[摘要] 結(jié)合現(xiàn)有景區(qū)人行懸索橋的研究和建設(shè)情況，首先介紹景區(qū)人行懸索橋的特點及應(yīng)用，其次介紹人行懸索橋的結(jié)構(gòu)分類及受力特點，分別從荷載取值、纜索選用、找形分析、人致振動問題、節(jié)點設(shè)計和橋面板設(shè)計六個方面對人行懸索橋設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題提出歸納和建議。結(jié)果表明：主纜和抗風(fēng)纜可按順序分別找形，避免同時調(diào)整兩類纜索;現(xiàn)有規(guī)范考慮到的自振頻率區(qū)間未包含實際頻率，已不能滿足大跨度人行懸索橋設(shè)計的需要，應(yīng)對大跨度人行懸索橋的頻率敏感范圍進(jìn)行研究;吊索與主纜及橋面的連接節(jié)點是當(dāng)前設(shè)計中常被忽略的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)根據(jù)索內(nèi)力和應(yīng)力幅進(jìn)行節(jié)點設(shè)計和疲勞驗算;最后給出了玻璃橋面板設(shè)計的 5 項建議。

　　[關(guān)鍵詞] 大跨度;人行懸索橋; 荷載取值; 找形分析; 人致振動; 玻璃橋面

　　1 景區(qū)人行懸索橋概述

　　景區(qū)人行懸索橋是指以通過索塔懸掛并錨固于大地或其它結(jié)構(gòu)的纜索作為橋跨上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件，建設(shè)于景區(qū)供人通行的橋梁。該類懸索橋一般采用鋼結(jié)構(gòu)作為橋面主要承載結(jié)構(gòu)，以混凝土板、鋼板、鋼化玻璃或木板等作為橋面板供人通行。與公路懸索橋有所不同，人行懸索橋具有以下特點：1)無交通等重荷載，設(shè)計荷載較小;2)以纜索作為主要承重構(gòu)件，能充分發(fā)揮材料強(qiáng)度，材料用量少，結(jié)構(gòu)整體更輕柔;3)結(jié)構(gòu)自振頻率低、阻尼小，人致振動和風(fēng)振問題需要特別關(guān)注;4)施工方便，無需大型吊裝設(shè)備，能滿足快速施工的要求。景區(qū)人行懸索橋通常是景區(qū)的地標(biāo)式建筑，由于其相對建設(shè)投入少、吸引游客和經(jīng)濟(jì)回報高等因素，尤其是隨著張家界和天蒙山等地人行懸索橋項目的成功運(yùn)營，促使景區(qū)人行懸索橋在全國范圍內(nèi)廣泛興起。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國范圍內(nèi)已建成超過 150 座景區(qū)大跨度人行懸索橋(不含玻璃棧道)，這些項目幾乎全部是近五年內(nèi)建成并投入使用的，其中部分橋梁信息如表 1 所示。

　　然而，除河北省在 2018 年發(fā)布了有關(guān)景區(qū)人行懸索橋的地方標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿外，還沒有全國性的專門針對景區(qū)人行懸索橋項目的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，也沒有其他地方的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。絕大部分人行懸索橋項目在缺少針對性規(guī)范的情況下，只能參考相關(guān)的公路橋梁設(shè)計規(guī)范、建筑設(shè)計規(guī)范或游藝設(shè)施設(shè)計規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。這些規(guī)范的人群荷載、舒適度要求和玻璃橋面設(shè)計等規(guī)定并不統(tǒng)一，也不一定適用于景區(qū)人行懸索橋。現(xiàn)有人行懸索橋多為相互復(fù)制或經(jīng)驗性的設(shè)計，其中的問題也被不斷復(fù)制出現(xiàn)，造成景區(qū)安全隱患。

　　2 景區(qū)人行懸索橋結(jié)構(gòu)體系

　　根據(jù)橋面系與主纜的關(guān)系，人行懸索橋的結(jié)構(gòu)體系一般可分為以下幾類。

　　2.1 吊掛式結(jié)構(gòu)體系這種類型的景區(qū)人行懸索橋最為常見，懸索橋由主纜、索塔、吊索、加勁梁及錨固系統(tǒng)組成，橋面通過吊索吊掛在主纜上，主纜通過索塔懸掛并錨固在兩端，類似于公路懸索橋體系，如圖 1 所示。圖 2 為山東臨沂天蒙山懸索橋，主跨 420m，寬 4m，距谷底高度 143m，采用吊掛式結(jié)構(gòu)體系。

　　2.2 索承式結(jié)構(gòu)體系這類懸索橋的橋面板直接鋪設(shè)在主纜上，橋面板需沿主纜的曲線布置，如圖 3 所示，橋面并非水平設(shè)置，這樣在橋面縱坡較大處需設(shè)置階梯以便行人行走。圖 4 為河北平山紅崖谷懸索橋，主跨 488m，寬 2m，距谷底高度 218m，采用索承式結(jié)構(gòu)體系。

　　2.3 綜合承重體系這類景區(qū)人行懸索橋的橋面板同索承式懸索橋一樣，直接鋪設(shè)在主纜上，但是同時設(shè)有主纜吊索共同受力，是一種綜合承重懸索橋。這類體系是前兩類結(jié)構(gòu)體系的結(jié)合，在中小跨度的景區(qū)人行懸索橋中比較常見，如圖 5 所示。

　　3 設(shè)計關(guān)鍵問題

　　3.1 荷載作用除結(jié)構(gòu)自重恒荷載外，景區(qū)人行懸索橋需要特別重視人群荷載、欄桿荷載及風(fēng)荷載的作用。 3.1.1 人群荷載人群荷載的確定應(yīng)同時考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性，人群荷載不與其他橋面活荷載同時考慮。當(dāng)前我國現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范對于人群荷載取值的要求見表 2。根據(jù)我國現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范建議：1)隨著加載長度的增加，人群荷載取值可逐漸減小;2)應(yīng)分別進(jìn)行正常使用狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)設(shè)計，同時針對景區(qū)特點，考慮人群聚集狀態(tài)的非均勻荷載分布計算;3)橋面系局部設(shè)計時的人群荷載取值應(yīng)較整橋結(jié)構(gòu)設(shè)計時大。在上述原則的基礎(chǔ)上，景區(qū)懸索橋人群荷載的取值應(yīng)根據(jù)景區(qū)運(yùn)營能力和橋梁實際跨度進(jìn)行專門研究，或?qū)ι蠘蛉藬?shù)限流控制。也可按以下標(biāo)準(zhǔn)取值：結(jié)構(gòu)整體計算時，不應(yīng)小于 2.4kN/m2;設(shè)計橋面系、吊索，或分析聚集人群不利影響時，局部密集人群荷載取 3.5kN/m2;單塊橋面板的人群荷載按 5kN/m2 或 1.5kN 豎向集中力作用在一塊構(gòu)件上計算，取其不利者。 3.1.2 橋上欄桿荷載對于橋上欄桿的設(shè)計荷載，水平荷載與豎向荷載應(yīng)分別計算，當(dāng)前我國現(xiàn)行規(guī)范對橋上欄桿荷載也有相關(guān)規(guī)定，見表 3。考慮到景區(qū)人行懸索橋上游客聚集且更趨向拉靠欄桿，建議取作用在欄桿扶手上的水平向外荷載為 2.0kN/m;豎向荷載為 1.2kN/m。同時，應(yīng)提高欄桿節(jié)點設(shè)計的構(gòu)造要求。 3.1.3 風(fēng)效應(yīng)分析和抗風(fēng)措施設(shè)計風(fēng)荷載取值可參考《公路橋涵抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)、《公路懸索橋設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D65-05-2015)和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[4]等規(guī)范，并結(jié)合橋址當(dāng)?shù)貙崪y風(fēng)速選取。設(shè)計時應(yīng)考慮山峰、山谷修正系數(shù)影響以及不同風(fēng)向角的影響。《游樂設(shè)施安全規(guī)范》(GB 8408 —2008)[5]中規(guī)定風(fēng)速超過 15m/s 時應(yīng)關(guān)閉設(shè)施，設(shè)計也應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境情況明確提出景區(qū)人行橋的關(guān)閉條件，建議取橋面基準(zhǔn)風(fēng)速值為 15m/s 作為運(yùn)營階段的風(fēng)速限值。

　　3.2 纜索選用人行懸索橋結(jié)構(gòu)中常用的纜索構(gòu)件包括主纜、抗風(fēng)纜、吊索和抗風(fēng)拉索，可選用的索型有鋼絲束、鋼絞線、鋼絲繩、鋼拉桿，所用高強(qiáng)度鋼絲宜采用熱鍍鋅線材或鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲。索的選用方面通常需要考慮承載能力、運(yùn)輸可行性、防腐和錨固四類問題。由于景區(qū)人行懸索橋多建設(shè)在山區(qū)之中，當(dāng)主纜長度大、重量大、運(yùn)輸不便時，宜選用多股平行鋼絲束(圖 10)，采用預(yù)制平行索股法(PPWS 法)架設(shè)主纜。這樣可以將主纜分為多股小截面索股運(yùn)達(dá)橋址，在施工現(xiàn)場進(jìn)行組纜、整圓并纏絲防腐，以此解決纜索運(yùn)輸困難的問題。這也是公路懸索橋中解決索材防腐問題的一種常用方法。同時，多股平行鋼絲束能夠更容易實現(xiàn)散索錨固。

　　3.3 找形方法懸索橋的形態(tài)可以分為成橋狀態(tài)、空纜狀態(tài)(自由懸掛長度)和無應(yīng)力狀態(tài)。懸索橋受力后表現(xiàn)為較強(qiáng)的非線性特征，其纜索到位后難以后期調(diào)整索力和標(biāo)高，必須通過準(zhǔn)確計算其無應(yīng)力狀態(tài)來進(jìn)行施工過程控制[7]，因此計算懸索橋合理成橋狀態(tài)，是懸索橋設(shè)計的重點之一。懸索橋找形的目的就是找到施工開始時的理想狀態(tài)，經(jīng)過自重荷載施加達(dá)到理想成橋狀態(tài)，即建成后在恒荷載作用(含初應(yīng)變)下，全橋位移為零或較小值。懸索橋線形的確定方法大致可分為解析法和有限元法，解析法僅適用于理想情況，而有限元法則適應(yīng)性更強(qiáng)。采用有限元軟件進(jìn)行找形的方法主要有：1)纜索應(yīng)變調(diào)整法：通過多次調(diào)整纜索的初應(yīng)變，使得結(jié)構(gòu)在恒荷載作用下的撓度和應(yīng)力最小;2)坐標(biāo)更新法：根據(jù)初次計算撓度反向調(diào)整纜索初始坐標(biāo)，使得結(jié)構(gòu)在恒荷載作用下的撓度和應(yīng)力最小。實際設(shè)計過程中，可以將兩種方法結(jié)合使用，提高找形效率和準(zhǔn)確性。

　　3.4 人致振動設(shè)計我國現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范僅從限制自振頻率下限的角度對人行橋振動舒適度提出了規(guī)定：《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—1995)[3]規(guī)定人行橋的豎向頻率不應(yīng)小于 3Hz，《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 441—2019)[9]則要求連廊和室內(nèi)天橋的第一階橫向自振頻率不宜小于 1.2Hz。人行懸索橋人致振動設(shè)計目前還沒有國內(nèi)規(guī)范可供參考，暫可參考德國人行橋設(shè)計指南 EN03 —2007[10] (簡稱《指南》)的主要流程進(jìn)行設(shè)計，如圖 12 所示。

　　3.5 節(jié)點設(shè)計節(jié)點設(shè)計是景區(qū)人行懸索橋設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。其中主纜與索鞍連接節(jié)點是其中的重點，該節(jié)點可參考公路懸索橋中的索鞍節(jié)點構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計。為了主纜張拉的需要，此節(jié)點應(yīng)設(shè)計為，在施工過程中可在橋塔上滑動，通過索鞍的側(cè)推實現(xiàn)主纜的張拉，待索鞍就位后再與橋塔進(jìn)行固定。吊索與主纜及橋面的連接節(jié)點是當(dāng)前設(shè)計中常被忽略的薄弱環(huán)節(jié)，該節(jié)點受風(fēng)荷載和振動影響較大，易出現(xiàn)疲勞松弛問題。常見的吊索與主纜或鋼橋面的連接節(jié)點形式如圖 14 所示，應(yīng)根據(jù)計算所得的各工況下吊索內(nèi)力和應(yīng)力幅進(jìn)行節(jié)點設(shè)計和疲勞驗算。

　　3.6 橋面板景區(qū)人行懸索橋的橋面材料一般可選用玻璃、木材、混凝土板、鋼板等，為了追求美觀與刺激的娛樂效果，景區(qū)人行懸索橋常常采用玻璃橋面板。根據(jù)筆者對景區(qū)玻璃橋面的現(xiàn)狀調(diào)研，基于目前的應(yīng)用情況及存在的問題，關(guān)于玻璃橋面板的設(shè)計有如下建議：(1)玻璃橋面設(shè)計時宜考慮 2.0 的動力放大系數(shù)。點支承和夾持支承的方式會造成玻璃板上的應(yīng)力集中，因此玻璃橋面板必須采用四邊支承方式。(2)玻璃橋面板必須采用夾層玻璃，且夾層玻璃片數(shù)不宜少于 3 片，并在設(shè)計時應(yīng)考慮一片玻璃面板破碎的不利工況。參考《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ 102—2003)[12]，由于人行懸索橋位于室外，在高溫等惡劣的工作條件下，建議不考慮夾膠玻璃中膠片的有利作用。(3)對于夾層玻璃膠片材料，SGP 夾層玻璃在開裂后仍具有一定的剩余承載力，且耐久性較好，設(shè)計時宜優(yōu)先選用 SGP 夾層玻璃[13]。(4)為降低玻璃自爆率，宜選用優(yōu)質(zhì)玻璃原片或超白玻璃，并進(jìn)行二次熱處理。(5)在景區(qū)運(yùn)營時宜要求游客穿上鞋套以防止玻璃橋面出現(xiàn)劃痕，產(chǎn)生玻璃破碎的隱患。

　　4 結(jié)語

　　大跨度景區(qū)人行懸索橋通常是景區(qū)的地標(biāo)式建筑，其設(shè)計過程應(yīng)經(jīng)過特別分析和驗證。本文介紹了人行懸索橋常見結(jié)構(gòu)體系及其特點，并在荷載取值、纜索選用、找形分析、人致振動、節(jié)點設(shè)計和橋面板六個方面對人行懸索橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題提出了歸納和建議，希望為工程設(shè)計人員提供參考和借鑒。

　　參 考 文 獻(xiàn)

　　[1] BOGLE ANNETTE, SCHMAL PETER CACHOLA.輕• 遠(yuǎn)：德國約格•施萊希和魯?shù)婪?bull;貝格曼的輕型結(jié)構(gòu)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

　　[2] 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范：JTG D60—2004[S].北京：人民交通出版社,2004.

　　[3] 城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范：CJJ 69—1995[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,1996.

　　[4] 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2012.

　　[5] 游樂設(shè)施安全規(guī)范：GB 8408—2008[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

　　《大跨度人行懸索橋結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)》來源：《建筑結(jié)構(gòu)》，作者：秦格 1，劉楓 1,2，馬明 1，張強(qiáng) 1