机械桥建筑设计

关键词：人行索道桥;方案选择;主索支配;非线性剖析;行人舒适度;

作者简介：陶小兰(1982—)，女，湖南省浏阳市人，硕士，高工，研究方向为桥梁工程设计。
E-mail:12920605@qq.com。
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桥梁景不雅观是指以桥梁和桥位周边环境为景不雅观主体，在美学的原则辅导下，结合工程状况和地域特色，领悟艺术与构造所进行的美的创造，桥梁自身要成为地标性建筑，就必须在外不雅观上与周边环境能够有明显的区分，构造也须要有足够的体量才能表现出自身的标志特色，这就哀求构造能够单独成为区域环境的焦点[1]。
随着各地旅游资源的开拓，景区桥梁景不雅观越来越被重视，人行休闲桥、不雅观光桥、玻璃桥等项目层出不穷。
该类桥梁的特点是人群集中，安全敏感度、景不雅观哀求高[2]。
索桥以其跨度大，造型幽美，环境折衷性好等优点，成为大跨度景不雅观桥梁的优先选择[3,4]。
人行索桥按其构造体系紧张分为悬索桥和索道桥，悬索桥主索设于桥面系以上，荷载通过吊杆通报给主索;索道桥由稳定索、桥面索及桥面板组成悬索受拉体系，桥面系设置于主索上方，构造造型简洁。
本文以武隆山风景区人行索道桥为例，磋商人行索道桥设计布局特点及其受力特性。

拟建桥梁位于武陵山风景区，景区内山峰、台地、沟谷等景不雅观高低错落，层次丰富，海拔从600 m到1 980 m，谷底至峰巅间的落差约达700 m，山势奇峻多姿，极具壮不雅观之美。
拟建桥梁连接天门洞景点与东侧斜坡龟兔赛跑景点，桥梁出发点侧为天门洞，如图1所示，洞口穿出即为峭壁，如图2所示。
拟建桥梁哀求保护该景点并考虑该处景不雅观哀求。

图1 天门洞景点(西侧) 下载原图

Fig.1 Tianmendong scenic spot(west side)

图2 地形地貌(东侧) 下载原图

Fig.2 Topography and geomorphology (east side)

拟建桥梁所处场区属岩溶峰林槽谷段，基岩为灰岩、白云岩及局部夹角砾岩，岩体破碎，孤峰突兀，岩溶发育有漏斗、溶洞及可能暗河分布，地表水遗漏严重，岩溶塌陷范围较大，两侧沟岸地形陡峭，坡度角均在60°～80°之间，山坳内及山脚沟内多崩落形成的巨块石及山间河流洪积漂块石，两侧岸坡均有坍塌崩积物及危岩分布，场区相对高差约450 m。

西侧桥台灰岩均三面临空，该处岩体的约束性差，边坡岩体发育有溶穴及小溶洞，围岩级别为Ⅳ级。
边坡岩体岩层倾角82°，层理发育，单层厚度较小，加上长期风化剥蚀，岩体易沿层理向临空面卸荷涌现波折，涌现倾倒毁坏或形成楔形体坍塌坠落。
高、陡、薄的单层岩体耸入空中形成孤峰，因而西侧桥台地基稳定性较差。
东侧桥台灰岩为两面临空的岩质边坡，边坡岩体较完全，岩体内有溶穴分布，经调查无规模较大的磨难岩溶，岩质坚硬，边坡直立时局部可能形成楔形体坍塌坠块，易管理，地基稳定性较好。

在桥梁总体设计中，综合考虑各方面成分，贯彻“重视功能，经济合理，安全耐久，技能可行，都雅和谐，以人为本，施工便利，环保节能”的思路。

1)跨径支配方面。
西侧出发点侧有主要景点，不许可毁坏岩壁，该处崖壁陡立，岩壁根本稳定性较差，不宜设置桥墩等构造;沟谷处要避开谷底位置;东侧终点侧靠近峭壁。
跨径选择受限定颇多，跨径选择时应综合比选。

2)与周围环境、地域特性折衷方面。
桥梁位于景区内，景区以绝壁、奇峰和地缝奇不雅观有名，景不雅观哀求较高，应与景区整体自然环境相折衷，桥梁设计主题应以舒适和自然为主。

3)桥梁施工方面。
阵势险要，建筑材料须要人工搬运，大型机器设备无法利用，桥梁施工受限，设计时应把稳折衷桥梁施工的可行性。

综合桥型方案特点和现场实际情形，提出悬索桥、拱桥和索桥方案，如图3所示。
独塔悬索桥方案刚毅的门型桁架与柔美的悬链线缆索相结合，使桥型充满动感，景不雅观效果显著，但将门型桁架塔设置于桥跨跨中，可办理西侧地基根本差不适宜设置桥塔的问题，但沟谷建塔导致现场施人为料运输问题不能得到很好的办理。
拱桥方案适于超过沟谷地带，拱肋和立柱均采取钢管桁架拱办法，能部分办理现场施工运输不便问题，但是该方案造价高。
2跨索道桥方案跨中设置立柱能减少索道桥跨径，增加桥梁刚度，但中间桥墩施工运输困难问题依然存在，且景不雅观效果不如单跨索道桥方案好。
综合桥型方案构造性能，建筑景不雅观，施工便利性和构造造价等多方面影响，终极选择单跨索道桥方案。

图3 桥梁方案比较 下载原图

Fig.3 Comparison of bridge schemes

当代索道桥的特点是能充分发挥高强度钢索受拉强度大的优点，不须要修建特殊高的桥塔也可架设跨径较大的桥梁，利于快速施工，桥面系构造大略，材料花费量较少，桥梁的架设及后期养护方便[5,6]。

桥梁采取单跨索道桥，桥面跨度140.0 m，主索索鞍间距为156.0 m，矢高8.5 m，矢跨比为1/18.35。
桥面人行道净宽2.5 m，主索中央间距2.65m。
锚碇采取锚碇结合桩根本办法。
桥面系两侧对称设置倾斜反吊抗风索网，索网平面与水平面倾角为45°，抗风主索跨径为122 m，矢高4.0 m，矢跨比为1/30.5。
桥型支配如图4所示。

图4 索道桥桥型支配 下载原图

Fig.4 Layout of cable suspended bridge

桥面系采取纵横梁形成的框架体系支撑预制5cm硬木桥面板构造，人行道净宽2.5 m。
其横断面设计如图5所示。
横梁体系采取双拼[16a槽钢，间距为2.50 m，与纵梁焊接连接。
纵梁体系由[16a槽钢及硬木条组成，[16a槽钢横向共支配8根，间隔30 cm支配，沿纵桥向每2根横梁间距约5.0 m处断开10 mm，采取螺栓连接。
主索通过U形螺栓与横梁处栏杆钢板进行连接，主索钢丝绳兼作栏杆用，栏杆钢板通过直径30 mm吊杆圆钢与横梁缀板进行连接。
主跨两端桥面板端头与桥台的支承采取及U型槽铰支座，在桥梁端部设置大略单纯伸缩缝[7]。

主索理论锚固点间距为156 m，横桥向采取双索面对称支配，旁边主索中央距2.65 m。
主索支配一样平常采取两侧支配主索和桥面板底部横向支配主索办法。
经由比较剖析，两侧主索桥梁安全性和舒适性更好，且主索两侧支配可兼顾护栏浸染[8,9]。
主索截面由3根直径32 mm的6×19W+IWR型镀锌钢丝绳圆截面组成，公称抗拉强度1 670 MPa，全桥共12束，每侧竖向高度分为6束支配，沿高度方向间距为0.25 m。

图5 主梁标准横断面 下载原图

Fig.5 Standard cross section of main girder

主索在两岸锚跨经由索鞍滑轮组散开后，各索股端头安装热铸锚具，再通过连接拉杆、连接钢块和锚固拉杆传力到重力式锚碇。
由于天门洞口宽度及西侧地质条件的限定，西侧索鞍与锚碇分开支配，采取独立根本，索鞍滑轮组支墩尺寸为长2.3 m，高6.0 m，宽3.25 m，支墩下设置1.3 m×1.3 m方桩一根，东侧索鞍滑轮组直接设置于锚碇位置，索鞍滑轮组布局如图6所示，滑轮采取3个槽，主索3根钢丝绳通过滑轮槽向锚碇方向扩散。

抗风索网在桥面系旁边两侧斜向下方对称支配，其所在平面与水平面的夹角为45°。
抗风主索在索网平面内按抛物线支配，矢跨比为1/30.5，在出发点侧采取嵌岩深度不小于10 m的锚杆与基岩锚固，终点侧一侧设置混凝土锚杆根本锚固，另一侧锚固于岩壁。
抗风主索采取直径36 mm的6×19W+IWR型镀锌钢丝绳，它与锚固锚杆的接头连接形式同于承重主索散索后与锚碇内预埋锚固拉杆的连接形式，全桥共2根[10]。

抗风拉索采取直径10 mm的6×7+FC型镀锌钢丝绳，全桥抗风拉索共采取4根钢丝绳。
每根抗风拉索钢丝绳在临近桥台的一端均采取2-1/2×24美式OU型花兰螺丝与桥面系钢横梁的扣点相连，在与桥跨中点横梁扣点相连的一端采取钢丝绳夹将其尾段与其自身固定。
采取钢丝绳夹将钢链环紧固到抗风拉索上，再将抗风拉索穿过钢链环与抗风主索滑动连接[11]。

图6 索鞍滑轮组布局 下载原图

Fig.6 Pulley block structure of cable saddle

两侧锚碇均采取重力式锚碇，其长12.5 m，宽7.0 m，高9.0 m，采取人工挖孔方桩根本。
为提高锚碇的抗滑移和抗倾覆能力，根本采取方桩根本，边长为1.3 m×1.3 m，共6根，纵桥向支配3排桩基，间距为5.1 m，横桥向支配2根方桩，间距为4.2 m。
锚碇内设置40Cr钢棒作为锚固拉杆。
主索锚固系统由锚固连接器、锚固拉杆、连接拉杆及相应的锚凝结构共同组成。
拉杆上端与主索索股锚头相连接，另一端与前锚面的连接器相连接。

开挖基坑周围边坡顺阵势设置截水沟，防止施工期间地表水汇入基坑。
截水沟沟底纵向坡度不小于0.5%。
基坑底四周设置汇水沟和集水井并及时做好锚碇排水及防护事情，避免岩表风化，担保基底岩石整体性不被毁坏。

本桥为人行索道桥，借助施工主缆时的猫道、牵引设备等进行拼装，其施工也属于常规的施工方法，施工工艺成熟且易操作。
详细施工过程如下:

1)先施工桥台、锚碇并架设主缆。

2)桥面系各构件先行预制或工厂加工完成，并做好防腐涂装，利用牵引系统从一侧向另一侧逐片安装横梁、吊杆及人行道栏杆钢板，将主缆与横梁进行连接，横梁安装完成后，推进安装纵梁。
根据吊杆设计参数，通过横梁下方吊杆支撑限位螺母调度桥面线形。
在桥面系施工过程中，主缆的变形较大，在桥面系施工及铺装的过程中，应先临时固定桥面系构造，待主缆线形及桥面系标高调度好后再焊接固定。

3)施工人行道铺装，对主缆钢丝绳补喷镀锌修补漆，完成主缆防护。

4)安装抗风索网，再次丈量主缆及桥面线形，进行主缆的补张与锚固以及吊杆螺栓的调度。

索道桥以柔索作为主要的承重构件，在自重和外荷载浸染下会产生较大的几何变形，几何非线性效应明显，行人过桥时易产生振动，影响桥梁正常利用。
为此，根据索道桥的布局特点，除对桥梁紧张构造构件进行力学性能打算外，还应对其进行构造舒适度剖析。

由于索道桥为非线性体系，全体桥梁的紧张受力构造由拉索、锚碇和横梁组成。
为了能够真实地反响桥梁构造的空间受力状态，采取Midas Civil软件建立桥梁空间模型[12]，并对该桥进行数值建模及剖析。
个中主索、抗风主索及抗风拉索采取索单元，吊杆及桥面系横梁纵梁采取梁单元，主索滑轮采取顺桥滑动支座仿照，木板只考虑自重不考虑刚度。
索道桥的打算模型如图7所示。
边界条件约束主索和抗风主索端部所有位移，主索滑轮支点约束竖向和横桥向位移。

图7 空间打算模型 下载原图

Fig.7 Spatial computing model

模型建成后，桥面木条及木板采取单元荷载加载，栏杆钢板与木板采取节点荷载加载，人群荷载采取车道加载，风荷载采取单元荷载加载，整体升降温采取系统温度加载。
本桥详细仿照步骤如下:先试算得出主索的成桥矢度;后利用施工阶段模块剖析，对索单元的初拉力进行多次试算调度，得到主索的成桥线形。

索道桥由柔性索作为主要的承重构件，随着桥梁跨度的增大及承重能力的提升，在恒载和活载浸染下，悬索柔性构造将产生较大的位移变形，不知足眇小位移假定，几何非线性问题明显。
本桥跨径较大，构造打算时采取非线性剖析方法对悬索的索长、变形和索力等进行精确打算[12]。
紧张打算结果如下:

1)主索及抗风索内力。
主索及抗风索在荷载组合浸染下最大索力分别为594.4 kN和230.7 kN，而单束直径32 mm的主索钢丝绳破断力为1 827k N，单根直径36 m的抗风主索钢丝绳破断力为714k N，知足紧张组合下安全系数不得小于2.5的规定。

2)纵横梁及吊杆应力。
纵梁、横梁最大应力分别为126.9 MPa和124.0 MPa，知足荷载组合下小于容许应力202.9 MPa的规定，吊杆最大应力为87.4 MPa，知足荷载组合下小于容许应力197.1MPa的规定。

由于索道桥承重索的应力非常大、相对横断面又很小、单位长度的质量非常小，且桥梁波折刚度小，总体上表现出较强的柔性[13,14]，因此，索道桥对振动具有很高的敏感性。
本桥矢跨比较大，而大的矢跨比对索道桥的自振频率，尤其是对旋转振动频率影响较大，在行人过桥时易产生振动，影响桥梁的正常利用，因此，在设计阶段进行构造舒适度剖析十分必要。

根据该人行桥参数，考虑人群荷载后，本桥行人步辇儿振动频率范围内的桥梁振动竖向有3个模态，横向有2个模态。
竖向振型振动频率分别为1.562Hz、1.824 Hz和2.067 Hz，横向振型振动频率分别为0.665 Hz和0.929 Hz。
参照德国人行桥设计指南进行竖向和横向舒适度评价，其竖向和横向打算加速度不能知足舒适度哀求，考虑安装TMD阻尼器。
经打算剖析，安装TMD阻尼器后，其竖向和横向打算加速度分别为0.98 m/s2和0.13 m/s2，均小于掌握目标，知足舒适度哀求[15]。

1)综合考虑了周边环境、利用功能、施工技能及社会经济效益等多方面后，确定采取索道桥形式，该桥线形幽美，造型大略，且与周边环境相呼应，具有较好的景不雅观效果。

2)通过设计布局及打算剖析，构造上采取双侧均匀支配主索的办法可改进构造受力体系。

3)通过构造舒适度剖析，安装TMD阻尼器可降落人行桥竖向和横向加速度，知足干系舒适度哀求，从而有效办理人桥耦合振动问题。

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