空间刚性缆索自锚式悬索桥结构体系研究

戚瑞琨QI Rui-kun

（上海市建筑科学研究院集团有限公司，上海 200092）

0 引言

空间刚性悬索桥是一种具有高度美学价值和工程挑战的桥梁设计。目前，世界各地都有不少空间刚性悬索桥的建造和设计案例。这些桥梁通常采用先进的结构设计和工程技术，以实现长跨度、高承载能力和独特的外观特点。空间刚性悬索桥在世界各地被广泛应用，为城市的交通运输和旅游业发展提供了重要的支持。设计和建造这种桥梁需要高水平的工程技术和实践经验，以确保其结构和稳定性符合安全标准。跨河或上跨快速路的人行桥由于景观及净空的要求，梁高较小，但此种桥梁的跨径通常较大，这就造成了桥梁高跨比过小，刚度不足，振动问题突出。本文以一个实际的刚性悬索桥为例进行结构的体系研究。

1 结构方案

1.1 方案概述

本桥上跨滨河东路和滨河东路东侧绿化带，是一座沟通桃园三巷片区与西侧汾河景区公园的人行专用桥，为附近居民来往于东侧居住区与西侧健身休闲公园间提供了一个安全的专用通道。

采用空间主缆刚性自锚式悬索桥上跨滨河东路，结构形式新颖。主桥塔柱采用外翻的斜塔，刚性主缆位于斜塔平面内，斜塔犹如一双张开迎客的双臂，增加了结构的空间感。残疾人士近期可通过附近下穿地道通过滨河东路，远期可根据无障碍通行需求在人行桥两侧设置电梯，满足无障碍设计要求。

1.2 结构设计

本方案采用空间主缆刚性自锚式悬索桥，桥跨跨径为11.93+47.14+11.93m，全长71m。桥梁楼梯采用“L”形楼梯，即先沿桥梁轴向设置一跨楼梯，然后顺滨河东路落地。总体布置如图1 所示。

图1 总体布置图（栏杆未示，单位：m）

桥面系采用30mm 火烧花岗岩铺地形式；桥面栏杆采用不锈钢艺术栏杆形式，既美观又轻盈，使得整体结构极具现代气息。

1.2.1 主缆

空间主缆采用400×400mm 钢箱断面，主缆在主跨范围内位于主塔的斜平面内，与水平面成75°夹角，在边跨主缆锚固于主梁上。

1.2.2 主梁

桥梁采用双主梁结构，单侧主梁标准段为600×400mm 矩形钢箱截面，在锚固段主梁加宽加高为800×900mm。主梁之间采用工字形横梁连接，横梁标准段间距1.5m，桥面板厚12mm。桥梁纵坡4.5%，不设横坡。桥梁横截面如图2 和图3 所示。

图2 主塔位置主梁横断面图（单位：m）

图3 标准主梁横断面图（单位：m）

1.2.3 吊杆

吊杆采用刚性吊杆，工字形断面。吊杆在主跨横梁对应位置设置，分别与主梁和主缆焊接，边跨不设吊杆。

1.2.4 主塔

主塔为斜塔，采用变截面矩形钢箱断面，截面自塔底至塔顶由800×600mm 变化值600×400mm，主塔顺桥向轴线与水平面成70°夹角，横桥向轴线与水平面成75°夹角。

1.2.5 桥墩及基础

本桥基础分为主桥基础及楼梯基础两种。

主桥主墩基础采用C30 混凝土承台+C30（水下）直径1.2m 钻孔灌注桩的基础形式，承台厚度1.5m，边墩基础采用C30（水下）直径1.2m 钻孔灌注桩的基础。

楼梯基础采用C30（水下）直径1.0m 钻孔灌注桩基础形式。

1.2.6 楼梯

主桥桥面与地面高差约为5.4m，为方便行人上、下桥面，在主梁南北两侧对称设置“L”形的折线楼梯，并在距地面2.7m 高度处设置深度2.3m 的休息平台；

主桥两侧楼梯、坡道横断面布置为：0.2m（栏杆）+2.1m（净宽）+0.2（栏杆）=2.5m。

1.3 施工方法

该桥采用节段吊装的施工方法：在机非分隔带、中央分隔带、人行道范围内设置临时墩，将钢梁预制节段运至现场，焊接成较大的节段后利用汽车吊起吊并现场焊接连接成桥。全桥施工共需工期约4 个月。具体施工步骤如下：

①与桥墩桩基础和承台位置冲突的管线改线；

②施工桥墩桩基础、承台及塔墩等；

③搭设临时支架；

④工厂加工桁架节段，并运输至现场；

⑤汽车吊吊装钢梁、主缆节段，精确就位后进行焊接；

⑥主体结构完成后施工桥面系及其它附属设施；

⑦完成全桥施工，准备运营。

2 结构体系动力分析

背景桥梁方案采用空间主缆刚性自锚式悬索桥，桥跨跨径为11.93m+47.14m+11.93m，全长71m。桥梁采用双主梁结构，主梁之间采用工字形横梁连接，横梁标准段间距1.5m，主塔为斜塔，主塔顺桥向轴线与水平面成70°夹角，横桥向轴线与水平面成75°夹角。桥梁结构立面见图4。

图4 桥梁结构立面图

2.1 有限元模型建立

首先建立全桥有限元模型如图5，其中，主缆及主梁采用梁单元，桥面板采用板单元。

图5 全桥有限元模型

2.2 桥梁自振分析

完成有限元静力计算的前提下，进行桥梁特征值分析，分析得到桥梁的一阶竖弯频率，得到桥梁一阶竖弯频率为2.3Hz，如图6 所示。落在危险频率范围内，需要进行舒适度分析，需要注意的是，在选取竖弯频率时，要参考结构的质量参与度，选用合理的振型模态。（表1）

表1 桥梁各模态质量参与程度

图6 桥梁结构一阶竖弯振型

3 结论

本文通过对一座人行景观桥进行结构方案设计，桥型方案采用刚性悬索的结构形式。作为空间悬索结构，从结构体系角度进行了分析，研究结果表明：空间结构的悬索体系结构复杂，力学特性规律相比于常规悬索桥而言，结构振型和自振频率具有显著特征。