大跨度悬索管桥在引水工程中的应用

郭春雷 陈 端 孙建勋

随着我国社会经济的快速发展，工农业需水量越来越大，为了改善局部缺水局面，许多调水、引水工程不断提上日程。常用的引水建筑物多为明渠、埋涵等。在跨越山谷、河流等障碍物时，通常采用倒虹吸、渡槽及管桥等，但当地形与水流条件不利于较小跨径桥跨结构布置时，可结合实际情况采用大跨度结构方案来解决。本文通过西藏某地一座跨越雅江峡谷悬索管桥的设计，为大跨度引水工程提供一种解决方案。悬索桥有外形简洁轻巧、结构跨度大、施工方便等优点，在通过深山、峡谷以及山区宽深河流的地方上建造具有较好的适应能力，可避免水下作业和下部结构受水流影响等不利条件。我国在许多山区为连接交通已修建了许多大跨度的悬索桥，在设计大跨度输水管桥时可作为参考。利用悬索桥架设管道在桥跨结构满足使用功能的同时，还需要重点解决管道变形的问题。

1 工程概况

西藏地区某处自流引水线路需要跨越雅江，跨江段南北两山组成一个巨大V形谷地。雅江河道宽深、水流速度较大，选择普通多跨渡槽或管桥输水，下部结构排架较高、基础施工难度大、工程安全性、可靠性无法保证。为此，设计推荐采用大跨度悬索管桥方式通过雅江，由南岸取水跨江自流引水至北岸灌片区。桥梁两端山坡段管道采用浅埋式。根据引水口可供水量、灌溉区需水量及引水水头确定引水设计流量0.301 m3/s，桥上铺设的引水管设计采用DN400 mm无缝钢管，壁厚10 mm。悬索管桥处最大压力水头为123.2 m，架空段长度约为160 m。

桥梁所在地为青藏高原区气候，属温暖半湿润气候带，多年平均气温8.6℃，最高气温32.3℃，最低气温-16.4℃。多年平均最大风速17 m/s。运行时段主要是在灌溉期（3～7月）过水，月平均气温均大于零度。

2 桥梁总体设计

悬索管桥以引水功能为主，桥面较窄，从节省投资出发，宜采用柔性吊桥形式，可利用两侧张紧的风缆代替加劲梁结构维持桥面横向稳定，其工程量减少较多、经济性较好。根据地形地质条件，本工程跨江管桥设计采用三跨柔性吊桥形式，主跨跨径为120 m，两侧边跨采用钢桁架结构，跨径均为18 m，两岸锚碇兼做边跨桥台。两岸桥塔采用桩基础，混凝土排架结构，排架柱高度均为22.3 m。主缆设计矢跨比f/l=1/12，绕过塔顶索鞍后向下锚固于两岸锚碇上，边跨主缆斜度：1∶0.55（平距比垂距）。在桥面两侧各设置1根风缆，风缆计算主跨径120 m，矢跨比f1/l1=1/10，根据上下游山坡地形条件，风缆设计与水平面成20°夹角，风缆两端分别锚固于修建在山坡上的锚固墩。抗风拉索穿过横梁端及风缆上设置的滑轮，将桥面与风缆连接成一体。悬索管桥平面布置见图1。

图1 悬索管桥平面示意图

管桥桥面设计宽度1.9 m，吊杆设置在桥面外侧，主缆下吊杆沿跨度方向间隔2 m一道。吊杆采用345级直径20 mm的IO1型钢拉杆，左右各1根，横向间距2.1 m，吊杆下端通过螺栓与横梁连接。桥面横梁及纵梁采用槽钢焊接而成，水管铺设在桥面中央，通过焊接在横梁上的管托和管箍固定。水管两侧桥面各留出0.6 m宽作为检修通道，外侧设置栏杆及扶手。跨中横断面布置见图2。

图2 管桥主跨跨中横断面示意图

3 管桥结构设计

悬索管桥设计可根据现行《公路悬索桥设计规范》《公路钢结构桥梁设计规范》等桥梁规范和《钢桥》《悬索桥》（桥梁计算示例）等参考书藉来计算和验算结构强度、稳定与变形，以满足使用要求。现行规范是采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，并按照分项系数的设计表达式进行设计。

桥梁承载能力极限状态验算公式：

γ0Sd≤Rd

式中 γ0——结构重要性系数；

Sd——作用组合的效应设计值；

Rd——结构或结构构件的抗力设计值。目前国内直径5 mm左右粗钢丝生产工艺成熟、设备已配套定型，可降低生产成本，规范建议主缆采用直径4.5～5.5 mm镀锌高强钢丝，设计过程中可根据初估荷载及工程经验初步选择主缆和风缆直径，再通过强度与变形验算逐步确定最优缆索方案。本工程通过多次试算，最终采用φs15.2钢绞线做为悬索管桥的主缆和风缆，钢绞线抗拉强度标准值fk=1 860 MPa。每根缆索均由7束直径15.2 mm热镀锌低松弛钢绞线组成平行索，其中主缆为4根，一侧两根；风缆两侧各1根。抗风拉索因需要绕过风缆和桥面横梁端设置的滑轮，为减少钢丝弯曲应力，设计采用6×7+FC镀锌钢丝绳，钢丝直径1.5 mm，钢丝绳直径14 mm，可以满足滑轮凹槽宽度要求，抗拉强度标准值fk=1 770 MPa，钢丝绳最小破断拉力115 kN。

4 桥面变形控制

柔性吊桥在设计时应考虑的最不利因素应是风荷载产生的影响，世界上早期设计的一些吊桥因风而毁的实例可以找到很多，为此在柔性吊桥设计中一个很重要的环节就是在吊桥两侧增加风缆来抗风。一般风缆施工时仅为张紧，基本可以满足作为交通之用的吊桥在风荷载作用下桥面横向位移不应过大的限制，甚至在大风天气时交通桥为安全考虑可以限行。但作为引水功能的管桥，水管与桥梁结构相互连接成一体，输水钢管的变形不应过大，桥梁变位需要满足更高运行要求，为此需要在风缆张紧时预加一定拉力，以达到降低水平变位和减小震动幅度的目的。将风缆看作是作用在桥面两侧刚度相等的弹簧，根据虎克定律，在相同水平力H作用下，各预加H/2水平力给两侧弹簧时的桥面将比只张紧的桥面产生的水平位移减少约一半，且弹簧所受最大拉力不变。由此在施工时可预加相当于一半风荷载所产生的拉力在风缆上，以减少由风荷载引起的水平位移，同时又不会增加风缆拉力。而在主缆设计时应考虑风缆预加力对桥面系产生的竖直分力影响，因风缆水平夹角较小，附加在桥面上的竖直荷载并不大。

温度变化对悬索桥主索挠曲变形影响不可避免，在锚固施工时可根据当天温度的实际情况调整主索跨中安装垂度。活荷载数值变化也会对悬索桥主索挠曲变形产生较大影响，设计时采用较高弹性模量的钢索，结合风缆附加荷载适当增加钢丝面积，可以减少主索弹性挠曲变形，保证跨中挠度满足要求。参照现行《公路悬索桥设计规范》，悬索管桥竖向挠度及横向变位限值参考刚性桥面悬索桥加劲梁设计，为计算跨径的1/250。

5 桥面变形验算

成桥状态下跨中桥面竖直挠度主要由温度和活载变化产生，水平位移主要由风荷载产生，目前许多结构计算软件可建模计算索中内力及变形，简单结构也可根据《钢桥》中关于柔性吊桥相关计算公式来手算，缆索由于荷载作用和温度变化会引起索长变化，而索长变化又会导致跨中挠度改变，当悬索桥设计矢跨比n=f/l确定后，桥面跨中垂度变化Δf可根据下面公式求得：

由主索长度变化△S引起跨中垂度f的变化公式：

由跨度变化△SL引起垂度f变化的公式：

在计算主跨主缆变形时还需考虑边跨主缆伸缩引起的主跨跨度和索长变形影响。

经过计算，满人时的人群荷载对跨中挠度影响最大，为保证桥面挠度满足设计要求，该桥做为输水管桥，需在桥两端设置大门，平时上锁关闭，检修时打开。

横向位移按照风缆设计矢跨比n1=1/10，根据公式（1）、（2）计算，风荷载在跨中产生的水平位移按正负挠度绝对值之和计算得：Δf1=0.70 m，大于位移限值L/250=0.48 m。

考虑风荷载产生的一半拉力预加在风缆上，则风荷载在跨中产生的水平位移可减少约一半，即Δf1≈0.35 m＜0.48 m，则风缆预加拉力后跨中挠度可满足设计要求。

6 结语

通过本文介绍，使大家了解利用大跨度悬索管桥作为一种跨江输水方案设计是可行的。采用柔性吊桥设计时，应对风缆预加一定拉力以解决跨中水平变位过大问题。另外需要注意，在桥梁伸缩缝处，主桥跨端不仅产生纵向水平伸缩变位，还会产生一定量的横向或竖向角位移，这些角变位极易导致输水管道损坏，为此需要在变形较大部位设置较为稳妥可靠的伸缩节和转向节，以便将架设在桥面上的活动管道与两岸地埋的固定管道连接在一起。管桥设计概算投资约3.5万元/m，与同类型人行吊桥设计造价指标基本接近。