6m(橫橋向)×9m(縱橋向)×2.5m。主梁長52.5m，采用鋼桁架+玻璃面板的組合結構體系，懸廊結構采用(8+8+8)mm 3層夾膠鋼化玻璃作為橋面板，設2道1.5m×44.7m玻璃面主通道，主通道間設2道1.5m×15m玻璃面連廊，連廊相距12m，主通道端部設φ15.6圓環形玻璃觀景平臺。橋梁共布置14根φ80 650MPa 等強合金鋼拉索，主塔與懸廊間設3排(10根)斜拉索，主塔與錨碇間設1排(4根)斜拉索，主梁上斜拉索張拉點位于連廊端部及圓環形通道中心。全橋立面布置如圖1所示。

圖1 全橋立面布置

2 懸挑環形廊橋靜載試驗

該橋受建造地點險峻、結構形式新穎及橋身選材自重小等因素影響，設計與建造難度大，為保證橋梁運營安全，有必要進行現場靜載試驗，以檢測施工質量。為更準確了解該橋結構靜力特性，進行現場分級靜力加載，測得橋梁各加載工況下主梁撓度、斜拉索索力值、主塔位移及塔柱底截面應力等結構靜力參數指標，并根據靜載試驗相關數據評估該橋整體受力狀況和結構安全性能[1-4]。

常見的橋梁加載方式包括車輛、重物及反力架加載。由于該橋所處地理位置不便運輸重物，且人行橋無法采用車輛加載，考慮建設場地周邊取水便捷，采用水袋作為加載重物[5]。按內力等效原則確定加載值，在玻璃廊道內均布滿載，如圖2所示。根據加載水袋質量分0.9，1.2，1.5kN/m23級加載。各工況下靜載試驗荷載效率均可滿足規范要求，效率系數取值為0.95～1.05[6-8]。

圖2 現場水袋加載

3 有限元模型

根據項目設計施工圖紙，結合現場靜載試驗，采用ANSYS有限元軟件對全橋進行三維有限元建模計算[9]，橋塔采用solid65單元，斜拉索采用link180單元，主梁采用beam188單元，玻璃橋面板采用shell181單元進行建模，全橋共10 350個結點(見圖3)。斜拉索、主梁與橋塔間采用節點耦合，承臺與基礎、斜拉索與錨碇均采用剛性連接。

圖3 全橋有限元模型

4 懸挑環形廊橋結構靜力特性分析

模擬試驗工況與靜載試驗加載工況相同，各工況下橋梁結構靜力參數實測值與有限元模擬值如表1所示，其中校驗系數為實測值與模擬值的比值。

表1 各工況下橋梁結構靜力參數

由表1可知，各工況下主梁最大撓度、斜拉索最大索力、塔頂最大水平位移和塔柱底截面最大應力的校驗系數均在通常值范圍0.80～1.00，說明模擬計算能很好地反映橋梁的靜力性能[10]。同工況下，主梁最大撓度計算值均大于理論值，說明結構實際抗彎剛度大于理論抗彎剛度，卸載后主梁最大撓度值為1.0mm，相對殘余位移為7.25%，表明結構的彈性工作性能較好，具有良好的彈性恢復能力。一定條件下索力與其振動頻率存在對應關系，采用振動頻率法測斜拉索索力，根據弦振動理論推導出的工程常用斜拉索索力計算公式推算實測索力值，斜拉索索力設計值為500kN，在最大加載工況下，斜拉索最大索力為275.12kN，安全系數為1.8，具有足夠的索力儲備。塔頂最大水平位移僅1.0mm，說明橋塔整體剛度較好。塔柱底截面最大應力為1 723.84kN， 說明各應力測點水平較低，均小于材料容許應力，橋塔在各工況加載情況下具有足夠的剛度儲備。綜上所述，該橋承載力滿足設計荷載等級要求，具有足夠的安全儲備。

為保證運營過程中該橋安全性和橋梁結構耐久性，建議定期對鋼結構進行防腐、除銹處理，對混凝土結構開裂、玻璃面板破損情況進行檢測；設立永久水準測量點，定期對主梁和橋塔進行撓度檢測，防止全橋出現較大變形，影響安全使用；加強對各受力控制截面的檢測與保養，同時在運營過程中限制通行人數，防止超載、偏載。

5 懸挑環形廊橋結構靜力性能設計參數分析

5.1 橋塔結構形式

實橋設計方案中主塔為鋼筋混凝土門式橋塔，為研究橋塔結構形式對懸挑環形廊橋靜力性能的影響，將主梁以上橋塔部分改為H形、拱形橋塔結構，其余各橋梁結構參數指標不變進行數值模擬，與實橋設計方案進行對比(見表2)。由表2可知，橋塔結構形式對橋梁靜力參數的影響并不明顯，說明橋塔結構形式不是結構設計的敏感性參數。門式、H形橋塔的各結構靜力參數更相近，3種橋塔形式對斜拉索索力及塔柱底截面應力的影響較小，采用拱形橋塔時，主梁撓度有一定程度優化，因此，進行同類結構設計時，建議采用拱形橋塔結構。

表2 橋塔結構形式變化對橋梁結構靜力性能的影響

5.2 索區高度

索區高度為塔柱頂端設置的斜拉索區域最低高度，實橋索區高度為21m，由于受原橋塔高度限制，設置15，18m 2種索區高度與橋梁原設計方案進行對比(見表3)。

表3 索區高度對橋梁結構靜力性能的影響

由表3可知，索區高度對全橋結構位移及斜拉索索力基本沒有影響，但對橋塔受力有一定程度影響，越靠近橋塔底部，塔柱底截面應力越大，說明索區高度對橋塔結構受力影響較大，同類型橋梁橋塔設計時，應采用較大的索區高度。

5.3 橋塔高度

橋塔高度為主梁以上部分的高度，實橋橋塔高度為25m，為保證主梁和斜拉索的布置不受橋塔高度影響，通過改變無索區塔柱高度調整橋塔高度，設置20，30m 2種橋塔高度與原設計方案進行對比(見表4)。由表4可知，橋塔高度對懸挑環形廊橋的結構位移、斜拉索索力及橋塔應力均影響較大。橋塔高度減小造成斜拉索豎向支撐減弱，索力顯著變化，當橋塔高度減小10m，斜拉索最大索力增大77.4%，主梁最大撓度增加33.9%，塔頂最大水平位移增大1倍，塔柱底截面最大應力增加36.4%。這說明矮塔橋對橋梁結構受力影響較大，為改善該類橋梁結構靜力特性，建議采用較大橋塔高度。

表4 橋塔高度對橋梁結構靜力性能的影響

6 結語

以某懸挑環形廊橋項目為背景，研究各加載工況下全橋靜力特性，評估橋梁結構安全性能，并討論橋塔結構形式、索區高度、橋塔高度3個設計參數對懸挑環形廊橋靜力性能的影響，得出以下結論。

1)在滿足設計要求的靜載作用下，該橋結構位移、索力值和橋塔應力均能滿足規范要求，說明結構具有足夠的強度、剛度和安全儲備。采用數值模擬得到的橋體位移、應力和變形等參數信息，對橋梁設計校核、施工與檢測分析、保障橋梁結構安全性能具有重要意義。

2)橋塔結構形式對該類橋靜力性能影響不大，但根據有限元模擬的結構靜力參數，考慮經濟性因素，類似橋梁結構設計中拱形橋塔略優于門式、H形橋塔；索區高度對撓度及索力值影響不大，但對橋塔受力影響顯著，應采用較大的索區高度；橋塔高度對橋梁變形、斜拉索索力及結構應力影響較大，在設計中應避免矮塔橋，采用較大的橋塔高度。