简易人行悬索桥设计研究

□康迎宾 □杨 雪（华北水利水电大学）

简易人行悬索桥设计研究

□康迎宾 □杨 雪（华北水利水电大学）

简易人行悬索桥是指不设加劲梁的悬索桥。这种悬索桥的整体刚度较小,能够充分发挥主索抗拉强度大的优势，桥塔相对较矮,桥面系构造简单、施工相对容易、节省钢材、维护方便、造型美观以及工程造价较低,简易人行悬索桥在山区、旅游景区、渠道上很是常见，但是很多人行悬索桥只是凭借工程经验进行修建，缺乏系统的结构计算分析，造成结构不合理，安全性没有保证。以塔南二干渠0+400桩号处人行悬索桥为例，研究简易人行悬索桥的整体结构计算理论方法，细部构造及纵横断面设计等，不涉及大型桥梁设计软件，方法简单易学。

悬索桥；安全性；结构计算；细部构造；断面设计

1 引言

人行悬索桥大多修建于山区，是一种非永久性的桥梁。人行悬索桥具有构造简单、造价低廉、施工方便、便于架设等特点。我国很多人行悬索桥都是三无设计或者无设计施工图，只是简单的模仿其他修建好的桥或凭借以往的工程经验来修建 [1]。因此，很多已经建成的人行悬索桥的建筑材料、结构设计等方面存在不合理之处，有些人行悬索桥由于安全系数过小，导致其存在安全隐患,这样既浪费人力物力，又对人民群众的生命安全造成损害。除此之外，一部分简易人行悬索桥结构不合理，比如刚度不足，行走时摇晃严重；未设计主索长度调节构造，主索伸长后会导致桥面整体的下垂。国内目前为止仍关于简易人行悬索桥设计的专门规范，通过对简易人行悬索桥设计要点的研究，总结简易人行悬索桥设计需要考虑的各个重要环节，验证设计方法的合理性，对人行悬过桥的设计及安全具有重要的现实意义。

2 塔南二干渠测水桥设计

2.1 工程概况及主要参数

塔南二干渠位于第一师塔里木灌区的塔南灌区，塔里木灌区是第一师最大的一个灌区，也是阿克苏河最下游的灌区。工程区地形平缓，地形坡降1/2500～1/4000左右，含水层以粉土质砂、含细粒土砂为主，渗透系数：2.07×10-5～5.57×10-4cm/s，属弱透水层，因此地下水径流缓慢，水循环强度弱。地下水埋深一般在1.00～2.50 m，局部埋深0.50～1.00 m。历年极端最高气温39.80℃，历年极端最低气温-28.40℃，年平均气温10.70℃。

0+400桩号处人行吊桥桥面净宽：1.20 m，主跨长78.00 m，矢高吊杆间距3.00 m；吊杆间距3.00 m；边跨斜度2∶1（平距与垂距）；主索中距1.00 m；偏拉索偏角25°，索塔高（加基础）9.30 m。

依据：徐君兰的《吊桥计算示例集》、交通部部标准《公路桥涵设计通用规范》。

2.2 主索和边索的分析

2.2.1 基础数据

2.2.2 主索结构内力计算分析

就简易的悬索桥而言，桥面系结构选用型钢不但简化了施工工艺，而且节约了造价。纵梁采用适宜的槽钢，横梁采用工字钢，这种结构相对而言较为稳定。桥面板建议采用钢板，既减轻了结构的自重又能保证其耐久性，而混凝土面板或者木板不建议采用。塔南二干渠0+400桩号处人行悬索桥按上述结构设计，桥面系自重计算表如表1所示。

主索水平向拉力计算公式：

式中：H—主索的水平向拉力，（kN）；q—单位长度半边桥重，桥面系单位长度半边恒重，（kN/m）；l—桥的净跨度，（m）；f—不计墩台高度的矢高，（m）。

由于本悬索桥为闸后测水桥，仅供行人，没有汽车荷载，人行荷载按3.00 kN/m2，桥面系单位长度自重为1.33 kN/m，得到主索总水平拉力304.48 kN。

索鞍处主索的最大内力按下式计算：

表1 桥面系自重计算表

式中：T—主索在索鞍处的最大内力，（kN）。

主索在索鞍处的最大内力320.95 kN，该值直接影响主索钢丝绳型号的选择，桥跨越长，主索内力越大，主索的截面面积也越大。

2.2.3 边索内力计算分析

边索倾角tgφ0=0.50，cosφ0=0.89

式中：T'—边索承受的最大内力，（kN）；φ0—边索与水平向的夹角，（℃）。

2.2.4 索的强度计算分析

绳索采用一根φ50的钢丝绳，整条钢丝绳破断拉力1480 kN，以边索最大内力进行验算。安全系数，符合安全性要求。K=4.35＞3.00

2.3 柔性吊桥的挠度计算分析

2.3.1 主索在温度变化下的伸长

式中：α—温度变化下的长度变化系数，取1.2×10-5；t—实时温度与桥安装完毕时温度之差，（℃）；S—安装完成时主索的长度，（m）；ΔS—温度变化时主索的伸长量，（m）；

第一师塔里木灌区位于塔克拉玛干沙漠以北，属于暖温带极端大陆性荒漠干旱气候。具有气温差悬殊的特点。最高温度为39.80℃，建桥地区最低温度-28.40℃，安装完毕时的温度25.00℃，计算得到温度上升时主索的伸长量为0.01 m，温度下降时主索的变化量是0.05 m。

2.3.2 荷载作用下主索弹性伸长

式中：σk—荷载作用下钢丝绳截面应力；F—钢丝绳截面面积，（m2）；E—钢丝绳弹性模量，取1.30×108KN/m2。

塔南二干渠0+400处人行悬索桥人行荷载全跨布载时弹性伸长0.09 m，恒载作用时弹性伸长0.09 m。设计选用φ50 6×Fi(29)+IWRC钢丝绳。

2.3.3 主索伸长引起跨中矢高f的变化

由E.E.吉勃施曼所编著《公路钢桥》229页公式∶

式中：△f—跨中矢高的变化量，（m）。

分别计算升温、降温、活载、恒载，作用时的矢高变化量，选出最大变化量组合，作为最不利情况。塔南二干渠0+400处测水桥的矢高变化量按活载作用与升温时的组合量为0.24 m。边索因温度及荷载作用引起主索跨中挠度的计算与上述主索的计算方法一致，不再赘述。主索与边索跨中矢高的变化量之和视为跨中矢高的最终变化量。

挠度理论是在不考虑结构变形为内力的影响下导出的。而实际上结构变形对内力是有影响的，结构的变形，将减少梁的弯矩和主索的水平向拉力。

2.4 地锚混凝土设计

吊桥主索的锚固分为自锚式和地锚式，由于自锚式是将主索锚于吊桥自身的加劲梁上，简易的人行吊桥不设加劲梁，故不采用采用此种形式；地锚式是将主索锚在地锚混凝土里，靠混凝土重力拉住主索，使桥体维持稳定。地锚式锚碇是否稳定，会直接影响桥体结构的稳定性。锚碇的设计还要注意怎样将主索与锚碇牢固地连在一起，使其强大的拉力传递给锚碇。

塔南二干渠简易吊桥地锚混凝土长宽高设计为：7.00 m× 5.00 m×3.50 m，地锚混凝土的自重为2881.20 kN，采用抗滑稳定公式计算其稳定性，悬索桥设计中要求整体抗滑动稳定安全系数＞2.00，塔南二干渠上吊桥设计为3.31，因此锚碇的结构设计符合要求。

2.5 桥塔设计

桥塔是支撑悬索桥主索的重要结构，桥上的荷载是通过桥塔传递给基础，在运行期，桥塔主要承受主索传来的压力；若从施工工艺方面考虑，施工期索塔要承受主索架设时产生的强大弯矩。桥塔的设计可以采用钢结构，优点是自重轻，易于满足地基承载力，施工方便；桥塔也可采用钢筋混凝土结构，建成后不易变形，缺点是小型的悬索桥，钢筋混凝土桥塔不易施工，支模困难，自重难于满足地基承载力，而且值得注意的是：塔柱在运行期按轴心受压柱计算配筋，在施工期按单筋矩形截面构件正截面受弯承载力计算配筋。由于施工期的配筋率远大于运行期的配筋率，故只计算施工期配筋。塔南二干渠0+400处悬索桥由于地基承载力较差，施工水平的限制，桥塔采用钢桁架形式，建成后至今运行良好。

2.6 吊杆索夹

中小型索桥吊杆间距一般以2～3 m为宜。吊杆的设计要同时考虑桥体承受的恒载和活载影响。本次吊杆设计是由上吊杆、下吊杆两段组成，上吊杆一般由轧制圆钢通过上部连接块连接，下吊杆用两根圆钢与横梁连接，便于在安装和使用过程中适当调节吊杆长度。索夹由钢板焊接而成。

2.7 偏拉索设计

偏拉索可以保持桥体的整体稳定，不至于在风荷载作用或者其他活荷载作用下，产生大幅度的摇摆，影响正常使用。风荷载标准值的计算依据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60—2004）中风荷载的计算公式进行计算,塔南地区风速较大，因此横桥向风荷载假定水平的垂直作用于桥梁各部分迎风面积的形心上，计算得风荷载的标注值为89.17 kN,选择φ25偏拉索左右共8根，锚碇尺寸2.00 mm×2.00 mm×2.00 mm，采用C25混凝土。

3 结语

众所周知，悬索桥的前身是吊桥，故乡在中国，距离今天至少有3000 a的历史。在大跨径的悬索桥设计中，大多可以采用有限元软件进行建模分析，可是在简易的人行悬索桥的设计过程中，由于人力、物力等方面的条件限制，往往没有经过完善的计算，或者只是模仿以往的工程经验进行修建，缺乏安全性、可靠性。通过上述分析，塔南二干渠0+400桩号处人行吊桥的结构计算方法简洁易懂、完善合理，建立重要环节的设计要点及计算分析方法，避免设计的不合理,作为成功范例为简易人行吊桥的理论计算提供依据。同时结合塔南地区的地理环境，归纳总结出一种较为完善的设计思路及成果，可为相关桥梁的设计提供借鉴意义。由于设计条件和要求不同[4]，简易悬索桥有非常广阔的适用范围如渠道上修建的测水桥，旅游景点的人行桥，偏远山区的人行桥等，具有很大的发展空间。

[1]郝冬,高延.浅谈悬索桥的发展史[J].科技致富向导.2015（14）:274.

（责任编辑：刘长垠 韦诗佳）

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