庫區復建三塔四跨人行懸索橋總體設計

薛明生，秦 波，劉雪松

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

0 前 言

多塔懸索橋是在傳統雙塔懸索橋基礎上發展起來的一種新的橋型，其受力特征與傳統雙塔懸索橋有較大區別。多塔懸索橋整體剛度低，中塔剛度對整個結構受力影響大，梁約束體系的選擇和各承重構件尺擬定是橋梁各承重構件剛度匹配、橋江整體剛度偏低的重中之重［1］。現階段三塔懸索橋多應用于公路橋梁中，在人行懸索橋應用較少，該研究通過介紹某三塔四跨人行懸索橋總體設計，供同類橋梁設計參考。

1 橋型總體

擬建橋梁為庫區淹沒復建跨江人行橋，根據橋位處地形、地貌、水文、地質、氣象等基本條件，同時從橋梁規模、影響力、經濟性、施工快捷、養護方便等方面進行綜合比較，擬采用的橋型方案為三塔四跨懸索橋（36.3m＋2×150m＋43.5m），總長400m。橋面寬度為凈-2.5m＋2×0.5m欄桿吊索區，總寬3.5m，設計洪水頻率為P＝2%，橋下無通航要求，設計荷載為人群荷載2.5kN／m2，基本地震動峰值加速度為0.2g，地震反應譜特征周期為0.40s，相應的地震基本烈度為Ⅷ度。

2 橋跨布置

2.1 橋位地形、地質及水文概況

橋址區屬高山峽谷地貌，河流平面形態呈“S”形。河谷深切，整體呈“U”形河谷，除橋址右岸局部邊坡陡峭外，其他岸坡相對平緩開闊。橋址區右岸上游高程1730m以下地形較緩，發育有兩級階地，下游山體雄厚，地形相對較整齊且較陡，地形坡度40°～45°，局部可見基巖裸露；橋址區左岸及下游側為平緩階地堆積物，地形坡度10°～30°，以旱地分布為主，上游側臨河拐彎處為基巖陡崖，呈帶狀分布。橋梁左岸道路接線高程為1749.294m，右岸道路接線高程為1753.151m。橋設計洪水位采用水電站100年一遇洪水回水位1735.16m，施工水位采用5年一遇天然洪水位1689.42m。橋位地形示意如圖1所示。

圖1 橋位地形示意

2.2 三塔懸四跨懸索橋的優點

受水庫蓄水影響，水面總寬約370m，河床中部和右岸水深較深，左岸水深較淺。受各種政策和其他因素影響，本橋為凈寬僅2.5m的人行橋，采用主跨150m的三塔四跨懸索橋跨越河谷。中塔設置于中部施工水位以上，結合筑島滿足陸上施工，橋梁所有塔柱及其基礎均為水上施工，江中僅設一墩，橋梁建成后對過流斷面影響小，采用三塔四跨懸索橋對地形的適應性好。

若采用梁橋，相比三塔懸索橋方案，其橋梁寬跨比小，橫向穩定問題突出；橋梁下部結構規模大，造價高，水中施工基礎多施工難度大；橋梁建成后對河流斷面壓縮率大，不利于防洪。若采用雙塔懸索橋，跨度大，寬跨比過小，橫向穩定和抗風問題更加突出；橋梁減少一個橋塔后，隨著跨度大幅增加，主纜力、主塔和錨碇承受荷載隨之加大，在橋長不變的情況下工程規模加大；橋梁左岸階地堆積物達30m，承載力較低，要求錨碇不宜過大。

3 體系選擇

三塔懸索橋與普通雙塔懸索橋相比增加了一座橋塔，其結構體系相比雙塔懸索橋一定區別，選擇適宜的體系是結構總體設計工作的重中之重［2］。橋型布置如圖2所示。

圖2 橋型布置示意（單位：m）

3.1 矢跨比

懸索橋的矢跨比是主纜在主跨內的矢度與主跨跨徑的比值，是懸索橋極為重要的參數，對橋梁結構剛度、工程數量及其造價有控制性的影響［3］。對于雙塔懸索橋，一般地錨式懸索橋矢跨比取值為1／9～1／12［4］。對于多跨懸索橋，其結構柔性大，固有振動頻率較低，為了提高懸索橋的整體剛度必須采用較大的矢跨比。在本項目設計過程中，選取了1／7、1／8、1／9、1／10、1／11、1／12和1／13共7組矢跨比進行靜力和動力分析比較。分析結果表明：從靜力計算結果來看，隨矢跨比的增大，結構剛度改善較明顯，主梁的活載撓度減小較多，雖然中塔索鞍抗滑移安全系數有一定程度地減小，但可通過主纜與索鞍間的構造措施有效解決；從動力計算結果來看，隨矢跨比的增大，橋梁抗風性能提高。本橋的設計過程中綜合考慮結構受力和綜合造價，采用1／9的矢跨比。

3.2 主梁約束體系

豎向約束方面，設計時在全橋錨碇和主塔處主梁均采用了豎向支座約束，由于0號索對加勁梁的受力改善幅度不明顯，全橋不設置0號吊索。縱向約束方面，設計過程中比較了中塔塔梁固結，彈性索約束和縱向自由3種邊界；通過設計分析表明，通過設置縱向約束，可有效減小主梁位移，減小主梁豎向撓度，提高主纜與中主鞍座間抗滑移安全系數；采用固結約束體系，取消了不設縱向約束，橫向抗風支座和彈性索等，但塔梁固結區構造復雜，結構高次超靜定受力復雜，溫度、焊接殘余應力等不明確，故未采用；綜合計算結果本橋采用縱向彈性索約束［5］。橫向約束方面，在3個主塔處均設置抗風支座。扭轉約束方面，通過豎向支座和豎向限位構造組合約束橋梁扭轉。

3.3 抗風纜及中央扣

本橋梁寬跨比約1／43，為提高橋梁運營期的抗風穩定性，保證橋梁結構安全，改善行人舒適度，本橋設置了空間網狀抗風纜和中央扣。抗風纜兩岸均采用錨樁錨固，錨樁端采用U型螺桿式熱鑄錨，螺桿具有索長調節功能。抗風纜主纜采用8×25Fi＋IWR公稱直徑60mm鍍鋅鋼絲繩，公稱抗拉強度1870MPa，破斷力2650kN；吊索采用6×19W ＋IWR公稱直徑18mm鍍鋅鋼絲繩，公稱抗拉強度1870MPa，破斷力216kN。

4 結構設計

4.1 主梁設計

加勁梁為四跨連續體系，在橋塔、橋臺處設置了橫向限位擋塊，在1號、3號塔處設置了豎向的限位支座，在2號塔處設置了縱橋向和豎向的限位支座。

加勁梁在非加強區由兩根HN600mm×200mm×17mm型鋼和一根HN300mm×150mm×9mm型鋼縱梁組成，縱橋向每隔4m在與吊點同位置設一道HN600mm×200mm×17mm型鋼橫梁，縱、橫梁間設置L70×8上平聯組成平面桁架。在橋塔區域為加勁梁在加強區，由兩根H600mm×300mm×26mm×14mm型鋼和一根HN300mm×150mm×9 mm型鋼縱梁組成，縱橋向每隔4m在與吊點同位置設一道H600mm×300mm×26mm×14mm型鋼橫梁，縱、橫梁間設置L70mm×8mm上平聯組成平面桁架。主梁構造見圖3。

圖3 主梁構造示意（單位：mm）

4.2 纜索系統設計

4.2.1 主纜及索鞍

主跨主纜計算跨徑150m，垂跨比為1／9，右岸邊跨跨徑為36.3m，右岸邊跨跨徑為43.5m，垂跨比由水平力相等確定。主纜采用的是8×19W ＋IWR公稱直徑42mm鍍鋅鋼絲繩，公稱抗拉強度1870MPa，7股鋼絲繩組成1根主纜。計算時彈性模量取為1.2×105MPa，最終根據廠家提供的參數進行修正。

主纜為平行索面，主纜中心距3.3m。主纜緊纜和受載通過銷接式鑄鋼索夾和普通螺栓實現。主纜在右岸錨跨經過散索箍散開，在右岸錨跨經過散索鞍散開，主纜散開后各索股端頭安裝熱鑄錨具，再通過錨固拉桿傳力至錨碇。

索鞍鞍槽、肋板、承壓板、上壓板和底板均為鑄鋼，索鞍通過預埋螺桿錨固于橋塔混凝土中。鞍槽內索股就位后，頂部用鋅質填塊填平，緊固上壓板螺栓。

4.2.2 索夾及散索鞍

主纜通過索夾與吊索相連，索夾采用左右對合的結構形式，左右鑄鋼夾板通過普通螺栓相連夾緊于主纜上。

主纜散索箍是主纜進入錨室前墻的過渡裝置。使主纜按照要求進行分散后，對主纜提供必要保護的同時具有良好的密閉性能。散索箍呈喇叭形管狀鋼套，采用左右對合的結構形式，兩半之間設螺栓夾緊裝置，在兩半散索箍合縫處設橡膠條防水構造，端頭設防雨水護罩。

4.2.3 吊 索

吊索與索夾以及主梁均采用銷接式，每個吊點設一根吊索。吊索上端錨頭采用叉耳銷接式熱鑄錨，下端采用雙螺桿式熱鑄錨，螺桿具有索長調節功能，用以消除制造、架設引起的吊索長度誤差。吊索順橋基本間距4m，索塔兩側為3.5m，吊索采用6×19W ＋IWR公稱直徑26mm鍍鋅鋼絲繩，公稱抗拉強度1870MPa，破斷力450kN。彈性模量取為1.2×105MPa，最終根據廠家提供的參數進行修正。

4.3 主塔設計

橋塔采用外傾式門架形鋼筋混凝土塔，混凝土橋塔強度等級C40。1號塔橋總高53.5m，塔柱尺寸為自塔頂1.6m×1.4m至塔底3.74m×1.4m變化（縱橋向×橫橋向）；2號塔橋塔總高73.2m，2號塔為自塔頂2m×1.8m至塔底10m×1.8m變化（縱橋向×橫橋向）。3號塔橋塔總高35.5m，3號塔為自塔頂1.6m×1.2m至塔底3.02m×1.2m變化（縱橋向×橫橋向）。

1號塔為2.3m厚承臺配4根直徑1.5m樁基；2號塔為3.8m厚承臺配4根直徑2.5m樁基；3號塔為2.3m厚承臺＋4根直徑1.5m樁基。承臺強度等級C40，樁基強度等級C30。

2號橋塔采用筑島施工，2號塔樁基礎施工前筑島進行碾壓壓實處理，邊坡采用1m厚鋼筋石籠進行防護。

4.4 錨碇設計

右岸錨碇采用錨索組合重力式錨碇，錨碇依靠預應力錨索來抵抗主纜拉力：預應力錨索張拉后錨固于錨碇前錨面，主纜散索后錨固于錨碇混凝土后錨點，主纜與錨索間的不平衡力由錨碇基底摩擦力和接觸反力提供。左岸錨碇采用重力式錨碇。

右岸錨碇采用C30混凝土，總體尺寸6.5m×10m×10m（高×長×寬），錨固面的最小厚度為3.34m，底面厚3.55m。錨固面布置12根預應力錨索，單根錨索長25m，與水平面夾角為34°，鎖定張拉力為1000kN，錨索進入中風化層不小于10m。0號錨碇開挖前，對橋軸線上下游各10m范圍的下邊坡進行防護，同時對橋軸線上下游各40m范圍的上邊坡進行防護，然后進行錨碇開挖施工，確保錨碇安全。

左岸錨碇及其基礎采用C30混凝土，錨座總體尺寸5m×10.64m×5.6m（高×長×寬），基座總體尺寸9.5m×13.5m×8m（高×長×寬）并采用C15素混泥土填充，基礎總體尺寸3m×20m×10m（高×長×寬）。錨碇地基由河流Ⅲ級階地地堆積物（卵礫石層、碎塊石夾砂）組成，對4號錨錠基礎底面墊層以下外延1m范圍內換填碎石土并夯實，換填深度1.0m，錨碇尾部做回填處理，與臺后填方路基順接。

5 結 論

本三塔四跨人行懸索橋主跨150m，通過增加中塔很好地適應了地形條件，在設計中其結構體系也較為新穎，橋跨布置、體系選擇及其主要結構設計參數與一般雙塔人行懸索橋相比有顯著區別。除此之外，三塔人行懸索橋主要承重構件剛度匹配和中塔效應分析，結構抗震性能及減震設計和橋梁人致振動分析及減振設計均是設計中需進一步加以研究。