会东县参鱼河景观人行吊桥设计

摘要：介绍会东县参鱼河景观悬索桥设计，谈了自己在设计计算过程。

关键词：有效宽度、承台、桩基、主缆、风缆等。

中图分类号：U412.37 文献标识码：A

会东县参鱼河景观人行吊桥效果图

一、工程概况

会东地处川滇两省六县（区）交汇之处，北距成都852公里、西昌229公里，西距攀枝花144公里，东距昆明440公里。全县幅员面积3227平方公里，有汉、彝、傈僳等27个民族，总人口40.73万人。会东县属中亚热带湿润季风气侯区。主要特点是日照时数多，多年平均日照数为2322.8小时，光热资源丰富，全年总辐射量为136.22千卡/cm2年，有效辐射为64.03千卡/cm2年。气候温和，四季不分明，无霜期279天，有霜期46天，冬暖无严寒，夏短无酷暑，四季如春，但昼夜温差大。蒸发旺盛，雨量集中，干湿季分明，多年平均降水量1058毫米，多出现在气温较高的夏秋季，雨热同季。会东县城位于金沙江支流参鱼河两侧，地势平坦，为提升城市品位，会东县政府积极引进民营资本，进行旧城改造，保利创投有限公司获得了体育场片区旧城改造项目，景观人行桥工程就属于该旧城改造的重要组成部分，我有幸承担该桥的设计任务。该桥是会东县城连接参鱼河东西两侧行人通过的重要交通枢纽，同时也是城市景观亮点，是东岸明珠广场和西岸连接的人行通道，与下游250余米距离的彩虹桥和上游320余米的跨河车行桥将县城两岸紧密地结合起来。

本桥采用悬索结构，主缆跨径80米，垂高7米，垂跨比1:1.4。主缆间距4.0米，桥面有效宽度3.6米，桥梁横跨参鱼河，桥下不通航，桥面底部高于既有河堤50厘米，最大洪水位参照上下游桥梁高程设计。根据桥位处地质情况，桥梁下部采用桩基加承台结构形式，每个承台下部设计4根桩基，桩基直径1.5米，钢筋混凝土承台厚度2.0米，索塔通过承台预埋螺栓与承台连接。为达到较好的景观效果，桥梁索塔采用钢结构，单个索塔由1根前臂、2根后臂、一块底板组成，前臂和后臂由Q390C钢板拼焊而成，钢板厚度100mm。主缆直接锚固与索塔中部，不设地锚，以免破坏明珠广场的景观效果。主缆上设置29对吊杆，吊杆系统直接连接主缆和桥面横梁。桥面用100mm厚木板拼接而成，木板通过螺栓与横梁连接。为防止桥面横向振动，全桥设置了4根风缆，风缆穿过桥面横梁工字钢的预留孔，两端锚于桥台承台上。

二、设计技术标准

设计荷载：人群5kN/m2

桥面布置：人行桥面净宽3.6米（不含栏杆）

桥梁结构的设计基准期：主结构100年（桥面木板25年）

桥梁结构设计安全等级：二级

三、桥梁结构设计

1、桥梁总体布置

本桥平面处于直线段内，桥面无竖曲线采用直线设置。主缆线形采用二次抛物线。

会东县参鱼河人行景观吊桥立面布置图

索塔采用钢结构，索塔下部采用承台和桩基础。

2、上部结构

本桥主缆采用成品钢丝绳，每束主缆由8根钢丝绳组成。桥面采用木板拼接而成，木板通过螺栓与吊杆系统连接。

横断面布置图

索塔布置图

3、下部结构

本桥在河道两侧设置两个索塔，索塔采用承台桩基础。

索塔平面布置图 桩基承台布置图

四、结构计算

（一）基本资料

1.设计荷载：人群荷载5.0KN/m2

2.桥面净宽：净3.6m

3.风力：x级，风压强度0.35 KN/m2

4、气 温：桥梁建造区内最高温度：t1=42℃；最低温度：t2=－4.1℃

5.规范： 《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)；

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004) ；

《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ 025-86)；

《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）；

《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ D63-2007）

6、主要材料： 本桥主缆采用36-6X19W+1WR钢丝绳，单根钢丝绳直径36mm，抗拉强度1870MPa，单根钢丝绳最小破坏拉力863KN。索塔采用Q390C钢材，索塔采用Q390C低合金钢螺栓与承台锚固。桥面横梁采用I20b工字型钢，吊杆采用φ25粗钢筋。

7.桥型布置

主跨：L=80m，垂高f=7.0m，f/L=1/11.4

吊杆间距：2m

主索中距：4m

抗风索：计算跨径59m

竖直夹角14.3°，水平夹角 20.4°

桥塔高度： 15.05m(承台以上部分)，理论锚固点高9.05。

（二）、桥面系的计算

1.计算资料

桥面系采用工字型钢横梁，木板纵梁，工字钢之间设置三角形加劲肋。

横梁间距2m，采用工20b

2.桥面系横截面布置

横梁全桥共29个工20b，横桥向布置18块木板，宽度3.6米，栏杆宽0.1m。

纵梁为2m的简支梁，因跨径很小，此处不详细计算。

横梁计算跨径为4m的简支梁

3.桥面系横梁内力计算

(三)横梁内力计算

(a)横梁截面几何特征值：

工字钢工20b的惯性矩I=2502cm4，截面抗弯模量W=250.2cm3，

(b)横梁有效跨径：

横梁跨径l=4m(吊杆间距)；

(c)作用于横梁上的荷载计算

作用于横梁上的恒载：

工字钢横梁单位长度重力：g1=0.3105KN/m

桥面木板单位长度重力：g2=3.6X0.1X10=3.6 KN/m

加劲肋每延米重力：g3=0.34KN/m

作用于横梁上的活载：

人群荷载作用下（每延米）：p= 3.6X5 =18KN/m

（d）横梁跨中弯矩计算

恒载及活载作用下横梁跨中弯矩：M=gL2/8=（0.3105X4+3.6X2+0.34X2）X42 /8=18.244KN.m

横梁的截面应力计算

横梁跨中截面应力：σ=M/W= 18.244/250.2X1000 = 72.9 Mpa

（四）、主缆的计算

1.基本数据

主跨：L=80m， f=7.0m

计算跨径：L1=L=80m

计算矢高：f1=f=7.0m

计算矢跨比：n1=1/11.4

主索在桥塔顶倾角：tgφ=1/2.8

2.主缆内力计算

(1)恒载计算（全桥）

横梁：31.05X4.2*29=3782kg=37.82 KN

桥面木板：3.6X59X0.1X1000=21440kg=212.4KN

栏杆：3958kg=39.58KN

主索重力：6659kg= 66.59 KN

吊杆重力：8714kg=87.14 KN

抗风索：1211kg = 12.11KN

加劲肋：1922kg=19.22KN

合计：∑g1 =474.86 KN

单边主缆恒载均布荷载：g=g1/80/2=474.86/80/2=3.0KN/m

(2)恒载作用下主索水平拉力

Hg=gL12/8/f1=3.0X80X80/8/7=342.9KN

(3)活载内力计算（满人荷载）

此处活载仅包括人群荷载，对专用人行桥梁，整体计算时人群荷载按《城市桥梁设计规范》算得每平米活载为3.7KN/m2，为安全起见，此处仍选取5.0KN/m2计算。

人群荷载(半桥横向分布系数0.5)：p=（0.5X4X5.0X59）/80=7.375KN/m

人群荷载作用下主索水平拉力：Hp=pL12/8/f1=7.375X80X80/8/7= 842.9 KN

主索总水平拉力：Hg+Hp=342.9+842.9=1185.8 KN

主索在索塔锚固处最大内力：1185.8/cos19.2°=1255.6KN

3.索的强度验算

本桥单边采用8根36-6X19W+1WR钢丝绳，单根钢丝绳直径36mm，抗拉强度1870MPa，单根钢丝绳最小破坏拉力863KN。以主索最大内力进行验算。

安全系数：8X863/1255.6=5.5>4(安全)

（五）、柔性悬索桥的扰度验算

1.温度及荷载作用下的主索挠度计算：

（1)温度变化下的主索伸长 St=atS

安装完毕时的温度：t0=20℃

主索长度(主跨范围)：S=79.271m

温度上升 St= atS= 0.0209m

温度下降 St= atS=－0.0229m

(2)荷载作用下主索弹性伸长 Sε=σk/ES

单边主缆钢丝绳的断面总面积：F= 8X0.00101787= 0.008143 m2

a.人群满布时弹性伸长：Sεp=Hp/F/S[L+16f2/3/L]/ES=0.066m

b.恒载作用时弹性伸长：Sεg=Hg/F/S[L+16f2/3/L]/ES= 0.027m

(3)主索伸长引起跨中矢高f的变化

由E.E.吉勃施曼所著《公路钢桥》P229公式可得：

f=15S/[16f/L[5-24(f/L)2]]= 2.2246XS

温度上升 f1=2.2246X0.0209=0.0465m

温度下降 f2= 2.2246X(－0.0229) =－0.0509m

活载作用时 f3=2.2246X0.066 =0.1468 m

恒载作用时 f4=2.2246X0.027 =0.0601 m

最不利情况：

活载作用和升温时 f主=0.1468+0.0465=0.1933m

本桥无边跨，故f边=0

3.在荷载作用及温度升高最不利情况下，主索及边索跨中矢高变化值为

f=f主+f边=0.1933+0 =0.1933 m

f/L=1/413.9

（六）、抗风索的计算

1.抗风索的形式及主要尺寸

在距桥中心30m的两横梁除设置抗风索，抗风索平面与水平面成14.3°角，抗风索与梁轴线竖直面成20.4°角。

2.抗风索的设计

(1)抗风索风力计算

a.横桥向迎风面积约76.7m2

b.风压强度

桥位处风压强度0.35KN/m2，风压力

w= 0.35X76.7/59= 0.455 KN/m2

(2)抗风索的设计

索的水平拉力 H=wL/2/sin20.4°=0.455X59/2/0.3486=38.504KN

索的最大拉力 T=H/cos14.3°=38.504/0.969=39.735KN

采用6x19W+IWR ∅36钢芯钢丝绳，破断拉力为863KN。

安全系数 K=863/39.735=21.7

风力为次要的可变荷载，对此已属安全。

（七）、吊杆、索夹的计算

1.基本数据

吊杆间距：d=2m

设计荷载：局部计算时人群荷载按5KN/m2考虑

2.吊杆承受的恒载内力

每对吊杆总重Rg=13.257KN

3.吊杆承受的活载内力

人群荷载 Rp= 3.6X5X2 = 36 KN

4.单根吊杆承受的恒、活载内力 R=（Rg+Rp）/2= 24.629KN

单根吊杆的设计抗拉力为80KN，已要求在施工安装前做吊杆系统抗拉试验，故吊杆的安全系数为K=80/24.629=3.25>2.0(安全)

（八）、索塔计算

1.本桥采用钢构件索塔，详细尺寸详见设计图。主缆直接锚固于索塔上，索塔受力简图如下：

由以上见图可知：索塔前臂受轴向最大压力为4895KN，单根后臂受最大拉力为1525KN。

2.前臂抗压强度验算：

前臂受压最小截面积为0.1061m2，前臂所受压应力为：

б=4895/0.1061=46135.7KPa=46.1MPa

2.后臂抗拉强度验算：

单根后臂受压最小截面积为0.1061m2，前臂所受压应力为：

б=1525/0.1061=14373.2KPa=14.4MPa

3.索塔抗剪强度验算：

偏于安全地考虑，假定主缆拉力的水平分力全部由锚固点以上焊缝传递给前臂，选取截面积最小的前后臂交界处验算抗剪强度，该处一根后臂承受的水平力为1186KN，该处截面积为0.1061m2。则该处剪应力为：

τ=1186/0.1061=11178.1KPa=11.2MPa

4.前后臂连接焊缝验算

偏于安全地考虑，假定主缆拉力的水平分力全部由锚固点以上焊缝传递给前臂，则焊缝承受的剪切力1186KN。焊缝长度为L=0.661m，焊缝的计算厚度为he=75mm=0.075m，采用的是双面焊。焊缝强度为：

Τf=1186/（0.661-2X0.1）/0.075/2=171511KPa=172MPa

5、前后臂与底板连接焊缝强度验算

因为前后臂与底板的接触面积和焊缝长度远大于前后臂相互连接的接触面积和焊缝长度，由以上4点可推知：前后臂也底板的连接抗拉及抗剪强度远小于以上计算值，满足要求，此处不详细计算。

6、索塔底板与承台连接螺栓的抗剪强度验算

由以上计算得知：索塔受总水平拉力2398KN，水平力在底板底面作为剪切力由螺栓传递到承台，每个桥台处设置了68颗φ50螺栓，材质为Q390C。由Q390C钢材的力学性能算得每颗螺栓的抗剪力设计值为200KN。

螺栓的实际承受剪切力为：τ=2398/68=35.3KN

7、索塔底板与承台连接螺栓的抗拉强度验算

由以上计算得知：索塔单根后臂受拉力1525KN，该拉力由螺栓以抗拉力的形式传递到承台，每个桥台处设置了68颗φ50螺栓，材质为Q390C。偏于安全地假定后臂的拉力有就近的10颗螺栓承受，由Q390C钢材的力学性能算得每颗螺栓的抗拉力设计值为370KN。

螺栓的实际承受拉力为：σ=1525/10=152.5KN

综合以上各项计算得知：本桥各项验算满足相关要求。

桩基采用桥梁通软件设计，这里就不累述了。

结束语：

会东县参鱼河景观人行吊桥，连接会东现场东西两岸，结合体育场片区旧城改造工程，作为一个景观工程，给城市增加一个亮点，同时给市民休闲提供一条便利通道，河西岸有美丽的明珠广场，河东岸为中心城区。建成之后，提升了会东县城城市品位，同时对开发攀西片区阳光旅游资源起到非常积极的作用。