郭春雷 陳 端 孫建勛

隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，工農業(yè)需水量越來越大，為了改善局部缺水局面，許多調水、引水工程不斷提上日程。常用的引水建筑物多為明渠、埋涵等。在跨越山谷、河流等障礙物時，通常采用倒虹吸、渡槽及管橋等，但當?shù)匦闻c水流條件不利于較小跨徑橋跨結構布置時，可結合實際情況采用大跨度結構方案來解決。本文通過西藏某地一座跨越雅江峽谷懸索管橋的設計，為大跨度引水工程提供一種解決方案。懸索橋有外形簡潔輕巧、結構跨度大、施工方便等優(yōu)點，在通過深山、峽谷以及山區(qū)寬深河流的地方上建造具有較好的適應能力，可避免水下作業(yè)和下部結構受水流影響等不利條件。我國在許多山區(qū)為連接交通已修建了許多大跨度的懸索橋，在設計大跨度輸水管橋時可作為參考。利用懸索橋架設管道在橋跨結構滿足使用功能的同時，還需要重點解決管道變形的問題。

1 工程概況

西藏地區(qū)某處自流引水線路需要跨越雅江，跨江段南北兩山組成一個巨大V形谷地。雅江河道寬深、水流速度較大，選擇普通多跨渡槽或管橋輸水，下部結構排架較高、基礎施工難度大、工程安全性、可靠性無法保證。為此，設計推薦采用大跨度懸索管橋方式通過雅江，由南岸取水跨江自流引水至北岸灌片區(qū)。橋梁兩端山坡段管道采用淺埋式。根據引水口可供水量、灌溉區(qū)需水量及引水水頭確定引水設計流量0.301 m3/s，橋上鋪設的引水管設計采用DN400 mm無縫鋼管，壁厚10 mm。懸索管橋處最大壓力水頭為123.2 m，架空段長度約為160 m。

橋梁所在地為青藏高原區(qū)氣候，屬溫暖半濕潤氣候帶，多年平均氣溫8.6℃，最高氣溫32.3℃，最低氣溫-16.4℃。多年平均最大風速17 m/s。運行時段主要是在灌溉期（3～7月）過水，月平均氣溫均大于零度。

2 橋梁總體設計

懸索管橋以引水功能為主，橋面較窄，從節(jié)省投資出發(fā)，宜采用柔性吊橋形式，可利用兩側張緊的風纜代替加勁梁結構維持橋面橫向穩(wěn)定，其工程量減少較多、經濟性較好。根據地形地質條件，本工程跨江管橋設計采用三跨柔性吊橋形式，主跨跨徑為120 m，兩側邊跨采用鋼桁架結構，跨徑均為18 m，兩岸錨碇兼做邊跨橋臺。兩岸橋塔采用樁基礎，混凝土排架結構，排架柱高度均為22.3 m。主纜設計矢跨比f/l=1/12，繞過塔頂索鞍后向下錨固于兩岸錨碇上，邊跨主纜斜度：1∶0.55（平距比垂距）。在橋面兩側各設置1根風纜，風纜計算主跨徑120 m，矢跨比f1/l1=1/10，根據上下游山坡地形條件，風纜設計與水平面成20°夾角，風纜兩端分別錨固于修建在山坡上的錨固墩?？癸L拉索穿過橫梁端及風纜上設置的滑輪，將橋面與風纜連接成一體。懸索管橋平面布置見圖1。

圖1 懸索管橋平面示意圖

管橋橋面設計寬度1.9 m，吊桿設置在橋面外側，主纜下吊桿沿跨度方向間隔2 m一道。吊桿采用345級直徑20 mm的IO1型鋼拉桿，左右各1根，橫向間距2.1 m，吊桿下端通過螺栓與橫梁連接。橋面橫梁及縱梁采用槽鋼焊接而成，水管鋪設在橋面中央，通過焊接在橫梁上的管托和管箍固定。水管兩側橋面各留出0.6 m寬作為檢修通道，外側設置欄桿及扶手?？缰袡M斷面布置見圖2。

圖2 管橋主跨跨中橫斷面示意圖

3 管橋結構設計

懸索管橋設計可根據現(xiàn)行《公路懸索橋設計規(guī)范》《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》等橋梁規(guī)范和《鋼橋》《懸索橋》（橋梁計算示例）等參考書藉來計算和驗算結構強度、穩(wěn)定與變形，以滿足使用要求?，F(xiàn)行規(guī)范是采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，并按照分項系數(shù)的設計表達式進行設計。

橋梁承載能力極限狀態(tài)驗算公式：

γ0Sd≤Rd

式中 γ0——結構重要性系數(shù)；

Sd——作用組合的效應設計值；

Rd——結構或結構構件的抗力設計值。目前國內直徑5 mm左右粗鋼絲生產工藝成熟、設備已配套定型，可降低生產成本，規(guī)范建議主纜采用直徑4.5～5.5 mm鍍鋅高強鋼絲，設計過程中可根據初估荷載及工程經驗初步選擇主纜和風纜直徑，再通過強度與變形驗算逐步確定最優(yōu)纜索方案。本工程通過多次試算，最終采用φs15.2鋼絞線做為懸索管橋的主纜和風纜，鋼絞線抗拉強度標準值fk=1 860 MPa。每根纜索均由7束直徑15.2 mm熱鍍鋅低松弛鋼絞線組成平行索，其中主纜為4根，一側兩根；風纜兩側各1根?？癸L拉索因需要繞過風纜和橋面橫梁端設置的滑輪，為減少鋼絲彎曲應力，設計采用6×7+FC鍍鋅鋼絲繩，鋼絲直徑1.5 mm，鋼絲繩直徑14 mm，可以滿足滑輪凹槽寬度要求，抗拉強度標準值fk=1 770 MPa，鋼絲繩最小破斷拉力115 kN。

4 橋面變形控制

柔性吊橋在設計時應考慮的最不利因素應是風荷載產生的影響，世界上早期設計的一些吊橋因風而毀的實例可以找到很多，為此在柔性吊橋設計中一個很重要的環(huán)節(jié)就是在吊橋兩側增加風纜來抗風。一般風纜施工時僅為張緊，基本可以滿足作為交通之用的吊橋在風荷載作用下橋面橫向位移不應過大的限制，甚至在大風天氣時交通橋為安全考慮可以限行。但作為引水功能的管橋，水管與橋梁結構相互連接成一體，輸水鋼管的變形不應過大，橋梁變位需要滿足更高運行要求，為此需要在風纜張緊時預加一定拉力，以達到降低水平變位和減小震動幅度的目的。將風纜看作是作用在橋面兩側剛度相等的彈簧，根據虎克定律，在相同水平力H作用下，各預加H/2水平力給兩側彈簧時的橋面將比只張緊的橋面產生的水平位移減少約一半，且彈簧所受最大拉力不變。由此在施工時可預加相當于一半風荷載所產生的拉力在風纜上，以減少由風荷載引起的水平位移，同時又不會增加風纜拉力。而在主纜設計時應考慮風纜預加力對橋面系產生的豎直分力影響，因風纜水平夾角較小，附加在橋面上的豎直荷載并不大。

溫度變化對懸索橋主索撓曲變形影響不可避免，在錨固施工時可根據當天溫度的實際情況調整主索跨中安裝垂度?；詈奢d數(shù)值變化也會對懸索橋主索撓曲變形產生較大影響，設計時采用較高彈性模量的鋼索，結合風纜附加荷載適當增加鋼絲面積，可以減少主索彈性撓曲變形，保證跨中撓度滿足要求。參照現(xiàn)行《公路懸索橋設計規(guī)范》，懸索管橋豎向撓度及橫向變位限值參考剛性橋面懸索橋加勁梁設計，為計算跨徑的1/250。

5 橋面變形驗算

成橋狀態(tài)下跨中橋面豎直撓度主要由溫度和活載變化產生，水平位移主要由風荷載產生，目前許多結構計算軟件可建模計算索中內力及變形，簡單結構也可根據《鋼橋》中關于柔性吊橋相關計算公式來手算，纜索由于荷載作用和溫度變化會引起索長變化，而索長變化又會導致跨中撓度改變，當懸索橋設計矢跨比n=f/l確定后，橋面跨中垂度變化Δf可根據下面公式求得：

由主索長度變化△S引起跨中垂度f的變化公式：

由跨度變化△SL引起垂度f變化的公式：

在計算主跨主纜變形時還需考慮邊跨主纜伸縮引起的主跨跨度和索長變形影響。

經過計算，滿人時的人群荷載對跨中撓度影響最大，為保證橋面撓度滿足設計要求，該橋做為輸水管橋，需在橋兩端設置大門，平時上鎖關閉，檢修時打開。

橫向位移按照風纜設計矢跨比n1=1/10，根據公式（1）、（2）計算，風荷載在跨中產生的水平位移按正負撓度絕對值之和計算得：Δf1=0.70 m，大于位移限值L/250=0.48 m。

考慮風荷載產生的一半拉力預加在風纜上，則風荷載在跨中產生的水平位移可減少約一半，即Δf1≈0.35 m＜0.48 m，則風纜預加拉力后跨中撓度可滿足設計要求。

6 結語

通過本文介紹，使大家了解利用大跨度懸索管橋作為一種跨江輸水方案設計是可行的。采用柔性吊橋設計時，應對風纜預加一定拉力以解決跨中水平變位過大問題。另外需要注意，在橋梁伸縮縫處，主橋跨端不僅產生縱向水平伸縮變位，還會產生一定量的橫向或豎向角位移，這些角變位極易導致輸水管道損壞，為此需要在變形較大部位設置較為穩(wěn)妥可靠的伸縮節(jié)和轉向節(jié)，以便將架設在橋面上的活動管道與兩岸地埋的固定管道連接在一起。管橋設計概算投資約3.5萬元/m，與同類型人行吊橋設計造價指標基本接近。