某山地螺旋吊橋結構分析與設計

周祥乾

（珠海市規劃設計研究院，廣東 珠海 519000）

0 引 言

山地步道作為慢行系統的重要組成部分，拓展了城市空間，豐富了城市體驗，受到市民的青睞。鳳凰山山地步道項目位于香洲區鳳凰山森林公園東南部，西接香山湖公園，東至海天公園，南依梅華路，北鄰大鏡山水庫，全長約8.6 km。項目周邊已建成香山湖公園、香山驛站、石溪公園、大鏡山社區體育公園、海天公園等城市公共空間，是市民重要的休閑目的地。山地步道串聯起了城市景點，延伸了慢行空間，起到了良好的社會效益。

1 結構設計

山地步道項目其中一處采用了螺旋吊橋的落地方式。螺旋吊橋主梁采用鋼箱梁結構，梁高0.7 m，標準段橋梁寬3 m，底板寬0.65 m，箱梁頂板厚14 mm，底板厚12 mm，腹板厚16 mm，箱梁內頂底板設置5道縱向板肋，主梁橫隔板標準間距1.5 m 布設，支點橫隔板厚10 mm。電梯豎塔由直徑6 m 的混凝土筒體組成，高度44.5 m，螺旋吊橋共7.5 圈，中心線直徑分別為20 m 和15 m，坡度為1∶12。螺旋吊橋由水平的撐桿和斜向的拉、壓桿與中間混凝土電梯塔筒相連。為了避免人行過程中結構沿環形切向的晃動，吊桿和撐桿采用星形布置。電梯塔筒壁厚450 mm，混凝土強度等級為C40，筒身內置型鋼勁性骨架（見圖1、圖2）。

圖1 螺旋吊橋總體布置圖（單位:cm）

圖2 撐桿及拉壓桿布置圖

2 結構縱向計算

螺旋吊橋縱向計算可以理解為曲率較大的彎橋建立梁單元進行分析，以下是相關計算和結果。

2.1 計算荷載取值

根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ 69—1995）、《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）取值。

2.1.1 永久作用

結構自重、鋪裝、欄桿等。

2.1.2 可變作用

2.1.2.1 人行荷載效應根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ 69—1995）中3.1.3.2 條計算人群荷載取值。

2.1.2.2 整體升、降溫

珠海平均氣溫21.8℃，極端最低氣溫-1.3℃，極端最高氣溫36.7℃。結合《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）4.3.12 條溫熱地區剛橋面板鋼橋，最高溫度46℃，最低溫度-9℃。結構落架基準溫度約20℃，計算考慮整體升溫25℃，整體降溫-25℃。

2.1.2.3 風荷載

螺旋吊橋位于山谷，考慮向上的風吸和向下的風壓作用。

2.2 荷載組合

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）

4.1.5 條進行承載能力基本組合、正常使用標準組合。

2.3 計算模型

采用Midas Civil 2020 軟件建立三維梁單元模型進行結構分析，計算模型見圖3 所示。

圖3 計算模型

2.4 靜力計算分析

2.4.1 應力驗算

基本組合下鋼箱梁最大正應力為81.1 MPa，上撐桿最大正應力為141.2 MPa，下撐桿最大正應力為214.4 MPa，均小于270 MPa；上拉桿最大正應力為199.1 MPa，小于520 MPa。滿足規范要求。

2.4.2 變形驗算

在恒載、人群荷載、溫度荷載和橫風作用標準組合下，水平方向最大變形分別為35.7 mm、31.1 mm，豎向最大變形為25.5 mm。參考《高聳結構設計規范》（GB 50135—2019）3.0.11 條，水平位移角限值1/150。該結構總高44 m，水平位移角35.7/44 000=1/1232，滿足要求。

人群作用下，主梁最大撓度為9.6 mm，出現在大小環過渡處（見表1）。恒載+人群作用下，主梁最大撓度為12.7 mm，出現在坡道頂部（見表2）。取這兩處進行撓度驗算。

表1 大小環過渡處撓度一覽表

表2 吊橋頂部撓度一覽表

2.4.3 頻率驗算

第一二階自振頻率為水平方向彎曲，分別為4.27 Hz 和4.33 Hz。第三階自振頻率為豎直方向，為7.56 Hz。滿足要求。圖4 為前三階振型。

圖4 前三階振型

2.4.4 屈曲驗算

第1 階屈曲模態臨界荷載系數為26.15＞4，結構穩定滿足要求（見圖5）。

圖5 第1 階屈曲模態

3 結構橫向分析

為了結構有更好的人行空間和視線，采用吊桿與主梁內側連接的方式，導致主梁在人群荷載作用下產生橫向扭矩，有傾覆的趨勢，橫向分析不能忽視。

該結構為螺旋狀，有別于常規端部約束的直梁在扭矩作用下產生扭轉剪應力。在均勻滿布的人群荷載作用下，主梁各個位置的扭轉變形一致，扭轉剪應力不明顯。進一步分析該結構在橫向扭矩作用下的傾覆問題，表現出的是主梁橫向受彎問題。在極限荷載作用下，結構破壞發生在受壓構件局部失穩，進而導致整體結構橫向傾覆，類似于上翹的帽檐在外力作用下突然下翻。

據此，該結構橫向扭矩作用下的傾覆問題，表征為結構橫向受彎狀態下的受壓部位失穩問題；減小該結構橫向扭矩作用下的傾覆問題的關鍵在于增強橫向剛度，如設置橫隔板。

為了進一步了解橫隔板數量對結構橫向抗傾覆的影響，建立三維板單元模型進行對比分析（見圖6）。表3 為橫向受力與橫隔板數量關系一覽表。圖7為不同橫隔板數量下主梁應力圖示。

圖7 不同橫隔板數量下主梁應力圖示

表3 橫向受力與橫隔板數量關系一覽表

圖6 三維板單元模型

根據計算結果，隨著橫隔板數量的增加，外側最大豎向位移減小，屈曲臨界荷載系數增大，結構剛度和穩定性增強。當不設置橫隔板時，最大最小應力為57.7/-54.9 MPa，當設置4 道橫隔板時，由于橫隔板數量較少，出現加大的應力集中現象，最大最小應力為87.2/-108.5 MPa。隨著橫隔板數量的增加，應力集中現象逐漸減小，當橫隔板數量由8 道增加至16道時，最大最小應力為變化不大趨于穩定，且主梁受力較均勻。據此，該結構設置16 道橫隔板結構橫向受力相對理想。

4 結 語

螺旋吊橋結構新穎、曲率較大，結構計算與一般的吊索橋梁結構有所區別。通過建立三維單元模型對整體結構進行縱向分析，同時為了解決橫向扭矩作用下的傾覆問題，采用三維板單元進行結構模擬和對比分析，最終確定合理的橫隔板數量。為該類式螺旋吊橋結構的分析計算提供參考。