山區人行懸索橋設計研究

【摘 要】雅江縣雅礱江某人行懸索橋位于復雜川西高原山區，建設條件極其艱險。方案研究綜合考慮地形、地質、建設條件、工程造價與環境保護等諸多因素，選用非對稱懸索橋結構形式，主纜跨度256 m，加勁梁長210 m，一跨跨越雅礱江180 m水面以及兩岸陡峭V形河谷。設計中橋梁通過受力分析各項應力水平滿足相關規范要求，采用常規機械施工，工程造價適中，通行兩年來橋梁滿足實際安全使用需求，各項性能良好，為特殊山區人行橋梁設計提供參考。

【關鍵詞】懸索橋； 滑坡； 門式框架橋塔； 隧道式錨碇； 重力式錨碇； 主纜； 結構設計

【中圖分類號】U448.25【文獻標志碼】A

0 引言

雅江縣雅礱江某人行懸索橋位于力邱河匯入雅礱江處下游約500 m處，橋位下游約700 m為大型滑坡，西岸村莊與雅江縣無道路通行，村民出行需借道力邱河入江口下游臨時人行便橋繞行東岸出行，臨時便橋右岸地勢陡峻，人畜通行危險，急需跨江橋梁。橋位東岸緊鄰一大型滑坡體，滑坡體上游對應西岸巖體破碎，無合適橋位供選擇，越過滑坡體下游對應西岸即為大型滑坡，唯有滑坡體范圍偏下游佛塔處略為穩定，對應橋梁西岸相對穩定，東岸橋臺和錨碇通過采取相應技術措施，可作為橋位。

橋梁范圍處于藏區，橋位處連接道路為通村路。結合可入場設備條件，橋型比選時主要考慮柔性懸索橋和鋼筋混凝土拱橋方案，由于柔性懸索橋橋型輕巧、跨越能力大，生態環境影響小，施工工期較短、施工技術成熟、施工機械設備進場便捷，具有較大優勢；而混凝土拱橋方案存在橋梁造價偏高、施工較復雜、工期相對較長、施工技術要求較高、施工機具設備對進場道路要求高等缺點，綜合考慮柔性懸索橋方案對于該類地形該橋型具有很強的競爭力和無可比擬的優越性，最終選用懸索橋方案［3］。

1 工程概況

橋梁采用非對稱性柔性懸索橋，一跨跨越雅礱江，主纜計算跨徑為256 m，設置加勁梁段為210 m，懸索橋主纜不等高支承的高差為13.8 m，跨中垂度為20.819 m，主跨跨徑為210 m，矢跨比1/12.3；雙主纜采用立體布置，吊桿水平斜交角為84°，每根主纜120 mm由7股40 mm預制鍍鋅平行鋼絲組成，抗拉強度為1 770 MPa，邊跨不設吊索。加勁梁采用Q345鋼材，縱梁為9根14a槽鋼，橫梁為25工字鋼，長3.0 m，橋梁凈寬2.5 m（圖1）。

東岸橋塔為鋼筋混凝土門式框架結構，設置上、下2道橫梁［4］，橫梁之間設置X形斜撐，橋塔以東設重力式錨碇，其背墻設置水平預應力錨索。西岸不設橋塔，采用隧道式錨加索鞍支墩，隧道錨位于巖質邊坡內。

橋址處地震動峰加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.45 s，地震基本烈度為Ⅶ度，設計基本風速19.0 m/s。設計工作年限50年，整體結構計算設計人群荷載2.0 kN/m2（通行一輛總重5 t內農用車）。局部結構計算設計人群荷載3.5 kN/m2。

2 孔跨布置

橋址區橫跨雅礱江兩岸，河谷為V形狀河流，地勢較為陡峭，河床寬約180 m，河流流向呈東北—西南走向，因下游山體滑坡堵塞雅礱江，橋位處水流平緩。東岸緊鄰大型滑坡，地貌上呈斜坡地貌，坡度陡峻，上覆坡積土，河岸基巖出露，區域存在少量即有建筑物。西岸橋臺位于人行便道內側，坡度陡峻，出露巖體完整性較好，未見不良地質現象，岸坡穩定，適宜建橋。

經研究橋梁方案主要受地形、地質條件、環境保護和行洪等因素控制，為了施工及運營階段安全，橋梁應采用一跨跨越雅礱江，以南岸不影響即有建筑物為原則，橋梁主纜跨度選擇256 m，加勁梁長210 m。橋塔和抗風纜基礎頂位于100年洪水位以上，基礎施工基本不涉水（圖2）。

3 結構設計

3.1 索塔及基礎

東岸覆蓋層較厚，橋塔采用樁基礎，為防止陡坡地表土滑移，在橋塔承臺上設置水平預應力錨索抵抗水平土壓力；索塔為鋼筋混凝土門式框架結構，設有上、下兩道橫梁，在兩道橫梁之間設有X形交叉斜撐，從承臺頂面至索鞍理論交點高度17.5 m，雙塔柱采用等截面寬1.0 m，長1.5～2.2 m（圖3）。

西岸基巖出露僅設橋臺不設橋塔，加勁梁端部擱置于重力式橋臺上，橋臺位置與端部吊桿（拉力索）連接。

3.2 錨碇

東岸采用樁基承臺重力式錨碇，為防止邊坡滑移及確保穩定，錨碇尾部錨板上設置8束水平預應力錨索對滑坡產生水平抗力作用。每束預應力鋼絞線錨固系統由無粘結預應力鋼絞線和錨具組成，每束設有5根15.2 mm鋼絞線，抗拉強度1 860 MPa，可提供1 000 kN的設計錨固力（圖4）。

西岸采用隧道式錨碇與支墩，隧道水平設置長23.5 m，寬1.0 m，高2.0 m。隧道端部設有1.5 m鋼筋混凝土錨梁，為增加水平抗拉能力，撐子面處設有水平錨桿與錨梁連接。

隧道洞口2 m處設置有索鞍支墩寬1.0 m，高0.9 m（圖5）。

3.3 纜索系統

3.3.1 主纜

雙主纜采用非對稱布置，索鞍之間跨徑256 m，加勁梁橋面長210 m，成橋跨中矢高20.819 m，主纜線形由Midas civil幾何非線性平衡分析獲取，橋面預拱度為1.5 m（圖6）。

單根主纜由7根40 mm鋼絲繩（6×19S+IWR）組成，公稱抗拉強度1 770 MPa，東側主纜通過套筒與拉桿一端連接，拉桿另一端預埋于預應力樁基錨碇中，西側主纜通過纏繞錨梁后采用繩卡固定，主纜每根長約331.02 m。鋼絲繩經過預拉，消除非彈性伸長后使用。

3.3.2 吊桿

吊桿采用25 mm型抗拉強度460 MPa鋼拉桿，沿橋縱向間距3.0 m，為增強橋梁的抗風穩定性，采用外傾式吊桿，水平斜交角度為96°。施工時根據三維坐標定位，確保主纜、吊桿安裝準確。索夾采用焊接工藝，吊桿耳板與索夾、下吊桿采用銷軸連接。

3.3.3 索鞍

東岸索塔設有可滑動式索鞍，由鞍槽、輥軸和墊板組成，鞍呈扇形，鞍體采用焊接成整體，可在墊板之間輥軸沿橋梁縱向滑動，吊至塔頂后用高強度螺栓拼接，安裝架纜時可臨時固定。索塔與錨碇之間設置有散索箍，內徑由120～138 mm之間。西岸設有固定索鞍，索鞍由鞍槽和固定墊板組成，用高強度螺栓拼接在隧道錨支墩上（圖7）。

3.4 加勁梁及橋面系

加勁梁為連續梁結構體系，材料為Q345鋼材，主橫梁為工25a型熱軋型鋼組成，縱向間距為3 m；標準段縱梁9根為14a熱軋槽鋼，橫向每隔0.35 m拼裝；每兩道主橫梁之間設置兩道14a槽鋼次橫梁焊接縱梁，組成平面桁架。縱梁在橋塔處設置橫向限位擋塊、縱橋向可移動而豎向限位鋼板支座，橋塔、臺處9 m范圍內加勁梁局部加強，并設置橫向限位擋塊。橋面設置通長且寬為2.8 m，厚度為6 mm扁豆形花紋鋼板（圖8）。

3.5 抗風纜

為了抵抗橋梁兩側水平方向風荷載，改善橋梁自振頻率與行人舒適度，橋設置斜拉式抗風纜［6-7］，每側設置6根斜拉式抗風纜。抗風纜采用28 mm（6×19）的鍍鋅鋼絲繩，其公稱抗拉強度為1 670 MPa，初始張拉力為10 kN，抗風纜水平夾角小于30°，每側抗風纜平均角度與橋軸線夾角大于30°，抗風纜均采用錨樁錨固。

4 橋梁有限元分析結果

采用Midas.civil有限元軟件建模分析，主纜、吊桿、抗風索采用只受拉索單元；加勁梁與橋塔采用梁單元；主纜與抗風纜邊界條件采用固結；加勁梁端部采用鉸接并釋放其沿橋面方向平動；橋塔頂端采用可轉動且釋放沿橋面方向平動的剛性連接方式［8］。模型見圖9，通過計算纜索、吊桿的應力與位移以及梁單元的彎矩、應力及梁體位移等，對其有限元計算結果進行分析。

4.1 主纜線形

主纜線形通過有限元軟件采用幾何非線性分析與懸索橋分析，在主纜、吊桿、加勁梁及橋面系自重恒載作用下，通過成橋與倒拆方法得到主纜空纜狀態及成橋狀態三維線形。成橋狀態主纜跨中垂度20.819 m，空纜狀態跨中垂度18.089 m。在正常使用短期荷載作用下，主纜在橋塔與支墩處偏移量分別為42 mm和26 mm。

4.2 主纜、吊桿強度檢算

對基本組合下纜索系統的強度進行檢算。主纜拉力最大值為1834.35 kN，應力最大值為349.67 MPa。普通部位吊桿拉力約為10.0 kN，在橋塔、臺端與設置風纜位置吊桿拉力較普通吊相拉力大，最大拉力14.33 kN，如圖10所示，應力最大值為29.19 MPa，主纜及吊索抗拉強度分項系數均滿足規范［1］要求。

4.3 加勁梁內力

懸索橋加勁梁按成橋線形設計，其懸吊部分梁體恒載均由主纜承受，梁體恒載內力很小，僅承受活載及成橋后的其他荷載作用內力［5］。計算結果為跨中范圍加勁梁縱梁彎矩值在-4.2～5.6 kN·m之間，而在橋臺端范圍內縱梁彎矩值在-7.0～12.89 kN·m之間；跨中區域加勁梁縱梁應力值66.5～74.5 MPa之間，而橋塔、臺端范圍內縱梁最大拉應力值為79.6 MPa；最大壓應力值為-84.5 MPa，滿足規范［1］抗拉壓設計值（圖11）。

4.4 加勁梁變形

在行人荷載作用下加勁梁最大下撓值為914 mm，撓跨比為1/280，滿足規范小于1/250的要求。在百年一遇風荷載作用下，加勁梁橫向最大位移為31.33 mm，撓跨比為1/8171（圖12）。

4.5 結構自振頻率與行人舒適度分析

當行人荷載頻率與橋梁頻率一致時易引起共振，因此需選擇行人步頻范圍內的振型進行舒適度研究。橋梁在抗風纜共同作用下，特征值模態成果在7階以下的結構自振頻率小于0.5 Hz，而第23階及以后的結構自振頻率均大于1.25 Hz，而第47階及以后的結構自振頻率均大于2.3 Hz。并選用橫向一階頻率為0.554 0 Hz與豎向一階頻率為1.298 8 Hz振動波型進行行人舒適度分析（表1）。

人致振動人行荷載人數按行人密度0.5人/m2計，略大于當地全體村民約200人，單位面積人行振動荷載簡諧函數按GB/T 51228-2017《建筑振動荷載標準》公式（12.2.1-1）fv（t）=Fb×cos（2πft）×ψ×γ’計算。分別選取模態7和22為橫向與豎向人行荷載以時程函數加載，并進行加速度計算得到加速度峰值分別為0.617 m/s2，0.271 m/s2，行人舒適度等級為中等舒。

5 結束語

非對稱人行懸索橋利用山川峽谷地形特性，與獨特現狀融合度高，影響生態環境小，橋梁施工難度小、工程造價低，

適應性強。橋梁在人行荷載作用下，各項力學計算結果均滿足各規范指標要求，在偏遠山區人口稀少、經濟水平低且交通量小的情況下，豎向剛度合理。橋位應避開滑坡等不良地質的河段［2］，橋址為雅礱江沿岸唯一選擇，設置了橋塔與錨碇部位的水平預應力錨索固定于基巖，增加了邊坡的穩定性，運營效果顯著。非對稱人行懸索橋造價相對節省，在山區運用推廣，有利于加快解決偏遠山區與人口稀少區域居民交通出行問題。

參考文獻

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［8］ 向思宇， 胡習兵. 抗風纜布置形式對人行懸索橋靜風穩定性影響分析［J］.公路工程，2019，44： 89-93.

［課題項目］中國建筑西南設計研究院有限公司課題（項目編號：R-2022-58-MU-D-2023）

［作者簡介］吳強（1978—），男，本科，高級工程師，主要從事道路橋梁工程設計與研究工作。