山區(qū)人行懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性技術(shù)措施

（浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究有限公司，浙江 杭州 310027）

0 引言

隨著國(guó)家大力支持自然風(fēng)景生態(tài)景區(qū)的開(kāi)發(fā)，景區(qū)游線(xiàn)的擴(kuò)展、優(yōu)化及優(yōu)化游客體驗(yàn)顯得尤為重要，特別是提升景區(qū)體驗(yàn)感的跨山橋梁的建設(shè)顯得更加迫切。由于景區(qū)地勢(shì)的獨(dú)特性，跨越景區(qū)山谷的橋梁大多采用跨越能力較強(qiáng)、施工簡(jiǎn)便、對(duì)環(huán)境破壞小的柔性懸索橋，但是，柔性懸索橋由于其具有剛度較小、跨寬比較大等特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)荷載的作用非常敏感。因此，在橋梁的施工、設(shè)計(jì)等各階段就應(yīng)采取技術(shù)措施來(lái)提高其抗風(fēng)承載力及穩(wěn)定性。目前，馬召宇研究了設(shè)置風(fēng)纜對(duì)人行懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的影響，提出了風(fēng)纜的提升使人行懸索橋在不同的張力下的抗風(fēng)穩(wěn)定性得到提高[1]。陳龍貴對(duì)柔性懸索橋的抗風(fēng)性能進(jìn)行了研究[2]。李麗娜針對(duì)懸索橋各構(gòu)件減少風(fēng)振影響進(jìn)行了研究[3]。石凱對(duì)人行懸索橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[4]。雷鳴對(duì)山區(qū)大跨懸索橋在非均勻風(fēng)荷載作用下的靜風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[5]。

該文通過(guò)對(duì)山區(qū)人行懸索橋的特點(diǎn)及懸索橋風(fēng)載響應(yīng)特點(diǎn)的分析，結(jié)合某景區(qū)內(nèi)的懸索橋工程，從橋梁各個(gè)構(gòu)件角度出發(fā)，提出了一些實(shí)用的提高柔性懸索橋在風(fēng)荷載作用下穩(wěn)定性的技術(shù)措施。

1 山區(qū)人行懸索橋的特點(diǎn)

山區(qū)環(huán)境由于地勢(shì)條件復(fù)雜，在山區(qū)建設(shè)橋梁容易受到施工作業(yè)空間、施工機(jī)械、運(yùn)輸條件、環(huán)境保護(hù)、跨越能力等因素的影響。因此，山區(qū)橋梁大部分需要采用柔性懸索橋。因?yàn)樗哂锌缭侥芰^大、施工作業(yè)空間較小、施工機(jī)械要求較低，同時(shí)對(duì)環(huán)境破壞較小、結(jié)構(gòu)構(gòu)件輕巧等優(yōu)點(diǎn)。山區(qū)人行柔性懸索橋主要有4 個(gè)特點(diǎn)[1]。

1.1 垂跨比較小、拉索用量較大

為減少對(duì)周邊環(huán)境破壞，景區(qū)懸索橋往往不會(huì)設(shè)置對(duì)景區(qū)環(huán)境破壞較大的主塔，而僅設(shè)置錨碇進(jìn)行拉索錨固。在兼顧行人行走舒適性和拉索受力合理的情況下，其垂跨比一般在2%～6%，并且其剛度受拉索的拉力影響較大。因此，為了保證人行懸索橋有足夠的剛度來(lái)抵抗風(fēng)荷載，與設(shè)置主塔的懸索橋相比，在相同跨徑下，其拉索用量也較大。

1.2 荷載較小

山區(qū)人行懸索橋荷載較小的原因不僅體現(xiàn)在人群活荷載較小，更體現(xiàn)在懸索橋由于受施工、結(jié)構(gòu)等影響，其構(gòu)件大部分采用小型預(yù)制構(gòu)件以便于運(yùn)輸?shù)跹b施工及結(jié)構(gòu)受力，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體自重較小，進(jìn)而使承重索在恒載作用下拉力較小，因此，其整體剛度較低。

1.3 跨寬比較大

人行懸索橋一般跨徑較大、寬度較窄、高度較低，即跨寬比較大且整體比較纖細(xì)，因此其橫向抗風(fēng)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)阻尼和自振頻率均較低，對(duì)抗風(fēng)穩(wěn)定性較為不利。

1.4 對(duì)活荷載較為敏感

由于人行懸索橋主要受力構(gòu)件為承重索，而承重索為柔細(xì)構(gòu)件，在活荷載作用下極易振動(dòng)。特別是在風(fēng)荷載的動(dòng)力的作用下，產(chǎn)生的振動(dòng)不僅影響行人的舒適性，而且影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的承載能力及穩(wěn)定性，而山區(qū)峽谷區(qū)域往往是強(qiáng)風(fēng)區(qū)域，因此，在山區(qū)區(qū)域，人行懸索橋的抗風(fēng)承載能力及穩(wěn)定性將是該類(lèi)橋梁設(shè)計(jì)的控制性因素。

2 懸索橋風(fēng)載響應(yīng)特點(diǎn)

風(fēng)對(duì)橋梁的作用可以分為靜力與動(dòng)力2 種[3]。其中，靜力作用與其他活荷載類(lèi)似，主要考慮的是由于風(fēng)荷載直接作用而產(chǎn)生的效應(yīng)以及在風(fēng)荷載作用下引起的承載能力及穩(wěn)定性問(wèn)題。由于，靜風(fēng)荷載主要垂直于作用面，因此，橋梁縱向斷面形式、桿件尺寸和作用面范圍直接影響靜力作用的大小。通過(guò)以往的橋梁事故分析，橋梁由于風(fēng)荷載靜力作用而導(dǎo)致的破壞較少。

風(fēng)對(duì)橋梁的動(dòng)力作用則表現(xiàn)為顫振、渦振、馳振和抖振等動(dòng)態(tài)反應(yīng)。其中顫振和馳振現(xiàn)象是橋梁在風(fēng)場(chǎng)作用下產(chǎn)生的發(fā)散振動(dòng)[2]，它是由于橋梁本身振動(dòng)而產(chǎn)生的，當(dāng)風(fēng)速持續(xù)增大，超過(guò)臨界值時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)大位移變形，導(dǎo)致破壞。而渦振和抖振現(xiàn)象是橋梁在風(fēng)場(chǎng)作用下產(chǎn)生的限幅振動(dòng)[2]。限幅振動(dòng)一般是在風(fēng)速較小的情況下發(fā)生的，橋梁結(jié)構(gòu)的振幅變化不是很大。

3 案例分析

3.1 項(xiàng)目概述

某風(fēng)景區(qū)須建設(shè)一座連接2 個(gè)山峰的跨山景觀(guān)橋，山峰之間距離約為130 m，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性、施工便利性、環(huán)境保護(hù)等特點(diǎn)的情況下，該橋結(jié)構(gòu)形式采用了無(wú)加勁梁?jiǎn)慰缛嵝詰宜鳂蝮w系，橋梁跨徑布置為1 m～133 m，總長(zhǎng)為145 m（2 個(gè)錨碇錨固點(diǎn)之間的距離），設(shè)置3%的縱坡；橋梁橫斷面凈寬為3 m，兩側(cè)設(shè)置護(hù)欄和抗風(fēng)穩(wěn)定索，結(jié)構(gòu)總寬為4 m，設(shè)計(jì)人群荷載3.5 kPa，橋面采用鋼格柵+塑木鋪裝組合形式。

該橋設(shè)2 根主纜，位于桁架底部，固定在桁架下橫梁下方，成橋時(shí)主纜垂直平面內(nèi)的垂跨比為3.99/133=3/100。主纜截面由61 根直徑為15.24 mm 的環(huán)氧涂層鋼絞線(xiàn)組成。每根鋼絞線(xiàn)外包HDPE（高密度聚乙烯）套管，61 根鋼絞線(xiàn)組成六邊形，用索夾定型。主梁采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，桁架各桿件均采用鋼管，考慮到行人在橋上行駛時(shí)橋梁上下振動(dòng)較大，因此各節(jié)段之間采用銷(xiāo)軸連接。

3.2 主要抗風(fēng)技術(shù)措施

3.2.1 主梁采用空間桁架結(jié)構(gòu)

與以往未設(shè)置主塔的柔性懸索橋采用簡(jiǎn)單的縱橫梁布置或僅設(shè)置橫梁不同，該橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)，主梁采用空間桁架結(jié)構(gòu)，與主纜形成張弦式受力體系，結(jié)構(gòu)斷面布置如圖1 所示。

該體系有4 個(gè)優(yōu)點(diǎn)。1）采用桁架結(jié)構(gòu)相對(duì)于簡(jiǎn)單的縱橫梁布置或僅設(shè)置橫梁，由于其自重增加，使承重索拉力增大，橋梁結(jié)構(gòu)剛度隨之增大，從而提高橋梁抗風(fēng)的穩(wěn)定性。2）空間桁架結(jié)構(gòu)桿件截面尺寸較小、空間通透性良好，較小的受載面積降低了風(fēng)荷載的靜力作用。更為重要的是，采用空間桁架結(jié)構(gòu)由于其通透性良好，風(fēng)荷載能夠自由流動(dòng)，從而能夠有效地降低風(fēng)荷載的動(dòng)力作用，而風(fēng)荷載的動(dòng)力作用往往取決定了懸索橋的安全性、穩(wěn)定性和舒適性。3）桁架結(jié)構(gòu)剛度比縱橫梁結(jié)構(gòu)大。對(duì)橋梁的整體剛度提高較為明顯，從而減小了橋梁在風(fēng)荷載作用下的振動(dòng)。4）由于承重索的垂度及線(xiàn)型可以通過(guò)桁架的高度來(lái)調(diào)整，因此，在保證承重索受力的情況下，橋面仍能保持水平，增強(qiáng)了行人行走舒適度，從而使該結(jié)構(gòu)體系適用性更強(qiáng)。

3.2.2 承重索設(shè)置在桁架下方并與桁架下弦緊密連接

相對(duì)于將承重索通過(guò)吊桿設(shè)置在主梁上方，將承重索設(shè)置在主梁下方并緊密相連，可有效地降低承重索直接承受風(fēng)荷載作用，并增強(qiáng)了兩側(cè)承重索的整體剛度。

3.2.3 桁架上弦兩側(cè)設(shè)置抗風(fēng)穩(wěn)定索

通過(guò)在桁架上弦兩側(cè)設(shè)置抗風(fēng)穩(wěn)定索是，可以保證空間桁架在橫向荷載（主要為橫向風(fēng)荷載）作用下的側(cè)向整體穩(wěn)定?？癸L(fēng)穩(wěn)定索采用4 根直徑為44 mm 的鋼絲繩，通過(guò)“U”形扣連接在鋼桁架的下橫梁上

3.2.4 采用護(hù)欄索增強(qiáng)抗風(fēng)穩(wěn)定性

護(hù)欄的設(shè)計(jì)也采用了對(duì)提高橋梁整體抗風(fēng)能力非常有利的護(hù)欄形式。護(hù)欄采用帶φ12.7 mm 不銹鋼絲繩的簡(jiǎn)易護(hù)欄，每側(cè)設(shè)置4 道鋼絲繩，鋼絲繩采用“U”形扣連接在護(hù)欄立柱上。

3.2.5 鋪裝采用透風(fēng)性較好的鋼格柵+塑木鋪裝組合

采用透風(fēng)性能較好的橋面鋼格柵+塑木鋪裝，將有利于風(fēng)力在橋梁范圍內(nèi)的自由流動(dòng)，從而降低由于風(fēng)荷載引起的振動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家政策對(duì)生態(tài)風(fēng)景區(qū)開(kāi)發(fā)的傾斜，山區(qū)人行懸索橋的建設(shè)勢(shì)必會(huì)越來(lái)越多，而其抗風(fēng)穩(wěn)定性是亟需解決的一個(gè)問(wèn)題，需要在研發(fā)、設(shè)計(jì)、施工、管理等各方面進(jìn)行研究，特別是對(duì)于相關(guān)的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)方法需要更加深入的研究。該文通過(guò)對(duì)某景區(qū)人行懸索橋的案例分析，從主體結(jié)構(gòu)、附屬欄桿、橋面鋪裝、抗風(fēng)穩(wěn)定索的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，闡述了該橋在解決抗風(fēng)穩(wěn)定性方面所采用的一些實(shí)用技術(shù)措施，對(duì)今后其他山區(qū)人行懸索橋有一定的借鑒作用。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)斷面布置