恩施大峡谷大楼门景观桥结构设计探讨

■刘政伟 尹栋佳 夏齐勇

（湖北省交通规划设计院股份有限公司，武汉 430051)

恩施大峡谷景区为国家5A 级景区，景区内百里绝壁、千丈瀑布、傲啸独峰、远古村寨等景点美不胜收，美国《国家地理》杂志专题介绍，认为可与美国科罗拉多大峡谷相媲美。本桥位于大峡谷核心景区，对桥梁的景观价值要求较高。本项目在设计之初，即以“融桥于景，造桥为景”创意构思，桥梁结构融于自然，又能作为一道独特的景观增添自然的亮色。

桥梁设计标准如下：（1）桥梁类型：人行专用桥；（2）设计基准期：100 年；（3）设计使用年限：50年；（4）设计安全等级：一级； （5）荷载等级：人群设计荷载3.5 kPa；百年重现期的风速25.3 m/s，基本雪压0.35 kPa。

1 总体设计

桥址区位于大峡谷深度景区，周围无车行道路通行，运输条件较差。 主桥位置位于两座陡崖之间，桥梁顶面高程与深谷高差在80 m 以上，崖体坡度在80°以上，建设条件受到极大制约。 桥址地貌见图1。

图1 桥址航拍照片

对桥址区崖壁的地质情况勘探显示，除表面层长期风化外，崖体浅层为中风化灰岩，细晶结构，薄-中厚层状构造，其饱和抗压强度标准值为35 MPa，达到较坚硬岩的水平，地质条件良好。

设计主创人员多次踏勘现场，收集资料，充分考虑景观、结构、地质、施工等多方面因素，通过多轮方案比选， 确定了无塔式岩锚双索面斜拉桥方案。 桥梁主跨88 m，斜拉索张拉侧的梁体嵌入岩石层内，形成嵌固端，另一侧采用支座边界。 斜拉索间距6 m， 共12 对24 束， 斜拉索利用有利的地质条件，采用CFRP 筋材超高强水泥基岩锚基础替代索塔作为斜拉索的锚固端，这种无塔岩锚基础属国内首次应用。

斜拉索采用散索设计，在竖向和平面内与主梁形成空间夹角。 散索设计提供了桥梁横向刚度，解决了结构横向摆动和抗风问题，同时在空间上形成了拉索依次张开的次第感， 象征恩施人民热情好客，张开双臂迎八方游客的人文寓意。 设计效果见图2、图3。

图2 桥梁景观效果

图3 桥梁空间模型

2 三维定位与BIM 应用

桥址区地势险峻， 主桥架设在两个陡崖之间，崖体坡度在80°以上，传统的测量方式实施难度大，定位困难，且精度无法保证设计需求。 倾斜摄影技术是测量领域近年发展的高新技术，该技术通过从1 个垂直、4 个倾斜和5 个不同的视角同步采集影像和数据，能够高精度、多层次获取地物的航摄影像数据（图4）。

图4 倾斜摄影模型

采用Global Mapper 地图绘制软件对数据进行处理，将基于多视角影像技术超高密度点云自动构建为不规则的三角网络， 从而进一步生成高精度、高分辨率的表面三维模型。 采用建筑信息模型（BIM） 解决方案Auto CAD Civil 3d 软件将倾斜摄影真实三维场景与桥梁BIM 精确模型融合，对斜拉索锚点及主桥结构进行精确定位。

3 主梁设计

主桥钢主梁全长88 m，宽度5.0 m，采用双主梁格构设计。 单梁采用焊接工字钢，梁高1.2 m，标准段顶底板及腹板厚度16 mm，固结端节段厚度增加到20 mm。每隔1.5 m 设置1 道横隔板，横隔板设置2 道加劲肋。 桥面板采用8 cm 厚的活性粉末混凝土，具有高耐久性和高抗弯折、抗压等性能，能够适应较复杂的自然环境和受力状况。 主梁一般断面及斜拉索锚固断面见图5、图6。

图5 主梁一般断面

图6 斜拉索锚固断面

主梁锚固端设置在与斜拉索岩锚锚固端同侧，通过加劲板进行补强， 主梁嵌入开挖的洞室内，通过承压板将主梁的内力传递到岩体内（图7）。

图7 主梁锚固端断面

根据现场地形情况，斜拉索另一侧的岩壁斜向近乎与主梁平行，不适合设置斜拉索岩锚，但有利于设置主梁支座。 设计采用嵌固在岩壁内的混凝土悬臂梁作为斜拉桥悬臂端的支撑梁（图8）。 除了设置竖向支座2 个外， 在主梁侧边设置2 个支座，限制梁体的水平位移。

图8 主梁悬臂端支撑

桥梁模型采用Midas Civil 计算软件进行整体模型计算，桥梁三维模型见图9，岩锚及主梁锚固端采用固结约束，主梁悬臂端采用支座约束。 主梁在基本组合下应力计算结果见图10。主梁锚固区域由于应力集中，最大应力达到219.7 MPa，通过加劲板等措施降低该区域的应力水平。

图9 桥梁三维模型

图10 基本组合下主梁组合应力

4 斜拉索设计

斜拉索采用整束挤压式钢绞线，钢绞线单根公称直径d＝15.2 mm，抗拉强度标准值fpk＝1 860 MPa，Ep=1.95×105MPa。 索体采用环氧涂层钢绞线+油脂+PH 套的方式进行单根防护。 经多根平行编索紧密集束后，再套上HDPE 套管进行整体防护。 为减少风致振动，拉索外防护层采用双螺旋线护套。

斜拉桥结构轻柔，结构变形受风荷载、人群荷载等影响较大。 为解决这一问题，本桥斜拉索采用19 束15.2 mm 钢绞线集束，安全系数为5.2～8.2，远高于强度需求，来达到提高桥梁整体刚度的目的。

5 斜拉索岩锚设计

岩锚设计采用CFRP 筋预应力锚杆系统，该系统基于碳纤维锚杆、 超高性能水泥基粘结锚固介质，具有高抗压强度、高耐久性及高韧性等优良性能，并在矮寨大桥等桥梁工程中成功运用[1-2]。

锚杆所用CFRP 筋材标准抗拉强度fpk＝2400 MPa，是钢绞线的1.3 倍，筋材-粘结介质界面粘结强度比钢绞线大得多， 弹性模量E≥1.5×105MPa，破断延伸率大于等于1.5%，高性能水泥基材（RPC）抗压强度130 MPa。 每个锚固段设置两根锚杆结构。 单根锚杆杆体筋材采用5 根有效直径12 mm 的CFRP 筋组成，筋材总面积565.5 mm2。 锚杆采用单端预应力张拉，张拉控制应力为σfk＝0.6 fpk＝1440 MPa。 岩锚系统见图11～13。

图11 岩锚系统

岩锚按永久构件进行设计， 参照GB50086-2015 《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》及文献[1-2]的研究结论进行设计。岩锚计算主要分为2 个部分：一是确保锚杆抗拉强度极限大于设计值，确定锚杆所需的CFRP 筋材的直径和根数；二是确保锚杆的有效锚固长度内的粘结性能大于锚杆的抗拉强度极限值，来确定临界锚固长度。

锚杆根数与直径计算如下：

图12 岩锚顶部细部构造

式中：Ns—锚杆拉力设计值；k—安全系数，取2.2；n—筋材根数；d—筋材有效直径；ffk—筋材极限抗拉强度。

设计采用锚杆采用直径12 mm 压痕式CFRP筋材，有效破断面积113.1 mm2，筋材极限抗拉强度不小于2 400 MPa，锚杆拉力设计值为500 kN。 计算可得所需筋材根数不小于4.1 根， 取整后设计采用5 根筋材制作1 根锚杆，满足设计要求。 锚杆构造设计截面见图14。

图13 岩锚底部细部构造

图14 岩锚锚杆截面构造

临界锚固长度是计算锚杆的有效设计长度，使锚杆与岩体的粘结年满足设计承载力要求。 计算如下：

式中：τm—筋材-粘结介质界面粘结强度，设计采用标准抗压强度130 MPa 活性粉末混凝土混合浆料，在文献[2]中，活性粉末混凝土混合浆料与岩体的平均界面强度远大于普通砂浆与岩石粘结强度，美国PTI《岩层与土体预应力锚杆的建议》推荐白云质石灰岩与灌浆料的极限粘结应力为1.4～2.0 MPa。 综合考虑后，设计筋材-粘结介质界面粘结强度取2.0 MPa；D—地下段钻孔直径， 设计岩锚结构为150 mm；lcr—临界锚固长度；Km—安全系数，取2.5;Kb—群锚增大系数。

计算得出锚杆临界锚固长度3.3 m， 设计地下锚固深度不小于3.5 m，满足设计要求。

6 人行舒适度计算

研究指出[3-4]，斜拉桥的自振频率与索梁刚度比EeAe/EdId、索塔刚度比以及跨径l 有关，在结构尺寸确定情况下，索截面面积与结构自振频率近似成正比。 我国现行规范CJJ69-95《城市人行天桥与人行地道技术规范》规定上部结构竖向自振频率不应小于3.0 Hz。 本桥结构轻柔，跨径较大，斜拉索采用了较大的截面面积来提高结构刚度。 结构第一阶横向自振频率提高到1.42 Hz， 第一阶竖向自振频率提高到2.05 Hz， 但再增加斜拉索截面面积对提高结构自振频率效率不高，造成较大的材料浪费。 经验及研究表明，现行规范对于大跨径、轻柔结构天桥要求偏于严苛和保守[5-7]。 欧美人行桥设计规范中对正常使用状态下舒适度通常是以控制自振频率和控制结构动力响应加速度来保证桥梁舒适度使用要求见表1。

表1 各国规范规定人行桥无需验算竖向动力性能的自振频率最小值

日本规范对于自振频率限值较宽松，欧洲规范的竖向频率限值都较大，这是因为这些规范的限值都是指不需要进行舒适度计算的结构。 目前国内人行桥梁大多参考德国规范进行舒适度设计。 德国规范规定人行桥结构的竖向固有频率1.25 Hz≤f0≤4.6 Hz 范围内，需要应用限制动力响应值法验算舒适度，侧向荷载限制频率范围为0.5 Hz≤f0≤1.2 Hz。德国规范规定的行人交通等级及舒适性指标见表2、表3。

表2 行人交通等级和密度

表3 德国规范人行舒适性指标

桥梁结构第一阶侧向振动频率大于1.2 Hz，无需进行舒适性验算。 竖向动力性能采用Midas Civil建立结构对竖向振动特性进行时程分析，结果见表4。 TC2 交通流下主梁结构的峰值加速度包络结果见图15。

表4 不同交通流下峰值加速度

图15 TC2 荷载等级下峰值加速度

结果表明，在TC1 和TC2 交通流下，结构舒适度为“优”，在TC3 交通流下，结构舒适度为“良”，在TC4 和TC5 交通流下，结构舒适度为“中”，均在规范容许范围内。

7 结语

（1）倾斜摄影技术和BIM 技术结合在桥梁工程中的应用，可以解决复杂陡峻地形中桥梁结构定位问题。 （2）依托良好的地质条件，本桥采用的无塔斜拉桥结构创新性强，结构受力合理，对景观桥梁设计具有借鉴意义。 （3）岩锚基础是主桥结构的重要构件，文中提供了计算方法。 （4）大跨径斜拉桥结构轻柔，斜拉索截面面积对主桥刚度影响较大。 设计应综合考虑材料利用效率与结构性能改善的关系，寻找最优设计平衡点。 （5）我国人行桥设计规范对于结构基频做出的限制规定偏于保守， 对于大跨度、结构轻柔的天桥结构基频如满足规范，付出代价较大，结合本项目经验，建议参考德国规范进行舒适度验算，计算结果满足舒适度要求。