莫靖 李睿 岳俊歡 劉坤

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

云南某些地區(qū)水流湍急、峽谷深邃，為解決處于深山峽谷和山川河流之間交通通行的問題，需要修建大量的人行橋[1]。而人行柔性吊橋因其跨越能力強(qiáng)、造型美觀等特點(diǎn)，成為云南地區(qū)較受青睞的橋型[2]。

人行柔性吊橋的橋面凈寬有限，隨著跨徑的增加，寬跨比隨之減小，當(dāng)人流量較大時(shí)，行人過橋途中，不會(huì)主動(dòng)沿著橋中線行走，偏載作用明顯[3]。若橋梁橫向穩(wěn)定性差，當(dāng)行人偏于一側(cè)過橋時(shí)，橋面會(huì)產(chǎn)生較大的橋面橫坡，引起行人的緊張感；當(dāng)橋面出現(xiàn)更嚴(yán)重的偏載時(shí)，甚至可能導(dǎo)致橋面系扭轉(zhuǎn)而傾覆[4]。

人行柔性吊橋的橋面系一般采用橫梁懸掛于吊桿下方，然后在橫梁上布置縱梁及橋面板。橋面所有荷載傳遞到橫梁，再由橫梁傳遞到主纜[5-6]。橋面系往往布置于橫梁中間，橫梁兩邊還有部分不布置橋面系，甚至懸挑出吊桿外，以確保橋面系的穩(wěn)定性[7-8]。在橋面寬度不變的情況下，橫梁的長(zhǎng)度變化，主要取決于橫梁懸挑的長(zhǎng)度和空置長(zhǎng)度。參照索道橋的橫梁布置對(duì)其側(cè)傾的影響研究，發(fā)現(xiàn)橫梁結(jié)構(gòu)形式的不同，對(duì)橫向的穩(wěn)定作用確實(shí)有一定的差異[9-10]，橫梁間距更是影響局部橫向傾斜的主要原因[11-12]。對(duì)于柔性吊橋，大多是針對(duì)橫梁的結(jié)構(gòu)形式、橫梁安置的間距的優(yōu)化進(jìn)行研究，但我國(guó)目前還沒有出臺(tái)有關(guān)柔性吊橋的規(guī)范和文獻(xiàn)，這使得設(shè)計(jì)施工過程中沒有依據(jù)可循。綜上所述，本文以云南某人行柔性吊橋?yàn)槔?，在確定橫梁結(jié)構(gòu)形式和橫梁布置間距的基礎(chǔ)上，分別對(duì)橫梁懸挑長(zhǎng)度和空置長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，分析這2個(gè)參數(shù)對(duì)吊橋橫向坡度B至橋面的抗傾覆能力的影響。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

云南某橋，為主跨跨徑L=96 m的人行柔性吊橋，主索采用拋物線形，矢高f=9.6 m，矢跨比為f/L=1/10，橋面凈寬4.0 m，原橋橫梁懸挑長(zhǎng)度L1=0.2 m，空置長(zhǎng)度(吊桿到邊縱梁的距離)L2=0.3 m。橋梁中線立面如圖1所示。

圖1 橋梁中線立面(單位：cm)

主纜、吊索采用ZAA6×36WS+IWR高強(qiáng)鍍鋅鋼絲繩，其公稱抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa；橋面系縱梁為(180×100×6) mm矩形鋼梁，橫梁為(300×200) mm矩形鋼梁，頂板厚度16 mm，腹板厚度10 mm，次橫梁為(80×80×5) mm矩形鋼梁，鋼材均為Q345D；橋面板采用12+1.90PVB+12+1.90PVB+12鋼化夾層玻璃，橋梁橫斷面見圖2所示。

圖2 橋梁橫斷面(單位：cm)

1.2 計(jì)算建模

利用有限元軟件對(duì)人行柔性吊橋建立整體空間模型，主纜、吊桿采用索單元進(jìn)行模擬，縱梁、橫梁、索塔采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，橋面板采用板單元進(jìn)行模擬。索塔底部、錨錠進(jìn)行固結(jié)，索鞍采用剛性連接模擬，橋梁整體模型見圖3。

圖3 整體模型

模型中已建立的單元的恒載自重系數(shù)取-1，橋梁其余構(gòu)造重量(例如索夾重量、護(hù)欄重量、螺栓重量等)均作為壓力面荷載施加于橋面板上；活載主要考慮3.5 kN/m2的人群荷載。為模擬人群偏載情況，在橋面一側(cè)的半橋?qū)挿秶贾?.5 kN/m2的人群荷載，另一側(cè)空載，使橋面在荷載作用下產(chǎn)生最大的橋面橫坡。為判斷2個(gè)參數(shù)(L1為橫梁懸挑的長(zhǎng)度，L2為空置長(zhǎng)度)分別對(duì)橋面抗傾覆的影響(參數(shù)示意見圖4)，采用控制變量法，單獨(dú)改變L1和L2其中一個(gè)變量，此時(shí)橋面橫坡也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，由此判斷兩種方法對(duì)橋面抗傾覆的的影響程度。需注意由于L1和L2長(zhǎng)度的改變，均會(huì)導(dǎo)致橋梁恒載的改變，在模型中需要對(duì)荷載進(jìn)行調(diào)整，偏載作用下變形圖見圖5。

圖4 參數(shù)示意

圖5 偏載作用下變形

2 計(jì)算結(jié)果及對(duì)比分析

2.1 橫梁懸挑長(zhǎng)度對(duì)柔性吊橋抗傾覆的影響

通過圖5可知，豎向撓度和橫坡?lián)隙炔钭畲蟮奈恢冒l(fā)生在橋跨1/4和3/4處(最不利處)，現(xiàn)保持L2為0.3 m不變，改變L1的長(zhǎng)度，設(shè)定L1從0 mm增加到1 000 mm，計(jì)算橋面最不利處在偏載作用下的橫坡變化，從而分析橫梁懸挑長(zhǎng)度對(duì)橋面抗傾覆的影響。

橫梁懸挑長(zhǎng)度對(duì)偏載作用下橋面橫坡的影響如表1所示，懸挑長(zhǎng)度對(duì)偏載作用下的橋面橫坡影響曲線如圖6所示。

表1 懸挑長(zhǎng)度作用效果表

圖6 懸挑長(zhǎng)度對(duì)橋面橫坡的影響曲線

增加橫梁的懸挑長(zhǎng)度，實(shí)際上是通過增加橋梁的“自重剛度”來提高橋梁的抗傾覆能力，因此需要使自重達(dá)到一定的重量，才能起到抗傾覆的效果。由表1及圖6可知，在空置長(zhǎng)度為0.3 m不變時(shí)，隨著懸挑長(zhǎng)度從0 mm逐漸增大到1 000 mm，加載側(cè)豎向撓度由855.75 mm增大到904.8 mm，又減小到873.87 mm，偏載作用下的橋面最大橫坡從3.44%逐漸增加到3.61%，然后又減小到3.44%。由此判斷：橫梁懸挑長(zhǎng)度在0～1 000 mm內(nèi)變化時(shí)，橋面橫坡改變不明顯，甚至?xí)?dǎo)致橫坡變大。通過增加橫梁懸挑長(zhǎng)度來保證其抗傾覆能力效果較差，甚至起到反效果。

2.2 空置長(zhǎng)度對(duì)柔性吊橋抗傾覆的影響

保持L1為0.2 m不變時(shí)，改變L2的長(zhǎng)度，設(shè)定L2從0 mm增大到1 000 mm，計(jì)算橋面最不利處在偏載作用下的橫坡變化，從而分析橫梁懸挑長(zhǎng)度對(duì)橋面抗傾覆的影響。

空置長(zhǎng)度對(duì)偏載作用下橋面橫坡的影響如表2所示，空置長(zhǎng)度對(duì)偏載作用下的橋面橫坡影響曲線如圖7所示。

表2 空置長(zhǎng)度作用效果表

圖7 空置長(zhǎng)度對(duì)橋面橫坡的影響曲線

增大空置長(zhǎng)度的距離，在增大“自重剛度”的同時(shí)，可以充分提升纜索初應(yīng)力對(duì)剛度的作用，從而提高橋梁的抗傾覆能力。由表2及圖7可知，在橫梁懸挑長(zhǎng)度L1為0.2 m不變時(shí)，隨著L2的增大，加載側(cè)豎向撓度由946.33 mm減小到869.14 mm。偏載作用下的橋面最大橫坡，當(dāng)L2在0～400 mm內(nèi)增大時(shí)，橫坡迅速由3.77%減小到3.21%；當(dāng)L2在400～800 mm內(nèi)增大時(shí)，橫坡緩慢由3.21%減小到3.16%；當(dāng)L2在800～1 000 mm內(nèi)增大時(shí)，橫坡由3.21%迅速減小到2.86%。由此判斷：空置長(zhǎng)度在0～1 000 mm內(nèi)逐漸增大時(shí)，橋面橫坡均會(huì)減小，且在0～400 mm和800～1 000 mm內(nèi)減小效果最為明顯，因此通過增加空置長(zhǎng)度來保證其抗傾覆能力是有效的。

2.3 橫梁長(zhǎng)度對(duì)橋面抗傾覆能力的影響分析

在橫梁長(zhǎng)度相同的情況下，將懸挑長(zhǎng)度和空置長(zhǎng)度對(duì)橋面橫坡的影響進(jìn)行了直觀的對(duì)比分析，橫梁長(zhǎng)度-橋面橫坡影響曲線如圖8所示；同時(shí)，不能只關(guān)注橋面的橫向坡度，對(duì)加載側(cè)的豎向最大撓度也需要進(jìn)行綜合考慮，橫梁長(zhǎng)度-豎向撓度影響曲線如圖9所示。

圖8 橫梁長(zhǎng)度對(duì)橫坡的影響曲線

圖9 橫梁長(zhǎng)度對(duì)偏載側(cè)最大撓度的影響曲線

在橋面凈寬不變的前提下，增大懸挑長(zhǎng)度，會(huì)使橋面橫坡增大，無法提高橋面抗傾覆能力；而增大空置長(zhǎng)度，可減小橋面橫坡，且在橫梁總長(zhǎng)為4 400～5 200 mm和6 000～6 400 mm內(nèi)減小效果最為突出。偏載側(cè)的豎向最大撓度也會(huì)隨著橫梁長(zhǎng)度的影響而變化，增大橫梁的懸挑長(zhǎng)度，使橫梁總長(zhǎng)在4 000～5 000 mm時(shí)，相比于增大空置長(zhǎng)度，偏載側(cè)的豎向最大撓度更?。辉龃罂罩瞄L(zhǎng)度使橫梁總長(zhǎng)在5 000～6 600 mm時(shí)，相比于增大懸挑長(zhǎng)度，偏載側(cè)的豎向最大撓度更小。

總體來說，當(dāng)橫梁長(zhǎng)度較小時(shí)，增大懸挑長(zhǎng)度對(duì)減小豎向撓度效果明顯，但在兼顧減小橋面橫向坡度的條件后，即需要增加橫梁長(zhǎng)度后，2個(gè)參數(shù)對(duì)豎向撓度的影響效果差距不大。

3 結(jié)論

以云南某人行柔性吊橋?yàn)槔糜邢拊浖?duì)全橋建立模型，在橋?qū)挷蛔兊那疤嵯拢紤]人群偏載作用下，綜合考慮橫梁懸挑長(zhǎng)度和空置長(zhǎng)度對(duì)橋面橫向坡度和豎向最大撓度的影響，進(jìn)而對(duì)吊橋的抗傾覆能力進(jìn)行探討分析，現(xiàn)得出以下結(jié)論：

(1)懸挑長(zhǎng)度在0～1 000 mm內(nèi)增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致橋面橫坡的增大。增加橫梁的懸挑長(zhǎng)度，不一定能增加其抗傾覆能力，甚至起到反效果。

(2)空置長(zhǎng)度在0～1 000 mm內(nèi)增大時(shí)，會(huì)使橋面橫坡逐漸減小，空置長(zhǎng)度在0～400 mm和800～1 000 mm內(nèi)增大時(shí)，橋面偏載橫坡的減小效果最明顯。因此，通過增加空置長(zhǎng)度來保證其橋面的抗傾覆性是有效的。

(3)當(dāng)橫梁總長(zhǎng)達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，2個(gè)參數(shù)對(duì)橋面豎向最大撓度的影響效果差距不大。

(4)綜合比較后，在橋面凈寬不變的前提下，適當(dāng)增大橫梁的空置長(zhǎng)度，會(huì)使其橋面橫坡減小的效果更明顯，橋面抗傾覆能力更強(qiáng)。