大跨度玻璃吊桥设计方案及容许上桥人数的计算分析

莫山峰

(大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司 大连市 116024)

1 工程概况

张家口人行吊桥工程位于张家口尚义县大青山森林公园景区，距离张家口市区87km，距离北京市区236km。本项目为景区的人行桥，大致为南北走向，桥梁结构的选择在满足基本功能的同时，还应注重景观效果。经过多轮方案比选，最终确定本桥的桥型为地锚式悬索桥。本桥连接两侧山脊，桥梁跨度为445m，桥跨间最大沟谷深度约120m，桥梁有效通行宽度2.4m，桥面采用玻璃铺装。

图1 大青山玻璃吊桥效果图

2 主要技术标准

(1)桥面布置： 吊索间距为3.6m，栏杆内侧净宽2.4m；

(2)设计荷载：局部计算人群荷载为3.5kN/m2；整体计算桥上人数不超过800人；

(3)桥梁纵坡：桥梁纵坡为3.7%；

(4)抗震烈度：7度，地震加速度峰值为0.15g；

(5)环境类别：Ⅱ类；

(6)设计使用年限：50年；

(7)结构设计安全等级：一级；

(8)高程系统：黄海高程系；

(9)坐标系统：西安坐标系。

3 桥梁设计方案

3.1 总体方案

本桥采用单跨地锚式钢桁架悬索桥结构形式，结构轻盈、桥型美观。桥梁全长445m，桥梁有效通行宽度2.4m。主梁为钢桁架，索塔为钢筋混凝土结构，南侧塔高52.13m，北侧塔高40.64m。主跨跨度为445m，成桥状态下理论矢高为37.5m，矢跨比为1/11.87。全桥设有65对竖向吊杆，顺桥向吊杆间距为6.66m，横桥向吊杆间距为3.6m。方案总体布置如图2。

3.2 主要构造设计

(1)主梁

主梁为钢桁架结构，桁高为2.6m，纵向桁距3.33m，横向桁距3.6m。所有杆件均采用标准型钢，其中主弦杆、竖杆、斜杆、下横撑、横向斜撑均采用双角钢形式，下平联采用单角钢形式，上横撑和用于支撑桥面铺装的小纵梁采用宽翼缘H型钢，具体型钢规格：主弦杆采用L180×14角钢，竖杆和下横撑采用L80×10角钢，下平联采用L110×10角钢，斜杆采用L90×10角钢，横向斜撑采用L70×7角钢，上横撑采用HW200×204×12×12，小纵梁采用HW200×200×8×12。主桁钢材均采用Q345D。

(2)索塔及其基础

图2 大青山玻璃吊桥方案总体布置图

索塔采用门式塔，两塔柱横向内倾，中间设两道交叉横撑。塔柱截面接近于矩形截面，从美观出发外侧轮廓线采用倒圆处理，南侧塔高52.13m，北侧塔高40.64m，塔柱分上塔柱、中塔柱、下塔柱，索鞍底座以上的塔柱部分为上塔柱，采用钢结构，其余塔柱部分均为混凝土结构，中塔柱外轮廓尺寸为2.5m×1.5m，下塔柱外轮廓尺寸为4.1m×3.0m。塔柱下接台阶形扩大基础，基础底面全部进入中风化岩层或强风化岩中。索塔采用C40混凝土，扩大基础采用C30混凝土。

(3)锚碇及其基础

锚碇分为锚碇基础、前锚室和后锚室三部分。锚碇基础采用阶梯形式，为节省成本，锚碇基础下部采用C30混凝土，锚碇基础上部及锚固区部分采用C40混凝土。基础底面全部进入强风化岩层中，最小入岩深度不小于0.5m。前锚室主要设置散索鞍及前锚板，后锚室主要设置后锚板及锚固系统，同时预埋索管及劲性骨架，并设置人孔，便于后期进入室内维护。

(4)风缆锚碇

风缆端部采用钢锚箱加预应力锚索结构，风缆通过钢锚梁将力传递给预应力锚索基础。每个风缆端部设一个风缆锚固结构，在风缆端部设置热铸锚端头，可以对其进行张拉调整内力和线形。

(5)主缆

主缆采用非对称布置，北侧IP点比南侧IP点高5m，主跨跨度为445m，成桥状态下理论矢高为37.5m，矢跨比为1/11.87。桥梁横向设两根主缆，每根由19根37丝Φ5.2mm预制平行钢丝索编排而成组成，钢丝为高强度镀锌钢丝，强度为1770MPa。

(6)风缆

全桥设两根风缆，每根风缆采用公称直径Φ104mm的1×127-547类钢丝绳，标准强度为1770MPa。钢丝绳端头采用热铸锚形式锚具，并对其进行张拉。

(7)吊杆

全桥竖向吊杆共65对，中央扣索处设两对斜向吊杆，跨中处8对吊杆采用Φ30mm刚性吊杆，其余吊杆采用Φ19mm高强度镀锌钢丝成品索，标准强度为1670MPa，双层PE保护层。吊杆设长度调节杆。

(8)风缆拉索

风缆拉索采用公称直径30mm钢丝绳，每根钢丝表面均采用锌-5%混合稀土合金镀层，强度等级1770MPa，弹性模量1.65×105MPa，拉索设置调节杆，调节量±50mm。

(9)索鞍

主索鞍鞍体采用全铸型结构，主索鞍鞍体下设钢板-聚四氟乙烯板滑动副，以适应施工中相对移动。

散索鞍采用滑移造型式。散索鞍鞍体采用全铸式结构。

(10)索夹

索夹由上下两个半圆铸钢构件组成，高强螺栓连接，根据吊杆力及索夹处主缆倾角的不同，索夹长度与螺栓数量也不同。

(11)玻璃铺装

桥面玻璃板采用匀质钢化夹胶玻璃，玻璃的板边缘均应进行机械磨边和倒棱，磨边宜细磨，倒棱宽度不宜小于lmm。

3.3 设计关键技术

3.3.1总体布置及基础类型

桥位处地形为峡谷类型，为体现吊桥跨越效果，采用大跨跨过峡谷，结构形式采用单跨简支模式，两个桥塔分别布置在峡谷两侧山脊处，跨度445m。由于两岸地形高差较大，主梁加劲梁设单向3.7%纵坡，北岸主梁顶面较南岸高16.465m。

索塔采用钢筋混凝土门式塔，两塔柱横向内倾，中间设两道交叉横撑。桥塔处地质中风化玄武岩层，裂隙轻微发育，岩体整体较完整，岩芯呈柱状，局部呈块状，裂隙充填为少量填性土，且埋藏浅，因此桥塔基础采用扩大基础形式。

锚碇位于山坡处，山坡的走向与边跨缆索一致，锚碇处强风化玄武岩埋深浅，承载力较高、稳定性好，采用重力式锚碇比较合理。

3.3.2结构防腐方面

主缆、塔柱、锚碇及钢桁梁采用常规做法防腐，着重说明下栏杆及风缆缆索的防腐做法。

本桥栏杆采用不锈钢栏杆，不锈钢材质避免了桥梁养护阶段栏杆涂漆，可以保护玻璃桥面免受涂漆过程的污染破坏。另外不锈钢材质栏杆比较光亮，增强了玻璃吊桥的景观效果。

本桥风缆缆索采用高帆镀层索，高帆镀层索是国内新型的预应力拉索，索体采用单捻股钢丝绳，它是以一根圆钢丝为中心，在其外面以螺旋形状包捻一层或多层的圆钢丝，每根钢丝的表面均采用5%铝混合稀土合金镀层，防腐性能优秀，其产品的抗腐蚀性能约是普通镀锌的2～3倍。索体梁端以压制或浇筑的方式连接锚具。

3.3.3结构风振控制

本桥跨度445m，加劲梁宽度3.6m，加劲梁宽跨比1/123，远远小于1/60。抗风稳定性问题尤为突出。设计通过以下几方面技术措施增加结构横向刚度和抗扭转刚度、提高结构抗风稳定性：

(1)对于加劲梁宽跨比较小的大跨悬索桥，增加抗风缆索来提高结构抗风稳定性是最为经济和简单的结构措施。本桥设置了风缆系统，并且风缆索力张拉数值较大。风缆采用高帆钢丝索，索力松弛较一般钢丝绳要小很多，可以有效保证风缆索力发挥作用。

(2)在主跨中央主梁和加劲肋之间设置中央扣，中央扣可提高结构非对称竖向振动、横向振动和扭转振动的频率，进而提高颤振稳定性。

(3)加劲肋采用横向刚度和扭转刚度尚可的桁架结构形式，抗风通透性比较好。

3.3.4玻璃铺装

桥面玻璃采用经过均质处理的钢化夹层玻璃，共设置3层厚15mm的钢化玻璃，层间填1.14mm的胶片，以保障玻璃桥面遭受意外冲击力时行人的安全。玻璃正式生产前选取符合本桥要求的尺寸及规格的铺装玻璃进行承载力试验，要求承载能力不能低于20kN/m3。玻璃与钢结构之间，玻璃与玻璃之间都设置橡胶垫块，并用硅酮密封胶密封，保证玻璃不会由于加劲梁变形而发生挤压破坏。

4 上桥人数计算分析

4.1 计算模型

采用大型空间有限元计算软件Midas/Civil建立有限元模型进行计算分析。缆索和吊杆采用索单元进行模拟，除此之外的所有包括塔、主梁等在内的结构均采用空间梁单元模拟，支座及隔震垫块等连接构件采用弹性连接模拟。如图3为该桥有限元计算模型。

图3 计算模型立面图

4.2 上桥人数的确定

景区吊桥容许上桥的人数对于景区盈利而言是越多越好，容许上桥人数的上限是由塔柱的承载能力来控制，塔根应力的影响线如图4所示。由塔根应力影响线可以看出，在同样上桥人数的情况下越在跨中区域集中，塔根受力就越大。

图4 塔根应力影响线

本桥计算按照两种额定人数，800人和1000人，每种额定人数的计算考虑4个工况，分别按照人群密度每平米2人、3人、4人、5人来计算。计算结果如表1。

由表1可以看出，额定人数800人和1000人两种情况计算结果塔根应力均在规范容许范围内，鉴于该桥为景区人行吊桥，运营阶段游客人流密度大，保守考虑行人安全问题，决定该桥容许上桥人数定为800人。

5 结语

随着旅游业的发展，国内诸多玻璃吊桥正在大量的建设。通过大青山人行玻璃吊桥设计概况的介绍，分析了该桥设计的关键技术，计算了该桥容许上桥的人数，对同类桥梁的设计起到了一定的参考作用。

表1 容许上桥人数计算表