大跨度人行悬索桥抗风缆经济化设计的研究_徐自然.pdf

第 20 卷 第 2 期2023 年 2 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 2February 2023大跨度人行悬索桥抗风缆经济化设计的研究徐自然1,2，何旭辉1，朱朝银3，乔秋衡2(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410200；3.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004)摘要：空间抗风缆是提高大跨度人行悬索桥刚度的常用结构，其用钢量较高(普遍超过主缆用钢量的30%，甚至超过60%)，对工程造价影响较大。为设计经济合理的抗风缆结构，依据国内现行规范分析结构强度、刚度、抗风稳定性等静动力特性控制指标要求，从结构总体布置参数拟定、静力分析选型、抗风稳定性验证等方面普适性地阐述满足静动力指标要求的抗风缆设计流程，并深入研究抗风缆总体布置中理论倾角及矢跨比选取、结构选型中初始截面尺寸及初张拉力拟定、抗风稳定性中动力特性参数影响等方面的关键技术要点。为详细展示实际工程中经济合理的抗风缆设计过程，以某峡谷景区300 m主跨人行悬索桥为工程实例，按普适性设计流程初拟多种抗风缆结构方案，经全桥有限元理论分析及节段模型风洞试验比选验证后选出经济性相对较好的抗风缆布置方案；抗风缆系统理论斜面水平夹角为30，理论矢跨比为：1/12，单侧抗风主缆采用7根直径D52 mm钢丝绳(655SWS+IWR)，用钢量约为主缆的58%，抗风缆强度及全桥整体结构刚度满足静力设计指标要求，全桥结构的静风稳定性及颤振稳定性满足规范要求。研究成果可为后期类似项目设计提供参考。关键词：人行悬索桥；抗风缆；经济化设计；设计流程；静力验算；抗风稳定性中图分类号：U44 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）02-0620-08Study of economic design of wind-resistant cables for large-span pedestrian suspension bridgesXU Ziran1,2,HE Xuhui1,ZHU Chaoyin3,QIAO Qiuheng2(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.Hunan Provincial Communication Planning,Survey&Design Institute Co.,Ltd.,Changsha 410200,China;3.China Construction Fifth Engineering Division Co.,Ltd.,Changsha 410004,China)Abstract:The spatial wind-resistant cable is a common measure to improve the stiffness of large-span pedestrian suspension bridges.The amount of steel used in wind-resistant cables is generally high and can exceed 30%or even 60%of the steel used in the main cable,which significantly impacts the engineering cost.In order to design an economical and reasonable wind-resistant cable of pedestrian suspension bridges,this paper first analyzed the 收稿日期：2022-03-11基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(51925808)；湖南省交通科技进步与创新项目(201437)通信作者：何旭辉(1975)，男，贵州遵义人，教授，博士，从事桥梁抗风与监测评估研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220451第 2 期徐自然，等：大跨度人行悬索桥抗风缆经济化设计的研究control index of static and dynamic properties in conjunction with the current domestic design codes,such as strength,stiffness,and wind resistance stability.Then,the design process was universally amplified in terms of general arrangement,static computation,and wind resistance stability analysis.This paper investigated the key technical points about the dig angle and rise-span ratio,initial cross section and tensioning force of wind-resistant cable,and the influence of dynamic property.A pedestrian suspension bridge with a main span of 300 m at a scenic canyon area was chosen as the projects background to demonstrate the process of wind-resistant cable design.According to the generic design process of multiple structure options,the horizontal angle of the wind-resistant cable was 30 with a span ratio of 1/12 by considering the results from finite element analysis of bridge structures and corresponding sectional model wind tunnel tests.The wind-resistant cable adopted wire rope with a diameter of 52 mm(655SWS+IWR),and the amount of steel used was approximately 58%of the main cable.The static design indices of the strength of the wind-resistant cable and the structural stiffness of the bridge structure,as well as the static wind stability and flutter stability,satisfy the specification requirements.The study can provide a reference for the design of similar projects in the future.Key words:pedestrian suspension bridges;wind-resistant cables;economical design;design process;static computation;wind resistance stability 近年大跨度人行悬索桥在旅游景区中得到广泛建设。目前国内外已建成多座大跨度人行索桥，如葡萄牙阿罗卡516人行吊桥(跨径516 m)1、瑞士欧洲之桥(跨径494 m)、河北平山县红崖谷玻璃吊桥(跨径 488 m)、山东临沂蒙山人行悬索桥(跨径420 m)2、张家界大峡谷人行桥(主跨 375 m)3等。与公路悬索桥相比，人行悬索桥具有宽跨比小、结构刚度小、风荷载及人致振动效应显著等特点。为保证大跨度人行悬索桥满足正常使用及抗风稳定性的要求，空间抗风缆是一种常用的结构措施，该措施已在国内外诸多大跨度人行悬索桥中成功使用。已有研究表明空间抗风缆可视为作用于基本结构体系上有刚度的弹簧支撑，支撑刚度对桥梁结构静动力特性有显著的影响49。张拉后的空间抗风缆可提高结构整体刚度、减小荷载作用下结构竖向及横向变形；同时能大幅提高结构各关键振型频率，增强整体结构的静风稳定性及颤振稳定性，满足宽跨比极小条件下的抗风稳定性要求。抗风缆的工程造价与地形条件、荷载集度及结构形式等因素相关。根据部分国内已建人行悬索桥的调查资料，大跨度人行桥抗风缆的钢材用量约为主缆的30%40%，个别的甚至超过60%，见表1。因此，根据实际建设条件设计经济合理的抗风缆结构对控制工程造价具有重要意义。本文结合现行设计规范，以桥梁结构静动力特性指标为评判基准，分析大跨度人行悬索桥抗风缆设计的关键要点，阐述抗风缆设计关键流程，并以一座主跨300 m的人行悬索桥为工程背景，系统地介绍其抗风缆设计全过程。1 设计控制指标根据项目自然建设条件确定设计基本参数后，结合规范要求可明确结构设计中的控制指标参数。目前尚无适用于景区人行悬索桥建设的通用规范或标准10。可用于参考的设计规范主要有公路悬索桥设计规范(JTG/T D65-05)、河北省地方表1 抗风缆与主缆材料比例Table 1 Material ratio of wind-cables to cables桥名红崖谷玻璃吊桥巴山大峡谷玻璃桥山东蒙山人行桥连州登云人行桥秦皇岛祖山人行桥株洲攸县水云桥溆浦大江口人行桥钢材用量主缆/kg98 124116 794186 136123 967245 160350 478230 481抗风缆/kg27 45141 80273 24684 15777 41970 87066 331抗风缆/主缆0.2800.3580.3940.6790.3160.2020.288主跨跨径/m488450420380360338310621铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月标准景区人行玻璃悬索桥与玻璃栈道技术标准(DB13(J)/T 264)、景区人行悬索桥工程技术规程(CECS，征求意见稿)、公路桥梁抗风设计规范(JTG/T 3360012018)；国外主要有德国人行桥设计指南EN032007。参考国内现有规范，人行悬索桥抗风缆设计需重点关注的静动力特性指标包括：1)抗风缆结构强度指标；2)加劲梁竖向挠度指标(偏安全的按河北地标要求人群荷载作用下不大于计算跨径的1/400)；3)加劲梁横向位移指标(风荷载作用下不大于跨径的1/150)；4)整体结构抗风稳定性指标(如静风稳定性、颤振稳定性等)。此外，大跨度人行悬索桥结构频率低且分布密集，增设抗风缆虽可提高结构频率，但仍难以达到城市天桥结构中的基频，人致振动问题无法避免。目前通常综合利用空间抗风缆及减振阻尼器来控制人致振动响应1112，并辅以加强人流量管理，以满足热点景区行人舒适度需求；综合措施中的阻尼器抑振效率远高于抗风缆，减振阻尼器的合理布置是解决行人舒适度的关键。因此，本文抗风缆经济性设计研究过程中不考虑人行舒适度评价指标。2 设计关键流程大跨度人行悬索桥空间抗风缆设计是一个循环设计以寻求经济合理方案的过程，该过程主要包含3个大步骤：1)总体布置选择；2)结构静力分析选型；3)抗风稳定性