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大跨度人行悬索桥结构设计关键技术

所属栏目:建筑设计论文 发布日期:2021-03-19 09:11 热度:

   [摘要] 结合现有景区人行悬索桥的研究和建设情况,首先介绍景区人行悬索桥的特点及应用,其次介绍人行悬索桥的结构分类及受力特点,分别从荷载取值、缆索选用、找形分析、人致振动问题、节点设计和桥面板设计六个方面对人行悬索桥设计的关键技术问题提出归纳和建议。结果表明:主缆和抗风缆可按顺序分别找形,避免同时调整两类缆索;现有规范考虑到的自振频率区间未包含实际频率,已不能满足大跨度人行悬索桥设计的需要,应对大跨度人行悬索桥的频率敏感范围进行研究;吊索与主缆及桥面的连接节点是当前设计中常被忽略的薄弱环节,应根据索内力和应力幅进行节点设计和疲劳验算;最后给出了玻璃桥面板设计的 5 项建议。

大跨度人行悬索桥结构设计关键技术

  [关键词] 大跨度;人行悬索桥; 荷载取值; 找形分析; 人致振动; 玻璃桥面

  1 景区人行悬索桥概述

  景区人行悬索桥是指以通过索塔悬挂并锚固于大地或其它结构的缆索作为桥跨上部结构主要承重构件,建设于景区供人通行的桥梁。该类悬索桥一般采用钢结构作为桥面主要承载结构,以混凝土板、钢板、钢化玻璃或木板等作为桥面板供人通行。与公路悬索桥有所不同,人行悬索桥具有以下特点:1)无交通等重荷载,设计荷载较小;2)以缆索作为主要承重构件,能充分发挥材料强度,材料用量少,结构整体更轻柔;3)结构自振频率低、阻尼小,人致振动和风振问题需要特别关注;4)施工方便,无需大型吊装设备,能满足快速施工的要求。景区人行悬索桥通常是景区的地标式建筑,由于其相对建设投入少、吸引游客和经济回报高等因素,尤其是随着张家界和天蒙山等地人行悬索桥项目的成功运营,促使景区人行悬索桥在全国范围内广泛兴起。据不完全统计,全国范围内已建成超过 150 座景区大跨度人行悬索桥(不含玻璃栈道),这些项目几乎全部是近五年内建成并投入使用的,其中部分桥梁信息如表 1 所示。

  然而,除河北省在 2018 年发布了有关景区人行悬索桥的地方标准征求意见稿外,还没有全国性的专门针对景区人行悬索桥项目的规范与标准,也没有其他地方的相关标准。绝大部分人行悬索桥项目在缺少针对性规范的情况下,只能参考相关的公路桥梁设计规范、建筑设计规范或游艺设施设计规范进行设计。这些规范的人群荷载、舒适度要求和玻璃桥面设计等规定并不统一,也不一定适用于景区人行悬索桥。现有人行悬索桥多为相互复制或经验性的设计,其中的问题也被不断复制出现,造成景区安全隐患。

  2 景区人行悬索桥结构体系

  根据桥面系与主缆的关系,人行悬索桥的结构体系一般可分为以下几类。

  2.1 吊挂式结构体系这种类型的景区人行悬索桥最为常见,悬索桥由主缆、索塔、吊索、加劲梁及锚固系统组成,桥面通过吊索吊挂在主缆上,主缆通过索塔悬挂并锚固在两端,类似于公路悬索桥体系,如图 1 所示。图 2 为山东临沂天蒙山悬索桥,主跨 420m,宽 4m,距谷底高度 143m,采用吊挂式结构体系。

  2.2 索承式结构体系这类悬索桥的桥面板直接铺设在主缆上,桥面板需沿主缆的曲线布置,如图 3 所示,桥面并非水平设置,这样在桥面纵坡较大处需设置阶梯以便行人行走。图 4 为河北平山红崖谷悬索桥,主跨 488m,宽 2m,距谷底高度 218m,采用索承式结构体系。

  2.3 综合承重体系这类景区人行悬索桥的桥面板同索承式悬索桥一样,直接铺设在主缆上,但是同时设有主缆吊索共同受力,是一种综合承重悬索桥。这类体系是前两类结构体系的结合,在中小跨度的景区人行悬索桥中比较常见,如图 5 所示。

  3 设计关键问题

  3.1 荷载作用除结构自重恒荷载外,景区人行悬索桥需要特别重视人群荷载、栏杆荷载及风荷载的作用。 3.1.1 人群荷载人群荷载的确定应同时考虑安全性和经济性,人群荷载不与其他桥面活荷载同时考虑。当前我国现行相关规范对于人群荷载取值的要求见表 2。根据我国现行相关规范建议:1)随着加载长度的增加,人群荷载取值可逐渐减小;2)应分别进行正常使用状态和承载力极限状态设计,同时针对景区特点,考虑人群聚集状态的非均匀荷载分布计算;3)桥面系局部设计时的人群荷载取值应较整桥结构设计时大。在上述原则的基础上,景区悬索桥人群荷载的取值应根据景区运营能力和桥梁实际跨度进行专门研究,或对上桥人数限流控制。也可按以下标准取值:结构整体计算时,不应小于 2.4kN/m2;设计桥面系、吊索,或分析聚集人群不利影响时,局部密集人群荷载取 3.5kN/m2;单块桥面板的人群荷载按 5kN/m2 或 1.5kN 竖向集中力作用在一块构件上计算,取其不利者。 3.1.2 桥上栏杆荷载对于桥上栏杆的设计荷载,水平荷载与竖向荷载应分别计算,当前我国现行规范对桥上栏杆荷载也有相关规定,见表 3。考虑到景区人行悬索桥上游客聚集且更趋向拉靠栏杆,建议取作用在栏杆扶手上的水平向外荷载为 2.0kN/m;竖向荷载为 1.2kN/m。同时,应提高栏杆节点设计的构造要求。 3.1.3 风效应分析和抗风措施设计风荷载取值可参考《公路桥涵抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)、《公路悬索桥设计规范》(JTG/T D65-05-2015)和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[4]等规范,并结合桥址当地实测风速选取。设计时应考虑山峰、山谷修正系数影响以及不同风向角的影响。《游乐设施安全规范》(GB 8408 —2008)[5]中规定风速超过 15m/s 时应关闭设施,设计也应根据当地环境情况明确提出景区人行桥的关闭条件,建议取桥面基准风速值为 15m/s 作为运营阶段的风速限值。

  3.2 缆索选用人行悬索桥结构中常用的缆索构件包括主缆、抗风缆、吊索和抗风拉索,可选用的索型有钢丝束、钢绞线、钢丝绳、钢拉杆,所用高强度钢丝宜采用热镀锌线材或锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢丝。索的选用方面通常需要考虑承载能力、运输可行性、防腐和锚固四类问题。由于景区人行悬索桥多建设在山区之中,当主缆长度大、重量大、运输不便时,宜选用多股平行钢丝束(图 10),采用预制平行索股法(PPWS 法)架设主缆。这样可以将主缆分为多股小截面索股运达桥址,在施工现场进行组缆、整圆并缠丝防腐,以此解决缆索运输困难的问题。这也是公路悬索桥中解决索材防腐问题的一种常用方法。同时,多股平行钢丝束能够更容易实现散索锚固。

  3.3 找形方法悬索桥的形态可以分为成桥状态、空缆状态(自由悬挂长度)和无应力状态。悬索桥受力后表现为较强的非线性特征,其缆索到位后难以后期调整索力和标高,必须通过准确计算其无应力状态来进行施工过程控制[7],因此计算悬索桥合理成桥状态,是悬索桥设计的重点之一。悬索桥找形的目的就是找到施工开始时的理想状态,经过自重荷载施加达到理想成桥状态,即建成后在恒荷载作用(含初应变)下,全桥位移为零或较小值。悬索桥线形的确定方法大致可分为解析法和有限元法,解析法仅适用于理想情况,而有限元法则适应性更强。采用有限元软件进行找形的方法主要有:1)缆索应变调整法:通过多次调整缆索的初应变,使得结构在恒荷载作用下的挠度和应力最小;2)坐标更新法:根据初次计算挠度反向调整缆索初始坐标,使得结构在恒荷载作用下的挠度和应力最小。实际设计过程中,可以将两种方法结合使用,提高找形效率和准确性。

  3.4 人致振动设计我国现有相关规范仅从限制自振频率下限的角度对人行桥振动舒适度提出了规定:《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ 69—1995)[3]规定人行桥的竖向频率不应小于 3Hz,《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》(JGJ/T 441—2019)[9]则要求连廊和室内天桥的第一阶横向自振频率不宜小于 1.2Hz。人行悬索桥人致振动设计目前还没有国内规范可供参考,暂可参考德国人行桥设计指南 EN03 —2007[10] (简称《指南》)的主要流程进行设计,如图 12 所示。

  3.5 节点设计节点设计是景区人行悬索桥设计的重要环节。其中主缆与索鞍连接节点是其中的重点,该节点可参考公路悬索桥中的索鞍节点构造进行设计。为了主缆张拉的需要,此节点应设计为,在施工过程中可在桥塔上滑动,通过索鞍的侧推实现主缆的张拉,待索鞍就位后再与桥塔进行固定。吊索与主缆及桥面的连接节点是当前设计中常被忽略的薄弱环节,该节点受风荷载和振动影响较大,易出现疲劳松弛问题。常见的吊索与主缆或钢桥面的连接节点形式如图 14 所示,应根据计算所得的各工况下吊索内力和应力幅进行节点设计和疲劳验算。

  3.6 桥面板景区人行悬索桥的桥面材料一般可选用玻璃、木材、混凝土板、钢板等,为了追求美观与刺激的娱乐效果,景区人行悬索桥常常采用玻璃桥面板。根据笔者对景区玻璃桥面的现状调研,基于目前的应用情况及存在的问题,关于玻璃桥面板的设计有如下建议:(1)玻璃桥面设计时宜考虑 2.0 的动力放大系数。点支承和夹持支承的方式会造成玻璃板上的应力集中,因此玻璃桥面板必须采用四边支承方式。(2)玻璃桥面板必须采用夹层玻璃,且夹层玻璃片数不宜少于 3 片,并在设计时应考虑一片玻璃面板破碎的不利工况。参考《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ 102—2003)[12],由于人行悬索桥位于室外,在高温等恶劣的工作条件下,建议不考虑夹胶玻璃中胶片的有利作用。(3)对于夹层玻璃胶片材料,SGP 夹层玻璃在开裂后仍具有一定的剩余承载力,且耐久性较好,设计时宜优先选用 SGP 夹层玻璃[13]。(4)为降低玻璃自爆率,宜选用优质玻璃原片或超白玻璃,并进行二次热处理。(5)在景区运营时宜要求游客穿上鞋套以防止玻璃桥面出现划痕,产生玻璃破碎的隐患。

  4 结语

  大跨度景区人行悬索桥通常是景区的地标式建筑,其设计过程应经过特别分析和验证。本文介绍了人行悬索桥常见结构体系及其特点,并在荷载取值、缆索选用、找形分析、人致振动、节点设计和桥面板六个方面对人行悬索桥结构设计的关键技术问题提出了归纳和建议,希望为工程设计人员提供参考和借鉴。

  参 考 文 献

  [1] BOGLE ANNETTE, SCHMAL PETER CACHOLA.轻• 远:德国约格•施莱希和鲁道夫•贝格曼的轻型结构[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

  [2] 公路桥涵设计通用规范:JTG D60—2004[S].北京:人民交通出版社,2004.

  [3] 城市人行天桥与人行地道技术规范:CJJ 69—1995[S]. 北京:中国建筑工业出版社,1996.

  [4] 建筑结构荷载规范:GB 50009—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

  [5] 游乐设施安全规范:GB 8408—2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

  《大跨度人行悬索桥结构设计关键技术》来源:《建筑结构》,作者:秦格 1,刘枫 1,2,马明 1,张强 1

文章标题:大跨度人行悬索桥结构设计关键技术

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