周祥乾

（珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 珠海 519000）

0 引 言

山地步道作為慢行系統(tǒng)的重要組成部分，拓展了城市空間，豐富了城市體驗(yàn)，受到市民的青睞。鳳凰山山地步道項(xiàng)目位于香洲區(qū)鳳凰山森林公園東南部，西接香山湖公園，東至海天公園，南依梅華路，北鄰大鏡山水庫，全長約8.6 km。項(xiàng)目周邊已建成香山湖公園、香山驛站、石溪公園、大鏡山社區(qū)體育公園、海天公園等城市公共空間，是市民重要的休閑目的地。山地步道串聯(lián)起了城市景點(diǎn)，延伸了慢行空間，起到了良好的社會效益。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

山地步道項(xiàng)目其中一處采用了螺旋吊橋的落地方式。螺旋吊橋主梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，梁高0.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段橋梁寬3 m，底板寬0.65 m，箱梁頂板厚14 mm，底板厚12 mm，腹板厚16 mm，箱梁內(nèi)頂?shù)装逶O(shè)置5道縱向板肋，主梁橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距1.5 m 布設(shè)，支點(diǎn)橫隔板厚10 mm。電梯豎塔由直徑6 m 的混凝土筒體組成，高度44.5 m，螺旋吊橋共7.5 圈，中心線直徑分別為20 m 和15 m，坡度為1∶12。螺旋吊橋由水平的撐桿和斜向的拉、壓桿與中間混凝土電梯塔筒相連。為了避免人行過程中結(jié)構(gòu)沿環(huán)形切向的晃動，吊桿和撐桿采用星形布置。電梯塔筒壁厚450 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C40，筒身內(nèi)置型鋼勁性骨架（見圖1、圖2）。

圖1 螺旋吊橋總體布置圖（單位:cm）

圖2 撐桿及拉壓桿布置圖

2 結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算

螺旋吊橋縱向計(jì)算可以理解為曲率較大的彎橋建立梁單元進(jìn)行分析，以下是相關(guān)計(jì)算和結(jié)果。

2.1 計(jì)算荷載取值

根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69—1995）、《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）取值。

2.1.1 永久作用

結(jié)構(gòu)自重、鋪裝、欄桿等。

2.1.2 可變作用

2.1.2.1 人行荷載效應(yīng)根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ 69—1995）中3.1.3.2 條計(jì)算人群荷載取值。

2.1.2.2 整體升、降溫

珠海平均氣溫21.8℃，極端最低氣溫-1.3℃，極端最高氣溫36.7℃。結(jié)合《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）4.3.12 條溫?zé)岬貐^(qū)剛橋面板鋼橋，最高溫度46℃，最低溫度-9℃。結(jié)構(gòu)落架基準(zhǔn)溫度約20℃，計(jì)算考慮整體升溫25℃，整體降溫-25℃。

2.1.2.3 風(fēng)荷載

螺旋吊橋位于山谷，考慮向上的風(fēng)吸和向下的風(fēng)壓作用。

2.2 荷載組合

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）

4.1.5 條進(jìn)行承載能力基本組合、正常使用標(biāo)準(zhǔn)組合。

2.3 計(jì)算模型

采用Midas Civil 2020 軟件建立三維梁單元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算模型見圖3 所示。

圖3 計(jì)算模型

2.4 靜力計(jì)算分析

2.4.1 應(yīng)力驗(yàn)算

基本組合下鋼箱梁最大正應(yīng)力為81.1 MPa，上撐桿最大正應(yīng)力為141.2 MPa，下?lián)螚U最大正應(yīng)力為214.4 MPa，均小于270 MPa；上拉桿最大正應(yīng)力為199.1 MPa，小于520 MPa。滿足規(guī)范要求。

2.4.2 變形驗(yàn)算

在恒載、人群荷載、溫度荷載和橫風(fēng)作用標(biāo)準(zhǔn)組合下，水平方向最大變形分別為35.7 mm、31.1 mm，豎向最大變形為25.5 mm。參考《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50135—2019）3.0.11 條，水平位移角限值1/150。該結(jié)構(gòu)總高44 m，水平位移角35.7/44 000=1/1232，滿足要求。

人群作用下，主梁最大撓度為9.6 mm，出現(xiàn)在大小環(huán)過渡處（見表1）。恒載+人群作用下，主梁最大撓度為12.7 mm，出現(xiàn)在坡道頂部（見表2）。取這兩處進(jìn)行撓度驗(yàn)算。

表1 大小環(huán)過渡處撓度一覽表

表2 吊橋頂部撓度一覽表

2.4.3 頻率驗(yàn)算

第一二階自振頻率為水平方向彎曲，分別為4.27 Hz 和4.33 Hz。第三階自振頻率為豎直方向，為7.56 Hz。滿足要求。圖4 為前三階振型。

圖4 前三階振型

2.4.4 屈曲驗(yàn)算

第1 階屈曲模態(tài)臨界荷載系數(shù)為26.15＞4，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定滿足要求（見圖5）。

圖5 第1 階屈曲模態(tài)

3 結(jié)構(gòu)橫向分析

為了結(jié)構(gòu)有更好的人行空間和視線，采用吊桿與主梁內(nèi)側(cè)連接的方式，導(dǎo)致主梁在人群荷載作用下產(chǎn)生橫向扭矩，有傾覆的趨勢，橫向分析不能忽視。

該結(jié)構(gòu)為螺旋狀，有別于常規(guī)端部約束的直梁在扭矩作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。在均勻滿布的人群荷載作用下，主梁各個位置的扭轉(zhuǎn)變形一致，扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力不明顯。進(jìn)一步分析該結(jié)構(gòu)在橫向扭矩作用下的傾覆問題，表現(xiàn)出的是主梁橫向受彎問題。在極限荷載作用下，結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生在受壓構(gòu)件局部失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)橫向傾覆，類似于上翹的帽檐在外力作用下突然下翻。

據(jù)此，該結(jié)構(gòu)橫向扭矩作用下的傾覆問題，表征為結(jié)構(gòu)橫向受彎狀態(tài)下的受壓部位失穩(wěn)問題；減小該結(jié)構(gòu)橫向扭矩作用下的傾覆問題的關(guān)鍵在于增強(qiáng)橫向剛度，如設(shè)置橫隔板。

為了進(jìn)一步了解橫隔板數(shù)量對結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆的影響，建立三維板單元模型進(jìn)行對比分析（見圖6）。表3 為橫向受力與橫隔板數(shù)量關(guān)系一覽表。圖7為不同橫隔板數(shù)量下主梁應(yīng)力圖示。

圖7 不同橫隔板數(shù)量下主梁應(yīng)力圖示

表3 橫向受力與橫隔板數(shù)量關(guān)系一覽表

圖6 三維板單元模型

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，隨著橫隔板數(shù)量的增加，外側(cè)最大豎向位移減小，屈曲臨界荷載系數(shù)增大，結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性增強(qiáng)。當(dāng)不設(shè)置橫隔板時，最大最小應(yīng)力為57.7/-54.9 MPa，當(dāng)設(shè)置4 道橫隔板時，由于橫隔板數(shù)量較少，出現(xiàn)加大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大最小應(yīng)力為87.2/-108.5 MPa。隨著橫隔板數(shù)量的增加，應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減小，當(dāng)橫隔板數(shù)量由8 道增加至16道時，最大最小應(yīng)力為變化不大趨于穩(wěn)定，且主梁受力較均勻。據(jù)此，該結(jié)構(gòu)設(shè)置16 道橫隔板結(jié)構(gòu)橫向受力相對理想。

4 結(jié) 語

螺旋吊橋結(jié)構(gòu)新穎、曲率較大，結(jié)構(gòu)計(jì)算與一般的吊索橋梁結(jié)構(gòu)有所區(qū)別。通過建立三維單元模型對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱向分析，同時為了解決橫向扭矩作用下的傾覆問題，采用三維板單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬和對比分析，最終確定合理的橫隔板數(shù)量。為該類式螺旋吊橋結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算提供參考。