某索承桁架人行景观桥的抗震可行性分析

张 翔，石梓钰，奚圣宇，张贺强，孙超越

（安徽建筑大学，安徽 合肥 230601）

0 引言

近年来由于山区旅游业的盛行，越来越多的山地景观桥得以兴建，但山谷地区地质状态复杂，对桥梁的抗震稳定性有着较高的要求。基于桁架结构优良的抗风、抗震稳定性，并在其基础上增设索承结构，使整桥外观更加轻盈、简洁，得以更好的融入自然，具有较高的观赏性。相比于山谷区域传统桥墩施工，拉索结构更加经济高效，并具有很强的操作性。因此，本文以山谷景区为背景，对桥梁进行有限元分析并验算此类结构桥梁的抗震可行性，并结合当地自然环境以提供一种全新的山谷人行景观桥建设思路。

1 设计思路

本桥梁主要从材质和承力结构上进行设计。桥面材料预使用C30 混凝土，同时采用MICP 微生物诱导沉积碳酸钙技术促进桥梁桥面自愈修复，符合本桥梁绿色、可持续发展的设计理念。钢筋混凝土结构具有高强度的承压能力，得以更好的承受路面的设计荷载，利用悬索拉起桁架组以及上部路面。

在设计过程中，先根据人流量以及使用的任务和性质，确定结构形式。基于上述初步设计，结合周围环境与自然条件以及主要技术指标，确定材料强度。再对概念设计方案进行反复比较，形成最终的设计方案，并拟定悬索装配式的施工方案。基于MIDAS Civil 有限元分析软件进行结构计算、反应谱分析、时程分析。本设计项目作为交通桥可以解决山区城镇间因一山之隔的基本交通需求，作为景区景观桥可以让游客置于山川之间欣赏美景，同时索承桁架结构的设计，可以避免对山谷下部地区环境产生影响。

2 工程概况

本景观桥名为云上天梯人行景观桥，桥梁的设计效果见图1。其中桥长80 m，桥面宽度6 m，桥面厚度为10 cm，每4 m 设置一个桁架单元，桥面中间作为路灯排设区域，跨中桥面设置为双层钢化夹胶玻璃方便游客游览风景以及观察下部桁架结构。本桥梁设计在山势较高不便设立桥墩的峡谷地区建设，通过在桥梁1/4，1/2 以及3/4 处设立索承桁架结构支撑桥梁。而桁架上设有悬索承拉孔装置，悬索自两侧山峰适宜之处斜拉引出通过桥面两侧，达到受力平衡，共同承担桥与载体承重。索承桁架式受力方式将桥梁施工重心转移到桥面上部，现场选出山体两侧适宜的岩锚点。桥的两端，与两侧山峰内的隧道相连。桥体本身铺设的钢筋网应与山体隧道相连，并浇筑混凝土，以此利用山体来加固桥面。在钢索索上，为防止悬索因为长时间使用以及外界因素侵蚀导致悬索锈蚀，强度减少，或风雨侵袭导致桥面结构产生不稳定现象。现在索上的靠山体终端添加类弹簧的减震装置，辅助刚拉索为桥体减震。

图1 桥梁设计效果图

3 方案创新构思设计

通过对桥梁建立环境研究和探讨后，本桥梁项目有以下几处特点。

（1）巧妙利用山势，建立索承桁架新型结构。本桥梁设计在山势较高不便设立桥墩的峡谷地区建设，通过设立索承桁架结构支撑桥梁。它的优势之处在于不同于一般的山谷景观桥的结构模式，它是基于桥身整体搭建于山谷之间岩石的支撑和钢索拉住桥身底部的桁架柱共同承力的。桥梁自重和行人等活荷载作用于桥面之上，桥梁中部的钢索承受荷载下桥面受的压应力，而桥梁下部的钢索则平衡下部的拉应力，以达到力的平衡。

（2）通过索承受力，实现山区峡谷大跨度景观桥建立。在峡谷地区建立桥梁，由于谷底距离桥面过远难以建立桥墩支撑桥梁结构、谷底属于自然保护区、建立桥墩成本过高等客观原因，峡谷大跨度景观桥建立较为困难。而索承桁架式受力方式将桥梁施工重心转移到桥面上部，通过施工索吊装、装配式桥梁施工、预拱度桥面施工等方式降低施工难度、减少施工成本，实现山谷大跨度景观桥的设计。

（3）索上减振器的使用增强桥梁受山谷风雨振击时的稳定性。连接两座高山的索承桁架结构桥，易受产生的狭管效应影响，索上减振器的使用减少山谷风雨振击引起的震动。当桥面受穿峡谷的风和暴雨侵袭的作用时，普通桥的桥面会产生明显晃动，索上减震器具有适时弹性伸缩的功能，这一设计可使刚索具有更强的稳定性和伸缩性，达到可承受风雨、维护桥面平稳的目的。

（4）使用双斜索面斜拉实现良好的横向抗风稳定性。峡谷地形中易产生“狭管效应”，即当气流由开阔地带流入地形构成的峡谷时，由于空气质量不能大量堆积，于是加速流过峡谷，风速增大。当流出峡谷时，空气流速又会减缓。本桥设计使用双斜索面，与双铅垂索面相比，这一结构具有更加良好的横向抗风稳定性。

（5）微生物诱导沉积碳酸钙技术。微生物诱导沉积碳酸钙技术[1]简称MICP，是一种简单高效、绿色环保的可持续修复技术。微生物在特定的环境条件下诱导形成沉积碳酸钙，即一种天然的、相容性较好的混凝土修补剂。本桥设计在桥梁混凝土部分使用MICP 技术，诱导混凝土自愈合以提升桥梁使用寿命，并达到绿色环保的设计理念。

4 总体设计

4.1 桥梁桁架设计

桥梁总长80 m，宽度为6 m。桥面底部桁架单元设计采用长宽高分别为4 m、3 m、2 m，见图2、图3。空腹管桁均采用Q345 钢材，直径180 mm，壁厚16 mm。

图2 桁架单元模型图

图3 索承处桁架模型图

4.2 桥梁钢索设计

本索承桁架人行景观桥设计在桥梁总长1/4、1/2、3/4 处分别设置索承支点。钢索设计采用1860钢绞线，外包聚酯化合物。其中，如图4 所示一号钢索长度58.86 m，二号钢索长度72.36 m，三号钢索长度20 m。

图4 桥梁立面图（单位：mm）

5 桥梁结构计算与优化

采用Midas/Civil 进行静力计算和动力抗震分析。

5.1 建立模型

桥面下部空腹管桁单元使用桁架单元模拟；桥面采用板单元进行模拟；钢索采用桁架单元进行模拟，在桥面桁架两端和钢索岩锚端设置固定支座。全桥共划分181 个节点、776 个单元，见图5。

图5 结构有限元模型图

5.2 静力计算结果

桥梁设计荷载为2.5 kN/m2的人群均布荷载，在静力荷载下，位移峰值为10.11 cm，该景观桥中部挠度许用值为：80×1/600=13.33 cm 大于桥梁位移峰值，符合桥梁刚度设计要求，部分位移数据见表1。

表1 静力作用下位移表 单位：mm

5.3 桥梁设计优化

为了减小在桥梁的下沉位移，现提出一种解决方案，即在桥梁施工时增加预拱度。跨中预设拱度10 mm，结构各节点拱度见图6。优化后模型跨中下沉相对位移为9.971 cm，实际下沉位移较优化前大幅度减小。

图6 桥梁预拱度示意图（单位：mm）

6 反应谱分析[ 2-3]

6.1 技术指标

（1）根据《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020）的规定[4]，本桥梁抗震设防类别为C 类。

（2）抗震设防烈度0.05 g，桥梁类别为6 度。

6.2 地震作用下地震反应分析

反应谱分析应分别进行EI 地震作用下的结构弹性设计及E2 地震作用下的结构弹塑性设计。根据以上参数，分别建立E1、E2 水平向及竖向设计加速度反应谱。

（1）E1: 运用多重Ritz 向量法求出前30 阶振型如表二、表三数据可知，TRAN-X、TRAN-Y 两个方向的振型参与质量分别是96.42%、98.09%，满足规范上振型参与质量达到总质量的90%以上的要求,结果见表2。

表2 振型参与质量表

（2）E2：对桥梁的一般荷载组合进行验算。根据位移等值线图判断桥梁在E2 地震作用下还保持弹性状态，峰值位移为2.97 mm，E2 竖直位移等值线见图7。符合设计规范，结构安全。

图7 E2 竖直位移等值线图（单位：mm）

7 时程分析

7.1 时程工况建立

时程分析采用三个常用地震波分别建立工况一、二、三。

（1）工况一：1952，Taft Lincoln School，Vertical

（2）工况二：1940，El Centro Site，270 Deg

（3）工况三：TH035TG035_CHUETSU-OKI 7 -16—2007 JOETSU OGATAKU

时程分析工况标准见表3。

表3 时程分析工况标准表

7.2 时程分析结果

经过Maidas/Civil 时程分析，工况一下跨中三个节点处的位移分析见图8。经过核对在三个工况中整个地震波中变形均符合规范要求。

图8 工况一时程位移分析图（单位：mm）

在三个工况下，桥梁桁架单元应力最大值分别为21.9 MPa、24.5 MPa、73.7 MPa。如表4 所示，均符合结构强度标准要求，工况二应力变形图例见图9。

8 结语

索承桁架人行景观桥作为山谷地区连接两山的元素，可作为该地区的地标性桥梁，同时改善山谷地区交通环境，积极响应乡村振兴战略。本桥梁已完成结构设计、结构静力计算和抗震可行性分析，根据分析结果显示桥梁力学性能良好、经济指标稳定，是充分发挥桁架桥优点、环境友好、施工便利的新型桥梁。通过本桥梁的设计以及有限元分析，证明了索承桁架新型结构的合理性，验证了此类结构桥梁的抗震可行性。通过该桥设计和文章介绍，希望能为同类桥梁的发展出一份力。

图9 工况二应力变形图例（单位：MP a）