薛明生，秦 波，劉雪松

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

0 前 言

多塔懸索橋是在傳統(tǒng)雙塔懸索橋基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的橋型，其受力特征與傳統(tǒng)雙塔懸索橋有較大區(qū)別。多塔懸索橋整體剛度低，中塔剛度對整個結(jié)構(gòu)受力影響大，梁約束體系的選擇和各承重構(gòu)件尺擬定是橋梁各承重構(gòu)件剛度匹配、橋江整體剛度偏低的重中之重［1］?，F(xiàn)階段三塔懸索橋多應(yīng)用于公路橋梁中，在人行懸索橋應(yīng)用較少，該研究通過介紹某三塔四跨人行懸索橋總體設(shè)計，供同類橋梁設(shè)計參考。

1 橋型總體

擬建橋梁為庫區(qū)淹沒復(fù)建跨江人行橋，根據(jù)橋位處地形、地貌、水文、地質(zhì)、氣象等基本條件，同時從橋梁規(guī)模、影響力、經(jīng)濟(jì)性、施工快捷、養(yǎng)護(hù)方便等方面進(jìn)行綜合比較，擬采用的橋型方案為三塔四跨懸索橋（36.3m＋2×150m＋43.5m），總長400m。橋面寬度為凈-2.5m＋2×0.5m欄桿吊索區(qū)，總寬3.5m，設(shè)計洪水頻率為P＝2%，橋下無通航要求，設(shè)計荷載為人群荷載2.5kN／m2，基本地震動峰值加速度為0.2g，地震反應(yīng)譜特征周期為0.40s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。

2 橋跨布置

2.1 橋位地形、地質(zhì)及水文概況

橋址區(qū)屬高山峽谷地貌，河流平面形態(tài)呈“S”形。河谷深切，整體呈“U”形河谷，除橋址右岸局部邊坡陡峭外，其他岸坡相對平緩開闊。橋址區(qū)右岸上游高程1730m以下地形較緩，發(fā)育有兩級階地，下游山體雄厚，地形相對較整齊且較陡，地形坡度40°～45°，局部可見基巖裸露；橋址區(qū)左岸及下游側(cè)為平緩階地堆積物，地形坡度10°～30°，以旱地分布為主，上游側(cè)臨河拐彎處為基巖陡崖，呈帶狀分布。橋梁左岸道路接線高程為1749.294m，右岸道路接線高程為1753.151m。橋設(shè)計洪水位采用水電站100年一遇洪水回水位1735.16m，施工水位采用5年一遇天然洪水位1689.42m。橋位地形示意如圖1所示。

圖1 橋位地形示意

2.2 三塔懸四跨懸索橋的優(yōu)點(diǎn)

受水庫蓄水影響，水面總寬約370m，河床中部和右岸水深較深，左岸水深較淺。受各種政策和其他因素影響，本橋為凈寬僅2.5m的人行橋，采用主跨150m的三塔四跨懸索橋跨越河谷。中塔設(shè)置于中部施工水位以上，結(jié)合筑島滿足陸上施工，橋梁所有塔柱及其基礎(chǔ)均為水上施工，江中僅設(shè)一墩，橋梁建成后對過流斷面影響小，采用三塔四跨懸索橋?qū)Φ匦蔚倪m應(yīng)性好。

若采用梁橋，相比三塔懸索橋方案，其橋梁寬跨比小，橫向穩(wěn)定問題突出；橋梁下部結(jié)構(gòu)規(guī)模大，造價高，水中施工基礎(chǔ)多施工難度大；橋梁建成后對河流斷面壓縮率大，不利于防洪。若采用雙塔懸索橋，跨度大，寬跨比過小，橫向穩(wěn)定和抗風(fēng)問題更加突出；橋梁減少一個橋塔后，隨著跨度大幅增加，主纜力、主塔和錨碇承受荷載隨之加大，在橋長不變的情況下工程規(guī)模加大；橋梁左岸階地堆積物達(dá)30m，承載力較低，要求錨碇不宜過大。

3 體系選擇

三塔懸索橋與普通雙塔懸索橋相比增加了一座橋塔，其結(jié)構(gòu)體系相比雙塔懸索橋一定區(qū)別，選擇適宜的體系是結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作的重中之重［2］。橋型布置如圖2所示。

圖2 橋型布置示意（單位：m）

3.1 矢跨比

懸索橋的矢跨比是主纜在主跨內(nèi)的矢度與主跨跨徑的比值，是懸索橋極為重要的參數(shù)，對橋梁結(jié)構(gòu)剛度、工程數(shù)量及其造價有控制性的影響［3］。對于雙塔懸索橋，一般地錨式懸索橋矢跨比取值為1／9～1／12［4］。對于多跨懸索橋，其結(jié)構(gòu)柔性大，固有振動頻率較低，為了提高懸索橋的整體剛度必須采用較大的矢跨比。在本項目設(shè)計過程中，選取了1／7、1／8、1／9、1／10、1／11、1／12和1／13共7組矢跨比進(jìn)行靜力和動力分析比較。分析結(jié)果表明：從靜力計算結(jié)果來看，隨矢跨比的增大，結(jié)構(gòu)剛度改善較明顯，主梁的活載撓度減小較多，雖然中塔索鞍抗滑移安全系數(shù)有一定程度地減小，但可通過主纜與索鞍間的構(gòu)造措施有效解決；從動力計算結(jié)果來看，隨矢跨比的增大，橋梁抗風(fēng)性能提高。本橋的設(shè)計過程中綜合考慮結(jié)構(gòu)受力和綜合造價，采用1／9的矢跨比。

3.2 主梁約束體系

豎向約束方面，設(shè)計時在全橋錨碇和主塔處主梁均采用了豎向支座約束，由于0號索對加勁梁的受力改善幅度不明顯，全橋不設(shè)置0號吊索?？v向約束方面，設(shè)計過程中比較了中塔塔梁固結(jié)，彈性索約束和縱向自由3種邊界；通過設(shè)計分析表明，通過設(shè)置縱向約束，可有效減小主梁位移，減小主梁豎向撓度，提高主纜與中主鞍座間抗滑移安全系數(shù)；采用固結(jié)約束體系，取消了不設(shè)縱向約束，橫向抗風(fēng)支座和彈性索等，但塔梁固結(jié)區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，結(jié)構(gòu)高次超靜定受力復(fù)雜，溫度、焊接殘余應(yīng)力等不明確，故未采用；綜合計算結(jié)果本橋采用縱向彈性索約束［5］。橫向約束方面，在3個主塔處均設(shè)置抗風(fēng)支座。扭轉(zhuǎn)約束方面，通過豎向支座和豎向限位構(gòu)造組合約束橋梁扭轉(zhuǎn)。

3.3 抗風(fēng)纜及中央扣

本橋梁寬跨比約1／43，為提高橋梁運(yùn)營期的抗風(fēng)穩(wěn)定性，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，改善行人舒適度，本橋設(shè)置了空間網(wǎng)狀抗風(fēng)纜和中央扣?？癸L(fēng)纜兩岸均采用錨樁錨固，錨樁端采用U型螺桿式熱鑄錨，螺桿具有索長調(diào)節(jié)功能?？癸L(fēng)纜主纜采用8×25Fi＋I(xiàn)WR公稱直徑60mm鍍鋅鋼絲繩，公稱抗拉強(qiáng)度1870MPa，破斷力2650kN；吊索采用6×19W ＋I(xiàn)WR公稱直徑18mm鍍鋅鋼絲繩，公稱抗拉強(qiáng)度1870MPa，破斷力216kN。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 主梁設(shè)計

加勁梁為四跨連續(xù)體系，在橋塔、橋臺處設(shè)置了橫向限位擋塊，在1號、3號塔處設(shè)置了豎向的限位支座，在2號塔處設(shè)置了縱橋向和豎向的限位支座。

加勁梁在非加強(qiáng)區(qū)由兩根HN600mm×200mm×17mm型鋼和一根HN300mm×150mm×9mm型鋼縱梁組成，縱橋向每隔4m在與吊點(diǎn)同位置設(shè)一道HN600mm×200mm×17mm型鋼橫梁，縱、橫梁間設(shè)置L70×8上平聯(lián)組成平面桁架。在橋塔區(qū)域為加勁梁在加強(qiáng)區(qū)，由兩根H600mm×300mm×26mm×14mm型鋼和一根HN300mm×150mm×9 mm型鋼縱梁組成，縱橋向每隔4m在與吊點(diǎn)同位置設(shè)一道H600mm×300mm×26mm×14mm型鋼橫梁，縱、橫梁間設(shè)置L70mm×8mm上平聯(lián)組成平面桁架。主梁構(gòu)造見圖3。

圖3 主梁構(gòu)造示意（單位：mm）

4.2 纜索系統(tǒng)設(shè)計

4.2.1 主纜及索鞍

主跨主纜計算跨徑150m，垂跨比為1／9，右岸邊跨跨徑為36.3m，右岸邊跨跨徑為43.5m，垂跨比由水平力相等確定。主纜采用的是8×19W ＋I(xiàn)WR公稱直徑42mm鍍鋅鋼絲繩，公稱抗拉強(qiáng)度1870MPa，7股鋼絲繩組成1根主纜。計算時彈性模量取為1.2×105MPa，最終根據(jù)廠家提供的參數(shù)進(jìn)行修正。

主纜為平行索面，主纜中心距3.3m。主纜緊纜和受載通過銷接式鑄鋼索夾和普通螺栓實現(xiàn)。主纜在右岸錨跨經(jīng)過散索箍散開，在右岸錨跨經(jīng)過散索鞍散開，主纜散開后各索股端頭安裝熱鑄錨具，再通過錨固拉桿傳力至錨碇。

索鞍鞍槽、肋板、承壓板、上壓板和底板均為鑄鋼，索鞍通過預(yù)埋螺桿錨固于橋塔混凝土中。鞍槽內(nèi)索股就位后，頂部用鋅質(zhì)填塊填平，緊固上壓板螺栓。

4.2.2 索夾及散索鞍

主纜通過索夾與吊索相連，索夾采用左右對合的結(jié)構(gòu)形式，左右鑄鋼夾板通過普通螺栓相連夾緊于主纜上。

主纜散索箍是主纜進(jìn)入錨室前墻的過渡裝置。使主纜按照要求進(jìn)行分散后，對主纜提供必要保護(hù)的同時具有良好的密閉性能。散索箍呈喇叭形管狀鋼套，采用左右對合的結(jié)構(gòu)形式，兩半之間設(shè)螺栓夾緊裝置，在兩半散索箍合縫處設(shè)橡膠條防水構(gòu)造，端頭設(shè)防雨水護(hù)罩。

4.2.3 吊 索

吊索與索夾以及主梁均采用銷接式，每個吊點(diǎn)設(shè)一根吊索。吊索上端錨頭采用叉耳銷接式熱鑄錨，下端采用雙螺桿式熱鑄錨，螺桿具有索長調(diào)節(jié)功能，用以消除制造、架設(shè)引起的吊索長度誤差。吊索順橋基本間距4m，索塔兩側(cè)為3.5m，吊索采用6×19W ＋I(xiàn)WR公稱直徑26mm鍍鋅鋼絲繩，公稱抗拉強(qiáng)度1870MPa，破斷力450kN。彈性模量取為1.2×105MPa，最終根據(jù)廠家提供的參數(shù)進(jìn)行修正。

4.3 主塔設(shè)計

橋塔采用外傾式門架形鋼筋混凝土塔，混凝土橋塔強(qiáng)度等級C40。1號塔橋總高53.5m，塔柱尺寸為自塔頂1.6m×1.4m至塔底3.74m×1.4m變化（縱橋向×橫橋向）；2號塔橋塔總高73.2m，2號塔為自塔頂2m×1.8m至塔底10m×1.8m變化（縱橋向×橫橋向）。3號塔橋塔總高35.5m，3號塔為自塔頂1.6m×1.2m至塔底3.02m×1.2m變化（縱橋向×橫橋向）。

1號塔為2.3m厚承臺配4根直徑1.5m樁基；2號塔為3.8m厚承臺配4根直徑2.5m樁基；3號塔為2.3m厚承臺＋4根直徑1.5m樁基。承臺強(qiáng)度等級C40，樁基強(qiáng)度等級C30。

2號橋塔采用筑島施工，2號塔樁基礎(chǔ)施工前筑島進(jìn)行碾壓壓實處理，邊坡采用1m厚鋼筋石籠進(jìn)行防護(hù)。

4.4 錨碇設(shè)計

右岸錨碇采用錨索組合重力式錨碇，錨碇依靠預(yù)應(yīng)力錨索來抵抗主纜拉力：預(yù)應(yīng)力錨索張拉后錨固于錨碇前錨面，主纜散索后錨固于錨碇混凝土后錨點(diǎn)，主纜與錨索間的不平衡力由錨碇基底摩擦力和接觸反力提供。左岸錨碇采用重力式錨碇。

右岸錨碇采用C30混凝土，總體尺寸6.5m×10m×10m（高×長×寬），錨固面的最小厚度為3.34m，底面厚3.55m。錨固面布置12根預(yù)應(yīng)力錨索，單根錨索長25m，與水平面夾角為34°，鎖定張拉力為1000kN，錨索進(jìn)入中風(fēng)化層不小于10m。0號錨碇開挖前，對橋軸線上下游各10m范圍的下邊坡進(jìn)行防護(hù)，同時對橋軸線上下游各40m范圍的上邊坡進(jìn)行防護(hù)，然后進(jìn)行錨碇開挖施工，確保錨碇安全。

左岸錨碇及其基礎(chǔ)采用C30混凝土，錨座總體尺寸5m×10.64m×5.6m（高×長×寬），基座總體尺寸9.5m×13.5m×8m（高×長×寬）并采用C15素混泥土填充，基礎(chǔ)總體尺寸3m×20m×10m（高×長×寬）。錨碇地基由河流Ⅲ級階地地堆積物（卵礫石層、碎塊石夾砂）組成，對4號錨錠基礎(chǔ)底面墊層以下外延1m范圍內(nèi)換填碎石土并夯實，換填深度1.0m，錨碇尾部做回填處理，與臺后填方路基順接。

5 結(jié) 論

本三塔四跨人行懸索橋主跨150m，通過增加中塔很好地適應(yīng)了地形條件，在設(shè)計中其結(jié)構(gòu)體系也較為新穎，橋跨布置、體系選擇及其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與一般雙塔人行懸索橋相比有顯著區(qū)別。除此之外，三塔人行懸索橋主要承重構(gòu)件剛度匹配和中塔效應(yīng)分析，結(jié)構(gòu)抗震性能及減震設(shè)計和橋梁人致振動分析及減振設(shè)計均是設(shè)計中需進(jìn)一步加以研究。