同升湖悬索桥的设计
2018-01-22
1工程概况
某湖人行桥位于旅游休闲区内，是一座主跨为150m，全长192m的4跨连续式悬索钢桥。其跨径组成为：18m+10.35m+150m+13m。人行桥一跨跨过宽阔的湖面，连结着两岸的青山。白天，桔红色的钢梁倒映在绿色的水面，夜晚，桥面上七彩的灯光形成一道五彩缤纷的彩虹，非常富有时代气息。结构轻盈，美观大方，与周围景色十分协调。本桥桥宽3.74m，‘П’钢梁高0.75m。桥面板采用9cm厚、25cm宽的C30混凝土预制板，板间间距2.5cm。主桥塔高29.5m，主缆矢跨比为1/8。
2 设计构思
由于选定桥位处湖水较深，且该湖本身为一大型水库，水体必须得到保护。故我们在进行人行桥方案设计时只提出了中承式拱桥、悬索桥及单塔斜拉桥等几个跨径大、造型优美的方案。考虑到与地形地貌的配合，各方案桥型的特点，虽然悬索桥造价相对最高，但从景观设计的角度来看，悬索桥建成后的造型最优美，在建设方的大力支持下，最后选择了悬索桥为实施方案。为了跨越湖畔的两条道路以及施工的方便，最终跨径组成为18m+10.35m+150m+13m，四跨连续。其总体布置、主梁横断面及桥墩平面。
3 静力计算及构造设计
由于悬索桥为索结构，属于非线性体系，一般的平面线性结构分析程序如QJX等无法对其进行计算。基于本单位的实际情况，我们一方面采用平面计算，解决静力方面的问题，确定各个构件的尺寸、配筋、钢板厚度等。另一方面与科研单位、大专院校联合，着重解决动力性方面如抗风、抗震等问题。
由于钢梁单位重量较轻，本桥的活恒比大于1且绝对值偏小，计算时发现恒载索力很小，全桥的重力刚度很小。不得已放弃了方案设计时准备采用的木制桥板，改为9cm厚、25cm宽的C30混凝土预制板以增大恒载索力和重力刚度。预制板用两颗M18螺栓与钢梁连结。预制板与钢梁接触面上涂抹了沥青油膏以保护钢梁的涂装。
活恒比大于1且绝对值偏小带来了两个问题。一是结构设计难度增加。后来从有关资料可知塞文桥活恒比仅0.19，恒伯尔桥活恒比仅0.25，博斯普鲁斯海峡二桥活恒比为0.26。桁架式加劲梁由于梁高的关系虽活恒比较大，但其刚度较大可作弥补。二是大量行人在桥上行走时产生的主梁的晃动及振动。英国切斯特尔的一座总跨径大约100m的Groves悬索桥在1977年一次划船比赛时，大量激动的人群涌到桥上，结果发生了比较大的晃动。最近的例子是伦敦横跨泰吾士河的千年桥在开放日因人流过大而出现的没有预见到的横向晃动，不得不关闭进行加固。因此我们也进行了一些这方面的探讨。最后的我们采取的措施是：利用抗风缆与主缆平面形成一个小的夹角，产生水平力来加强横向约束。同时另外预留了位置来加大抗风缆与主缆平面的夹角，以增加抗力。同时请管理单位在两个桥头设置了比较醒目的告示牌，对一些“恶意”行为作了限制。
悬索桥的两根主缆是主要的受力构件，其安全关系到全桥的安全，且无法更换。参照国内外的一些成功经验，我们选用了厂制斜拉桥专用拉索及配套锚具，按斜拉索国标生产，安全系数K≥3.0。出厂前按规定预拉。吊索采用优质中15.2无粘结预应力钢绞线，并考虑了更换的可能，其间距为375cm。索夹具采用45号铸钢制造。‘П’型钢梁高75cm，中心距350cm，采用国产16Mnq优质钢材，钢板厚均为1cm。为增大主梁的抗扭刚度，横隔梁间距加密至187.5cm。桥台采用C25砼，桥塔、横梁、锚碇及桥墩采用C30砼，塔顶鞍座下1m高范围采用了C30钢纤维砼，其它按规范要求进行设计。
4 风致振动的抗风设计
由于本桥梁高与跨径比为1/200，宽跨比为1140，均超过≤公路桥涵钢结构及木结构设计规范≥(JTJ025-86)第1.5.34条中的规定。由于活恒比大于1且恒活载绝对值较小，对风致振动比较敏感，而上述指标与结构稳定性密切相关，因此我们对本桥抗风设计比较重视。
根据≤公路桥涵设计通用规范≥(JTJ021-89)中全国基本风压分布图，该地区的基本风压为500Pa，推算出相应的基本风速为.Ulo=23.6m/s。作||类场地及高度修正(Z=8.12m)后，100年重现期桥梁设计基准风速Ud=22.8m/s，50年重现期桥梁设计基准风速Ud=21.7m/s。
根据≤公路桥涵抗风设计指南≥计算可得50年重现期颤振检验风速Uα=35m/s，驰振检验风速U∽α=28m/s。
采用Ansys空间有限元动力分析程序分析表明，成桥状态下一阶对称扭转频率为0.5458Hz，一阶反对称扭转频率为0.4071HZ；一阶对称竖向弯曲频率为0.3820HZ；一阶反对称竖向弯曲频率为0.29676 HZ；由≤公路桥涵抗风设计指南≥6.1.5条，其颤振安-全等级可根据下式判断。
minT ho-1=[Uα]/ffB=35/0.4071/3.90=22.0446＞7.5
参照≤公路桥涵抗风设计指南≥6.1.5.1条，同升湖桥颤振安全等级为IV级，必须采取抗风措施，并进行全面的节段模型试验、气动选型、颤振分析。
同济大学土木工程防灾国家重点实验室承担了主桥抗风稳定性实验及分析研究，主要是采用节段模型风洞试验。按相似性原理节段模型缩尺比为1/17，长宽比取4，试验在实验室TJ-2号边界层风洞进行。第一步，进行动力特性分析及各种气动参数的测定。第二步，通过节段模型风振稳定性检验同升湖大桥的风振性能。结果在a=3°迎角下，75 m/s时发生扭转颤振。在a=0°及a=-3°迎角下，27m/s及38m/s时发生竖向驰振，且a=0°时状态极不稳定，对风攻角极为敏感，稍有扰动立即发散，因此本桥不能满足抗风稳定性的要求。但试验表明在自然风场中本桥不会发生扭转涡振。
为了满足抗风稳定性的要求，我们拟定了三种改善方案作比选。①在原设计断面上增加导风板或在腹板上开导风孔②在原设计结构上增加抗风缆③在原设计结构上增加抗风缆及中央扣。
方案一、在a=0°，a=3°及a=-3°迎角下，成桥状态下颤振临界风速分别为25m/s，25m/s和18m/s。试验表明，在原设计断面上增加导风板或在腹板上开导风孔不能满足抗风稳定性的要求。但导风孔可降低静风压力。
方案二、在a=0°迎角下，成桥状态下弛振临界风速为29m/s，稍大于驰振检验风速Ucg=28m/s。试验表明，此状态极不稳定，对风攻角极为敏感，稍有扰动立即发散。故在原设计结构上增加抗风缆依然不能满足抗风稳定性的要求。
方案三、在a=0°迎角下，成桥状态下弛振临界风速为41m/s，大于驰振检验风速Ucg=28m/s，可以满足抗风稳定性的要求。于是我们按方案三实施。
后来通过我们在春夏两季对几次大风时的观测以及在桥上的亲身体验，可以明显发现有、无抗风缆的差别。无抗风缆、5∽6级风时，主梁有明显的竖向波浪位移，且横向位移达10cm以上。十几个人在桥上行走时就有较大的振动感。给人感觉不好。加了抗风缆后上述现象基本消失了，证明了抗风缆的设置的确提高了同升湖大桥的抗风稳定性。
5 钢梁防腐处理
5．1涂层体系的选配
钢梁外壁是指顶底板和腹板的外表面。由于这些板的外表面暴露在大气中，是钢梁最容易腐蚀的地方。但其表面平滑，便于涂装施工。本桥根据大气环境条件和使用要求，采用比较先进的长效多层油漆体系对钢梁外壁实施保护。
5．2油漆涂装的时机和方法
钢梁各层涂漆是在梁节段制作完工后，吊装之前在全天侯的厂房内进行。最后一道面漆是在钢粱整体化焊接成桥后，利用支架在跨间露天进行。
5．3涂装施工
涂装施工主要包括表面处理、涂装、成膜、干燥和固化等过程。涂膜的质量与表面处理好坏、涂料调配方法、涂装方法、涂装环境、涂膜干燥和固化方法等因素密切相关，其中表面处理好坏对防腐涂装的效果及耐久性影响最大。而且是性能越优良的涂料，对表面处理的好坏程度越敏感。因此我们专门为涂装施工制订了施工要求，并要求施工单位严格遵守。
6施工过程
本桥施工采用节段法施工，利用缆吊吊装主缆、主梁及砼桥面板。施工顺序如下①采用人工挖孔的方法施工桥塔桩基础，其它墩及锚锭基础则采用明挖施工②施工砼桥台、桥塔、桥墩及锚碇。同时在工厂内焊接、组拼主梁节段，并对钢构件作初步防腐处理。在预制场预制砼桥面板。在主缆制造厂制造主缆、吊索及索夹具并在厂家做热镀锌处理，外涂防锈漆③待各构件砼强度达到100％后开始安装主梁。主要吊装设备是一台2(吨)200m跨径的单跨缆索吊机。首先安装主缆，吊索及索夹具。然后从跨中向两边桥塔吊装梁段，节段间临时铰接，安装完后再按吊装顺序焊接成形。安装的关键是确定安装前跨中主缆的高程。经过我们大量的计算，加上施工单位的紧密配合，精心组织，最后跨中高程与设计值仅差4cm④对钢结构进行后期防腐处理，安装砼桥面板、栏杆、桥台伸缩缝及抗风缆。其中抗风缆的安装比较复杂，首先对用作抗风缆的钢丝绳作一次予张拉，消除其大部分松弛。安装抗风主缆及吊杆后，按设计要求对抗风主缆分级施加200(KN)张力，在张拉过程中，对桥面标高的变化作了同步观测。最后调整各吊杆长度至计算值⑤验收，交付使用。
7成桥试验
全桥所有构件安装完毕后，在施工单位的配合下，我们做了一次简单的成桥试验。用一台5(KN)重的推车从桥的一端匀速地移到桥的另一端，分别测量主梁上八点的位移。主梁最大的位移是推车在跨中的时候，约2(cm)。试验结果令人满意。
8结语
8．1悬索桥作为一种软索结构，抗风设计非常重要，而本桥尝试着利用索结构来满足高跨比1/200、宽跨比达1/40、活恒比大于1的悬索桥抗风稳定性的要求，目前国内也不多见，效果明显。具有较高的研究水平和科研价值，处于国内先进水平。
8．2对于类似于悬索桥等柔性结构，行人的行走行为对结构的影响需作进一步研究。
