恩施大峽谷大樓門景觀橋結構設計探討

■劉政偉 尹棟佳 夏齊勇

（湖北省交通規劃設計院股份有限公司，武漢 430051)

恩施大峽谷景區為國家5A 級景區，景區內百里絕壁、千丈瀑布、傲嘯獨峰、遠古村寨等景點美不勝收，美國《國家地理》雜志專題介紹，認為可與美國科羅拉多大峽谷相媲美。本橋位于大峽谷核心景區，對橋梁的景觀價值要求較高。本項目在設計之初，即以“融橋于景，造橋為景”創意構思，橋梁結構融于自然，又能作為一道獨特的景觀增添自然的亮色。

橋梁設計標準如下：（1）橋梁類型：人行專用橋；（2）設計基準期：100 年；（3）設計使用年限：50年；（4）設計安全等級：一級； （5）荷載等級：人群設計荷載3.5 kPa；百年重現期的風速25.3 m/s，基本雪壓0.35 kPa。

1 總體設計

橋址區位于大峽谷深度景區，周圍無車行道路通行，運輸條件較差。 主橋位置位于兩座陡崖之間，橋梁頂面高程與深谷高差在80 m 以上，崖體坡度在80°以上，建設條件受到極大制約。 橋址地貌見圖1。

圖1 橋址航拍照片

對橋址區崖壁的地質情況勘探顯示，除表面層長期風化外，崖體淺層為中風化灰巖，細晶結構，薄-中厚層狀構造，其飽和抗壓強度標準值為35 MPa，達到較堅硬巖的水平，地質條件良好。

設計主創人員多次踏勘現場，收集資料，充分考慮景觀、結構、地質、施工等多方面因素，通過多輪方案比選， 確定了無塔式巖錨雙索面斜拉橋方案。 橋梁主跨88 m，斜拉索張拉側的梁體嵌入巖石層內，形成嵌固端，另一側采用支座邊界。 斜拉索間距6 m， 共12 對24 束， 斜拉索利用有利的地質條件，采用CFRP 筋材超高強水泥基巖錨基礎替代索塔作為斜拉索的錨固端，這種無塔巖錨基礎屬國內首次應用。

斜拉索采用散索設計，在豎向和平面內與主梁形成空間夾角。 散索設計提供了橋梁橫向剛度，解決了結構橫向擺動和抗風問題，同時在空間上形成了拉索依次張開的次第感， 象征恩施人民熱情好客，張開雙臂迎八方游客的人文寓意。 設計效果見圖2、圖3。

圖2 橋梁景觀效果

圖3 橋梁空間模型

2 三維定位與BIM 應用

橋址區地勢險峻， 主橋架設在兩個陡崖之間，崖體坡度在80°以上，傳統的測量方式實施難度大，定位困難，且精度無法保證設計需求。 傾斜攝影技術是測量領域近年發展的高新技術，該技術通過從1 個垂直、4 個傾斜和5 個不同的視角同步采集影像和數據，能夠高精度、多層次獲取地物的航攝影像數據（圖4）。

圖4 傾斜攝影模型

采用Global Mapper 地圖繪制軟件對數據進行處理，將基于多視角影像技術超高密度點云自動構建為不規則的三角網絡， 從而進一步生成高精度、高分辨率的表面三維模型。 采用建筑信息模型（BIM） 解決方案Auto CAD Civil 3d 軟件將傾斜攝影真實三維場景與橋梁BIM 精確模型融合，對斜拉索錨點及主橋結構進行精確定位。

3 主梁設計

主橋鋼主梁全長88 m，寬度5.0 m，采用雙主梁格構設計。 單梁采用焊接工字鋼，梁高1.2 m，標準段頂底板及腹板厚度16 mm，固結端節段厚度增加到20 mm。每隔1.5 m 設置1 道橫隔板，橫隔板設置2 道加勁肋。 橋面板采用8 cm 厚的活性粉末混凝土，具有高耐久性和高抗彎折、抗壓等性能，能夠適應較復雜的自然環境和受力狀況。 主梁一般斷面及斜拉索錨固斷面見圖5、圖6。

圖5 主梁一般斷面

圖6 斜拉索錨固斷面

主梁錨固端設置在與斜拉索巖錨錨固端同側，通過加勁板進行補強， 主梁嵌入開挖的洞室內，通過承壓板將主梁的內力傳遞到巖體內（圖7）。

圖7 主梁錨固端斷面

根據現場地形情況，斜拉索另一側的巖壁斜向近乎與主梁平行，不適合設置斜拉索巖錨，但有利于設置主梁支座。 設計采用嵌固在巖壁內的混凝土懸臂梁作為斜拉橋懸臂端的支撐梁（圖8）。 除了設置豎向支座2 個外， 在主梁側邊設置2 個支座，限制梁體的水平位移。

圖8 主梁懸臂端支撐

橋梁模型采用Midas Civil 計算軟件進行整體模型計算，橋梁三維模型見圖9，巖錨及主梁錨固端采用固結約束，主梁懸臂端采用支座約束。 主梁在基本組合下應力計算結果見圖10。主梁錨固區域由于應力集中，最大應力達到219.7 MPa，通過加勁板等措施降低該區域的應力水平。

圖9 橋梁三維模型

圖10 基本組合下主梁組合應力

4 斜拉索設計

斜拉索采用整束擠壓式鋼絞線，鋼絞線單根公稱直徑d＝15.2 mm，抗拉強度標準值fpk＝1 860 MPa，Ep=1.95×105MPa。 索體采用環氧涂層鋼絞線+油脂+PH 套的方式進行單根防護。 經多根平行編索緊密集束后，再套上HDPE 套管進行整體防護。 為減少風致振動，拉索外防護層采用雙螺旋線護套。

斜拉橋結構輕柔，結構變形受風荷載、人群荷載等影響較大。 為解決這一問題，本橋斜拉索采用19 束15.2 mm 鋼絞線集束，安全系數為5.2～8.2，遠高于強度需求，來達到提高橋梁整體剛度的目的。

5 斜拉索巖錨設計

巖錨設計采用CFRP 筋預應力錨桿系統，該系統基于碳纖維錨桿、 超高性能水泥基粘結錨固介質，具有高抗壓強度、高耐久性及高韌性等優良性能，并在矮寨大橋等橋梁工程中成功運用[1-2]。

錨桿所用CFRP 筋材標準抗拉強度fpk＝2400 MPa，是鋼絞線的1.3 倍，筋材-粘結介質界面粘結強度比鋼絞線大得多， 彈性模量E≥1.5×105MPa，破斷延伸率大于等于1.5%，高性能水泥基材（RPC）抗壓強度130 MPa。 每個錨固段設置兩根錨桿結構。 單根錨桿桿體筋材采用5 根有效直徑12 mm 的CFRP 筋組成，筋材總面積565.5 mm2。 錨桿采用單端預應力張拉，張拉控制應力為σfk＝0.6 fpk＝1440 MPa。 巖錨系統見圖11～13。

圖11 巖錨系統

巖錨按永久構件進行設計， 參照GB50086-2015 《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》及文獻[1-2]的研究結論進行設計。巖錨計算主要分為2 個部分：一是確保錨桿抗拉強度極限大于設計值，確定錨桿所需的CFRP 筋材的直徑和根數；二是確保錨桿的有效錨固長度內的粘結性能大于錨桿的抗拉強度極限值，來確定臨界錨固長度。

錨桿根數與直徑計算如下：

圖12 巖錨頂部細部構造

式中：Ns—錨桿拉力設計值；k—安全系數，取2.2；n—筋材根數；d—筋材有效直徑；ffk—筋材極限抗拉強度。

設計采用錨桿采用直徑12 mm 壓痕式CFRP筋材，有效破斷面積113.1 mm2，筋材極限抗拉強度不小于2 400 MPa，錨桿拉力設計值為500 kN。 計算可得所需筋材根數不小于4.1 根， 取整后設計采用5 根筋材制作1 根錨桿，滿足設計要求。 錨桿構造設計截面見圖14。

圖13 巖錨底部細部構造

圖14 巖錨錨桿截面構造

臨界錨固長度是計算錨桿的有效設計長度，使錨桿與巖體的粘結年滿足設計承載力要求。 計算如下：

式中：τm—筋材-粘結介質界面粘結強度，設計采用標準抗壓強度130 MPa 活性粉末混凝土混合漿料，在文獻[2]中，活性粉末混凝土混合漿料與巖體的平均界面強度遠大于普通砂漿與巖石粘結強度，美國PTI《巖層與土體預應力錨桿的建議》推薦白云質石灰巖與灌漿料的極限粘結應力為1.4～2.0 MPa。 綜合考慮后，設計筋材-粘結介質界面粘結強度取2.0 MPa；D—地下段鉆孔直徑， 設計巖錨結構為150 mm；lcr—臨界錨固長度；Km—安全系數，取2.5;Kb—群錨增大系數。

計算得出錨桿臨界錨固長度3.3 m， 設計地下錨固深度不小于3.5 m，滿足設計要求。

6 人行舒適度計算

研究指出[3-4]，斜拉橋的自振頻率與索梁剛度比EeAe/EdId、索塔剛度比以及跨徑l 有關，在結構尺寸確定情況下，索截面面積與結構自振頻率近似成正比。 我國現行規范CJJ69-95《城市人行天橋與人行地道技術規范》規定上部結構豎向自振頻率不應小于3.0 Hz。 本橋結構輕柔，跨徑較大，斜拉索采用了較大的截面面積來提高結構剛度。 結構第一階橫向自振頻率提高到1.42 Hz， 第一階豎向自振頻率提高到2.05 Hz， 但再增加斜拉索截面面積對提高結構自振頻率效率不高，造成較大的材料浪費。 經驗及研究表明，現行規范對于大跨徑、輕柔結構天橋要求偏于嚴苛和保守[5-7]。 歐美人行橋設計規范中對正常使用狀態下舒適度通常是以控制自振頻率和控制結構動力響應加速度來保證橋梁舒適度使用要求見表1。

表1 各國規范規定人行橋無需驗算豎向動力性能的自振頻率最小值

日本規范對于自振頻率限值較寬松，歐洲規范的豎向頻率限值都較大，這是因為這些規范的限值都是指不需要進行舒適度計算的結構。 目前國內人行橋梁大多參考德國規范進行舒適度設計。 德國規范規定人行橋結構的豎向固有頻率1.25 Hz≤f0≤4.6 Hz 范圍內，需要應用限制動力響應值法驗算舒適度，側向荷載限制頻率范圍為0.5 Hz≤f0≤1.2 Hz。德國規范規定的行人交通等級及舒適性指標見表2、表3。

表2 行人交通等級和密度

表3 德國規范人行舒適性指標

橋梁結構第一階側向振動頻率大于1.2 Hz，無需進行舒適性驗算。 豎向動力性能采用Midas Civil建立結構對豎向振動特性進行時程分析，結果見表4。 TC2 交通流下主梁結構的峰值加速度包絡結果見圖15。

表4 不同交通流下峰值加速度

圖15 TC2 荷載等級下峰值加速度

結果表明，在TC1 和TC2 交通流下，結構舒適度為“優”，在TC3 交通流下，結構舒適度為“良”，在TC4 和TC5 交通流下，結構舒適度為“中”，均在規范容許范圍內。

7 結語

（1）傾斜攝影技術和BIM 技術結合在橋梁工程中的應用，可以解決復雜陡峻地形中橋梁結構定位問題。 （2）依托良好的地質條件，本橋采用的無塔斜拉橋結構創新性強，結構受力合理，對景觀橋梁設計具有借鑒意義。 （3）巖錨基礎是主橋結構的重要構件，文中提供了計算方法。 （4）大跨徑斜拉橋結構輕柔，斜拉索截面面積對主橋剛度影響較大。 設計應綜合考慮材料利用效率與結構性能改善的關系，尋找最優設計平衡點。 （5）我國人行橋設計規范對于結構基頻做出的限制規定偏于保守， 對于大跨度、結構輕柔的天橋結構基頻如滿足規范，付出代價較大，結合本項目經驗，建議參考德國規范進行舒適度驗算，計算結果滿足舒適度要求。