浅析人行吊桥技术

刘 彪

(成都市交通规划勘察设计院, 四川成都 610000)

1 人行吊桥技术浅析

1.1 概述

人行吊桥是人类社会发展的产物，都江堰的竹索桥和西藏墨脱的藤索桥是早期的人行吊桥。以后发展成为铁链索桥，闻名的泸定铁链索桥就是典型的代表。近代发展为钢丝绳缆索人行吊桥，且已得到广泛使用。

现代公路、铁路吊桥，是人行吊桥的继承和发展，其结构形式、规模、跨径和使用的材料都已经发生了质的飞跃。然而专供人行的吊桥却用得较少，其多为旅游景区作为景点和娱乐在使用，比如湖南省张家界的玻璃人行吊桥。城镇大多数都与河流相伴而发展，城镇河流常作景观开发，再加上人们都喜爱与水为伴居住、休闲和娱乐，因此随着城镇化的发展，仅仅依靠几座跨河车行兼人行桥梁已难以满足行人往来河流两岸的需求；同时从河流景观开发考虑，有必要在城镇河流上修建美观的桥型，因此人行吊桥迎来了发展的机遇。因为人行吊桥跨径变化灵活、技术简单、造价较低、造型美观，适合在城镇河流上大量修建，既解决了行人往来河流两岸的需求，又提升了河流景观。

1.2 问题及改进措施

人行吊桥的安全主要是主缆索安全，关键是要保证索钢丝受力均匀。一般主缆索采用钢丝绳是图简便和带油防护，钢丝绳纽绞绕制则非弹性变形非常明显，施工架设无法保证受力平衡和均匀，采用3倍安全系数也难保证安全。钢丝绳的钢丝直径很细，容易锈蚀，防护麻烦。故主缆索并不适合使用钢丝绳，有必要作技术改进，应采用预应力平行钢丝或钢绞线。

人行吊桥塔架和锚碇，也宜于作技术改进，以方便施工和经济合理。桥面是主要结构，以前因为资金紧张的桥面结构简单和柔性，结构稳定性差，活载作用变形挠度大，安全性能差，不耐久和养护麻烦；现在经济和物质条件好，桥面结构设计应该作现代化改进，适当利用自重作重力刚度，加强结构整体性和稳定性，减小变形挠度，使之安全耐久。人行吊桥的抗风稳定很重要，主要是风引起反对称扭转振动的危害最大，可采用设加劲梁、桁架或空间抗风索解决。

2 设计改进

2.1 主缆索

2.1.1 缆索材料

主缆索关键问题是必须解决钢丝高强度和受力均匀，这是保证吊桥安全成功的核心技术。预应力钢丝强度很高，可采用预应力平行φ5钢丝或7φ5钢绞线。而平行钢丝制索比较麻烦，钢绞线制索相对简单，因此现在预应力中的钢丝已经被钢绞线所取代。同时钢丝绳和平行钢丝需要作锚头才便于调节长度和锚固，而钢绞线可以直接移植采用预应力夹片锚具锚固，张拉调整也很简便。故改用预应力钢绞线作主缆索，更简单实用和技术先进。

2.1.2 制索安装

主缆索采用钢绞线，制索、架设、安装简单方便。钢绞线便于多根平行制束架设，以7根排列为佳，采用尼龙扎带捆扎固定很简便。先按成桥设计线形，计算一根基准钢绞线长度。再按设计荷载计算索力，分中段悬索和边段拉索分别计算弹性延伸长度，按成桥设计线形长度作分段丈量总和，扣除分段弹性延伸长度，即为架设线形长度，在悬索跨中、塔架索鞍、锚碇锚头位置作明显标志控制基准束。先架设控制基准束，以控制基准束为标准牵引架设其余索束，分次作制索排列、张拉、锚固，用尼龙扎带捆扎定型成索，完成主缆索安装。钢绞线缆索应用如图1所示。

图1 钢绞线缆索应用

2.1.3 缆索防护

人行吊桥主缆索采用钢绞线作主缆索，可以采用镀锌或涂环氧树酯防护，再加外防护作保护。环氧树酯可和煤焦油混合，能发生化学反应，作改善型环氧树酯，其性能和价格具有很大的优势。环氧树酯和煤焦油按重量比100:150配合，得到强度高、粘性好、韧性好、防水防潮好的性能。因为煤焦油价格低，煤焦油可与固化剂混合在一起作为两组份胶粘剂，使环氧树酯使用价格大为降低。故环氧树酯加煤焦油作聚合物涂料使用，很适合用于钢绞线防护。环氧树酯在常温下的固化时间为两天，钢绞线用涂料处理后需要在外表面包缠绒布保持均匀，再包缠塑布防粘结和固化，使防护处理操作方便，可在工厂或施工现场制作。聚合物环氧树酯是有机物，受紫外线照射要发生老化，故主缆索需要采用外包不锈钢板作防护。主缆索外再涂SBS改性沥青防水涂料，作加强防水处理后，再外加不锈钢板组合套管防护，使缆索防护科学、简便和耐久。只有不锈钢板是理想的耐久防护材料，也起景观装饰作用。不锈钢板加工成波形接头，方便形成闭合防护套管，并使用不锈钢喉箍固定。钢绞线主缆索防护如图2所示。

图2 钢绞线主缆索防护

2.2 索鞍

采用钢丝绳作主缆索的索鞍小，而钢绞线作主缆的索鞍比较大。因为钢绞线的直径大，索鞍的弯曲半径应为R=457 cm，以减小钢绞线弯曲产生的应力折减。故索鞍适宜作成扇形，可采用钢—混组和结构，配合钢管混凝土辊子使用，作法也简单。

2.3 索夹

索夹与钢丝绳缆索人行吊桥类同。

2.4 吊杆

吊杆宜采用圆钢制作，耐久性好，油漆防护和养护很简便。

2.5 塔架

塔架一般都设置在河岸上，基础处理简便。塔架一般都采用钢筋混凝土，也可采用钢管混凝土桁架形式，施工也简便，钢管适宜采用钢丝网+玻纤网水泥砂浆薄壳作耐久防护。

2.6 锚碇

锚碇的安全稳定特别重要，一般为重力式圬工结构，是依靠摩擦力来获得平衡稳定，计算简单明确。也可采用箱形压重加预应力抗滑桩作组合锚碇，锚碇和地基稳定作组合模拟建模计算。基岩内部的裂纹情况很复杂，作隧道和锚杆锚固使用时，需要偏安全使用。

钢绞线是采用预应力锚具作锚固，先在锚碇体的钢筋混凝土中预埋管道，应注意预防锚下集中力导致的混凝土开裂，应加强分散配筋。主缆索钢绞线是分束架设和锚固，锚固拉力特点是由小逐渐变大，故锚头需要加设螺栓和压板预防松锚失效，锚后的张拉钢绞线端头作压花处理埋入封锚混凝土中，形成复合锚固，保证绝对安全。

2.7 桥面系

人行吊桥的桥面宽度一般为2或3 m，结构比较简单，多为钢、木结构，钢筋混凝土桥面板用得少。钢、木结构桥面轻，施工简单，平衡、稳定、锈蚀和耐久性差。对桥面结构应该作现代化改进设计。可采用型钢纵、横梁和钢板焊接组合的正交异性板作为桥面板，该桥面板自重轻，加强了桥面的抗扭和整体稳定性。同时借鉴房物建筑上的钢—混组合楼面板结构技术，也可用于人行吊桥桥面板使用；采用购买机械加工压型镀锌楼面钢板作底板，纵、横方向置放都可承载；钢板上再布设钢筋网浇筑混凝土形成；该方法施工快速简便，桥面板的整体性能很好，养护简便。压型镀锌楼面钢板如图3所示。

图3 压型镀锌楼面钢板

2.8 栏杆

栏杆的安全作用很重要，采用焊接型钢立柱。扶手采用钢管、镀锌钢管或不锈钢管制作，并采用购买现成的钢丝格栅隔离焊网，作护栏使用很简便。

2.9 抗风

人行吊桥桥面宽度窄，横向稳定性很差。桥面自重轻，变形大。桥面受风的影响变形大，故抗风稳定很重要。一般人行吊桥抗风稳定，都采用横向两侧设空间曲线网状拉索作抗风稳定。桥面自重轻时，风的振动惯性力影响较小，横向抗风拉索也能够起到消能稳定作用。采用横向两侧设空间曲线网状拉索抗风的受力作用复杂，不便明确计算。因此可改作横向两侧设直线斜拉索作抗风稳定，受力直接明确，便于架设和调整控制。

桥面受风引起的反对称扭转振动影响危害性最大，桥面容易被摇摆扭转振动撕烂破坏。预防桥面摇摆扭转振动破坏的有效措施是在桥面系设加劲梁或桁架。设加劲梁结构简单，开式加劲桁架设在桥面上，加横向斜撑兼作安全护栏，很适合长桥使用；在塔架顶向桥面设斜向拉缆，斜拉索是直索，能够直接限制摇摆扭转振动发生；加强了桥面板整体性，可以加大结构抗扭刚度。具体桥梁跨径不同，应结合实际地形、气象特点，采用综合型加强抗风措施。抗风索的防护麻烦，适宜采用电力、电讯使用的镀锌钢绞线。

2.10 景观

人行吊桥的外形景观作用明显，尤其是夜晚的照明灯光，主缆索上宜加设彩灯装饰。

3 设计计算

人行吊桥承受的是密度小的分散荷载，可简化为均布荷载计算。吊桥是柔索承载，悬索线型为二次抛物线型，内力由曲线垂度F确定。二次抛物线的内力计算：跨中最大水平拉力为H=(QL2)/(8F)，斜向拉缆最大拉力为F=H/COSθ。人群荷载为q=3.5 kN/m2(详见JTG D60-2015 第4.3.6条)，按桥宽满布取70 %计算活载拉力，可保证结构安全。人行吊桥也可利用结构的对称性，采用半个桥作有限元组合模拟建模，主缆索钢绞线采用4E名义弹模作应力刚化处理，作人群动态变化的模拟建模计算。可作板—桁组合模拟建模，计算桥面板、加劲桁架和风缆的抗扭作用。

主缆索拉力H=(QL2)/(8F)受曲线垂跨比(F/L2)的影响大，受跨径L2影响最大，受桥面单位重量Q影响亦大，垂度F影响可灵活调节拉力大小。对于桥梁已定的跨径，对主缆索拉力宜作选择。大跨径宜加大垂度F，采用垂跨比F/L为1/(9～11)(详见JTG/T D65-05-2015第5.2.4条)。较小跨径宜减小垂度F，采用垂跨比F/L为1/(11～15)。桥面单位重量Q影响主缆索拉力，主缆索是柔索承载，拉力大的活载变形挠度小，反之拉力小的活载变形挠度大，俗称桥面单位重量Q的作用为重力结构刚度。所以人行吊桥因为桥面单位重量Q小，宜选择采用较小的垂跨比F/L为1/(11～15)，有意加大拉索力的重力结构刚度作用，可减小塔架高度和减小活载变形挠度。

4 结束语

人行吊桥是先进的力学结构形式，但是存在不安全和临时性问题，影响到使用和发展。对主缆索和桥面的主要结构，作材料和防护改进，使其先进合理、稳定安全、经济耐久、环保实用。在新的建设发展时期，可以促进人行吊桥技术的更新发展使用，以满足社会发展的需要。