一种山坡锚固式空间缆索体系的人行悬索桥的制作方法

1.本发明属于土木工程领域，涉及一种人行悬索桥结构，尤其涉及一种山坡锚固式空间缆索体系的人行悬索桥。


背景技术：

2.随着时代发展，峡谷景区游客日益增多，为了改善峡谷景区人行交通，为了方便游客欣赏峡谷景区自然风光，需要在两座山峰之间修建人行悬索桥，因此，建造超大跨径的峡谷景区人行悬索桥势在必行。
3.传统的平行缆索体系悬索桥并不适合超大跨径的峡谷景区悬索桥，会遇到两大技术问题：首先，超大跨径的峡谷景区人行悬索桥的桥面狭窄，结构轻盈，其抗风稳定性差；其次，在陡峭的山坡上建造高大的悬索桥桥塔，桥塔基础施工困难。
4.双曲抛物面俗称马鞍抛物面，双曲抛物面是典型的二次直纹曲面，其曲面可由两族直线构成，二次直纹曲面在建筑上有着重要应用价值，常常用它来构成建筑物的骨架，应用直纹曲面建造的建筑物，具有优良的力学性能，其建筑物外观漂亮且结构坚固。
5.利用双曲抛物面的直纹性，改革传统的平行缆索体系悬索桥，将两根粗重的平行缆索改为多股分散纤细的双曲抛物面空间缆索网，双曲抛物面空间缆索网空间交叉，双曲抛物面空间缆索网提供水平分力，可大幅度提高了超大跨径人行悬索桥的抗侧刚度；双曲抛物面空间缆索网具有良好的空间整体性，可大幅度提高了超大跨径人行悬索桥的抗扭刚度，因此，采用双曲抛物面空间缆索网可大幅度提高超大跨径峡谷景区人行悬索桥的抗风稳定性。
6.利用峡谷景区的地形地貌，改革传统的平行缆索体系悬索桥，取消桥塔结构，将双曲抛物面空间缆索网分散锚固于峡谷景区两侧岩石山坡体之上，简化悬索桥施工，节约造价，提高超大跨径峡谷景区人行悬索桥结构方案的招投标竞争能力。
7.针对建造超大跨径峡谷景区人行悬索桥的需求，改革传统的平行缆索体系悬索桥，采用双曲抛物面空间缆索网体系，提高超大跨径峡谷景区人行悬索桥抗风稳定性；双曲抛物面空间缆索网分散锚固于峡谷景区两侧岩石山坡体上，取消桥塔结构，节约造价，形成一种山坡锚固式空间缆索体系的人行悬索桥，具有造型漂亮、施工方便、抗风稳定性强和造价低等优点，适合500～600米超大跨径的峡谷景区人行悬索桥。


技术实现要素：

8.技术问题：本发明提供一种造型漂亮、施工方便、抗风稳定性强和造价低的山坡锚固式空间缆索体系的人行悬索桥，采用双曲抛物面空间缆索网体系，将带有刚性系杆的拱形钢结构曲梁搁置在双曲抛物面空间缆索网之上，空间吊索悬挂桥面加系劲梁，设置抗风缆索，提高峡谷景区人行悬索桥抗风稳定性；利用峡谷景区的地形地貌，双曲抛物面空间缆索网分散锚固于峡谷景区两侧岩石山坡体之上，取消桥塔结构，节约造价。
9.技术方案：本发明的一种山坡锚固式空间缆索体系的人行悬索桥，包括空间缆索
体系、山坡锚碇基础、空间吊索体系、桥面系加劲梁、桥台基础梁和抗风缆索体系，其特征在于：所述的空间缆索体系是由双曲抛物面空间缆索网、拱形钢结构曲梁和刚性系杆三者构成，双曲抛物面空间缆索网是由数根钢丝缆索空间交叉构成，其空间几何构型为双曲抛物面空间索网下垂形成的马鞍状索网，双曲抛物面空间缆索网作为超大跨径人行悬索桥的主缆，拱形钢结构曲梁搁置在双曲抛物面空间缆索网之上，刚性系杆连接拱形钢结构曲梁的拱脚两端；所述的山坡锚碇基础设置在两侧山坡体之上，双曲抛物面空间缆索网分散锚固于山坡锚碇基础之上；空间吊索体系的上端锚固在空间缆索体系在之上，空间吊索体系的下端悬吊桥面系加劲梁，桥台基础梁设置在两侧山坡上，桥面系加劲梁搁置在桥台基础梁之上；抗风缆索体系由抗风缆索和连接拉索组成，抗风缆索锚固于两端峡谷山体之中，数根连接拉索一端分散连接于抗风缆索，另外一端分散锚固于桥面系加劲梁之上。
10.优选地，所述的空间吊索体系是竖向吊索和斜向吊索构成，一根竖向吊索和左右两根斜向吊索形成一个吊索组，一个吊索组三根吊索的上端集中锚固于空间缆索体系的拱形钢结构曲梁的端部，一个吊索组三根吊索的下端分散锚固于桥面系加劲梁之上，其中，一根竖向吊索的下端连接在拱形钢结构曲梁正下方的桥面系加劲梁的节段分段点位置处，其中，左右两根斜向吊索的下端连接于桥面系加劲梁的节段区间的三分点位置处，竖向吊索和斜向吊索形成桁架式的空间吊索体系。
11.建造权利要求1所述的一种山坡锚固式空间缆索体系的人行悬索桥的施工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
12.第一步：进行峡谷景区悬索桥的桥址选择，在两侧岩石山坡上，进行锚碇施工，完成山坡锚碇基础的施工，进行桥台桩基础施工，完成桥台基础梁的施工；
13.第二步：施工悬索桥的引导索，采用溜索牵引技术，将50％数量的第一批工厂预制成品缆索牵引到位，依据双曲抛物面数学方程，平移成品缆索，将第一批互相平行的上层族缆索锚固于山坡锚碇基础之上，然后，再次牵引50％数量的第二批成品缆索到位，将第二批互相平行的下层族缆索锚固于山坡锚碇基础之上，形成双曲抛物面空间缆索网；
14.第三步：隔开一定间距，将拱形钢结构曲梁搁置双曲抛物面空间缆索网之上，刚性系杆连接拱形钢结构曲梁的拱脚两端，固定双曲抛物面空间缆索网和拱形钢结构曲梁的交叉节点，形成空间缆索体系；
15.第四步：安装竖向吊索和斜向吊索，形成空间吊索体系；
16.第五步：从桥台基础梁位置开始，利用空间吊索体系，悬吊拼装桥面系加劲梁，直到跨中合拢；
17.第六步：在峡谷中，施工抗风缆索的基础，隔开一段间距，将连接拉索一端分散连接于抗风缆索，另外一端与桥面系加劲梁相连，形成抗风缆索体系；
18.第七步：安装桥面板，安装栏杆和路灯，形成超大跨径峡谷景区人行悬索桥，投入运营，接待游客。
19.f
x
双曲抛物面的数学方程为：
20.式中：a，b为半长和半宽；
21.f
x
，fy为双曲抛物面空间索网纵向和横向矢高。
22.双曲抛物面的两族直线水平投影为平行线，其直纹线水平投影的斜率为：
[0023][0024]
双曲抛物面空间缆索网结构的几何定位方法如下：
[0025]
依据悬索桥的长度确定2a，由工程师确定双曲抛物面索网在支座处的宽度确定2b，由工程师设计双曲抛物面索网在山坡锚碇基础处的矢高，从而确定fy数值。
[0026]
画出双曲抛物面空间索网平面投影的矩形框2a
×
2b，在平面图中，画出双曲抛物面空间索网水平投影的两族平行线群，确定缆索数量，确定斜率k数值。
[0027]
将斜率k代入上述公式(2)，求出f
x
的数值，从而确定双曲抛物面的数学方程(1)。
[0028]
将双曲抛物面空间缆索网下垂形成的马鞍状索网，完成空间索网几何定位。
[0029]
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0030]
采用传统的平行缆索体系悬索桥技术，建造峡谷景区的超大跨径人行悬索桥，将会遇到两大技术问题：超大跨径的峡谷景区人行悬索桥的桥面狭窄，结构轻盈，其抗风稳定性是技术难题；在陡峭的山坡上建造高大的悬索桥桥塔，桥塔基础施工困难。
[0031]
本发明改革传统的平行缆索体系悬索桥，采用双曲抛物面空间缆索网，将带有刚性系杆的拱形钢结构曲梁搁置在双曲抛物面空间缆索网之上，空间吊索悬挂桥面系加劲梁，设置抗风缆索，提高峡谷景区人行悬索桥抗风稳定性；利用峡谷景区的地形地貌，双曲抛物面空间缆索网分散锚固于峡谷景区两侧岩石山坡体之上，取消桥塔结构，形成一种超大跨径山坡锚固式峡谷景区空间缆索体系人行悬索桥。
[0032]
双曲抛物面是经典的直纹曲面，双曲抛物面空间缆索网的美丽漂亮，将带有刚性系杆的拱形钢结构曲梁搁置在双曲抛物面空间缆索网之上，空间吊索悬挂桥面系加劲梁，双曲抛物面空间缆索网犹如巨大“降落伞”，翱翔在峡谷空中，双曲抛物面空间缆索人行悬索桥的景观效果优良，造型独特，可增加峡谷景区的人文内涵。
[0033]
传统的平行缆索体系悬索桥，左右两根粗重的平行缆索互相分离，风荷载作用下。由于左右两根钢丝主缆会产生异向振动，将会带动桥面系加劲梁扭转，其抗侧刚度和抗扭刚度较差，桥面狭窄，结构轻盈，进一步降低了其抗风稳定性。
[0034]
双曲抛物面空间缆索体系悬索桥，双曲抛物面空间缆索交叉布置，空间缆索网提供水平分力，可大幅度提高了人行悬索桥的抗侧刚度；双曲抛物面空间缆索网与带有刚性系杆的拱形钢结构曲梁两者连接形成牢固整体，空间缆索网具有良好的空间刚度，大幅度提高了人行悬索桥的抗扭刚度，大幅度改善了其抗风稳定性。
[0035]
抗风缆索体系与双曲抛物面空间缆索体系两者配套联合使用，两套抗风缆索体系可以从上下左右四个方向紧紧拽住桥面系加劲梁，约束限制桥面系加劲梁的扭转变形，可从根本上解决超大跨径峡谷景区人行悬索桥的抗风稳定性问题。
[0036]
山坡锚固式超大跨径峡谷景区空间缆索体系人行悬索桥，利用峡谷景区两侧岩石山坡体，双曲抛物面空间缆索网分散锚固于两侧岩石山坡体之上，由于取消了桥塔结构，节约造价，经济实惠，同时也降低了施工难度。
[0037]
化整为零，双曲抛物面空间缆索网分散锚固于两侧岩石山坡体之上，避免修建巨大的锚碇基础，节约了大量的建材，减少了土方开挖，减少了人工工作量，可以降低山坡锚碇基础的施工技术难度。
[0038]
传统的平行缆索体系悬索桥是采用左右两根粗重缆索，粗重缆索安装施工中需要修建临时猫道，在高空现场捆扎平行钢丝缆索施工困难；双曲抛物面空间缆索网是分散轻细小直径的钢丝缆索，可以采用工厂预制成品缆索，可以采用溜索牵引技术到位，双曲抛物面空间缆索安装不需要修建猫道，施工简便。
[0039]
双曲抛物面是由两族直线构成，在平面投影上，每一族直线是互相平行的，并且两族直线的斜率互为相反数，因此，可利用双曲抛物面的几何特性，双曲抛物面空间缆索网的施工可以分为上下两层缆索，以便简化施工。
[0040]
借鉴工程索道的工艺技术，首先，施工人行悬索桥的引导索，采用溜索牵引技术，牵引50％数量第一批工厂预制的成品缆索到位，依据双曲抛物面数学方程，平移成品缆索，将第一批互相平行的上层族缆索锚固于山坡锚碇基础之上。然后，再次牵引50％数量的第二批成品缆索到位，将第二批互相平行的下层族缆索锚固于山坡锚碇基础之上，形成双曲抛物面空间缆索网，双曲抛物面空间缆索网施工不需要缆索交叉施工作业，空间缆索网施工也不需要猫道，施工快捷。
[0041]
空间斜吊索体系悬吊桥面系加劲梁，空间吊索体系是由竖向吊索和斜向吊索构成，空间吊索体系上端集中锚固于拱形钢结构曲梁的端部，空间吊索体系下端分散锚固于桥面系加劲梁之上，因而，可减少带有刚性系杆的拱形钢结构曲梁的数量，可降低桥面系加劲梁的跨径，减少了桥面系加劲梁的梁高。
[0042]
竖向吊索和斜向吊索构成桁架式空间吊索体系，也提高了超大跨径峡谷景区人行悬索桥的纵向刚度，可大幅度降低峡谷景区人行悬索桥的纵向漂移。
[0043]
桥面系加劲梁直接搁置在峡谷山坡之上，方便了桥面和山坡道路的交通连接，交通组织自然顺畅，简化了桥台基础的施工，节约了桥台处的景观平台场地面积。
[0044]
在桥面系加劲梁的中央处，设置圆环状加劲梁，形成中央观景平台，造型漂亮，可更好地方便游客欣赏峡谷自然风光，感受大自然的惊心动魄。
[0045]
针对峡谷景区超大跨径人行悬索桥的需求，采用多股分散轻细小直径的双曲抛物面空间缆索网，提高抗风稳定性；利用峡谷景区两侧岩石山坡体，双曲抛物面空间缆索分散锚固在两侧岩石山坡体之上，取消桥塔结构，简化施工，节约造价，形式峡谷景区山坡锚固式超大跨径双曲抛物面空间缆索网体系人行悬索桥，具有造型漂亮、施工方便、抗风稳定性强和造价低等优点，是结构学和建筑学两者理想结合的人行悬索桥，适合500～600米超大跨径的峡谷景区人行悬索桥。
附图说明
[0046]
图1是一种山坡锚固式空间缆索体系的人行悬索桥的三维示意图；
[0047]
图2是图1右半桥的局部三维图；
[0048]
图3是图1跨中区域的局部三维图；
[0049]
图4是双曲抛物面空间索网的几何构型示意图。
[0050]
图中有：空间缆索体系1；双曲抛物面空间缆索网11；拱形钢结构曲梁12；刚性系杆13；山坡锚碇基础2；空间吊索体系3；竖向吊索31；斜向吊索32；桥面系加劲梁4；桥台基础梁5；抗风缆索体系6；抗风缆索61；连接拉索62。
具体实施方式
[0051]
下面结合说明书附图，对本发明做进一步具体说明。
[0052]
实施例1：
[0053]
本发明的一种山坡锚固式空间缆索体系的人行悬索桥，包括空间缆索体系1、山坡锚碇基础2、空间吊索体系3、桥面系加劲梁4、桥台基础梁5和抗风缆索体系6，其特征在于：所述的空间缆索体系1是由双曲抛物面空间缆索网11、拱形钢结构曲梁12和刚性系杆13三者构成，双曲抛物面空间缆索网11是由数根钢丝缆索空间交叉构成，其空间几何构型为双曲抛物面空间索网下垂形成的马鞍状索网，双曲抛物面空间缆索网11作为超大跨径人行悬索桥的主缆，拱形钢结构曲梁12搁置在双曲抛物面空间缆索网11之上，刚性系杆13连接拱形钢结构曲梁12的拱脚两端；所述的山坡锚碇基础2设置在两侧山坡体之上，双曲抛物面空间缆索网11分散锚固于山坡锚碇基础2之上；空间吊索体系3的上端锚固在空间缆索体系1在之上，空间吊索体系3的下端悬吊桥面系加劲梁4，桥台基础梁5设置在两侧山坡上，桥面系加劲梁4搁置在桥台基础梁5之上；抗风缆索体系6由抗风缆索61和连接拉索62组成，抗风缆索61锚固于两端峡谷山体之中，数根连接拉索62一端分散连接于抗风缆索61，另外一端分散锚固于桥面系加劲梁4之上。
[0054]
所述的空间吊索体系3是竖向吊索31和斜向吊索32构成，一根竖向吊索31和左右两根斜向吊索32形成一个吊索组，一个吊索组三根吊索的上端集中锚固于空间缆索体系1的拱形钢结构曲梁12的端部，一个吊索组三根吊索的下端分散锚固于桥面系加劲梁4之上，其中，一根竖向吊索31的下端连接在拱形钢结构曲梁12正下方的桥面系加劲梁4的节段分段点位置处，其中，左右两根斜向吊索32的下端连接于桥面系加劲梁4的节段区间的三分点位置处，竖向吊索31和斜向吊索32形成桁架式的空间吊索体系3。
[0055]
实施例2：
[0056]
本发明的的一种山坡锚固式空间缆索体系的人行悬索桥的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0057]
第一步：进行峡谷景区悬索桥的桥址选择，在两侧岩石山坡上，进行锚碇施工，完成山坡锚碇基础2的施工，进行桥台桩基础施工，完成桥台基础梁5的施工；
[0058]
第二步：施工悬索桥的引导索，采用溜索牵引技术，将50％数量的第一批工厂预制成品缆索牵引到位，依据双曲抛物面数学方程，平移成品缆索，将第一批互相平行的上层族缆索锚固于山坡锚碇基础2之上，然后，再次牵引50％数量的第二批成品缆索到位，将第二批互相平行的下层族缆索锚固于山坡锚碇基础2之上，形成双曲抛物面空间缆索网11；
[0059]
第三步：隔开一定间距，将拱形钢结构曲梁12搁置双曲抛物面空间缆索网11之上，刚性系杆13连接拱形钢结构曲梁12的拱脚两端，固定双曲抛物面空间缆索网11和拱形钢结构曲梁12的交叉节点，形成空间缆索体系1；
[0060]
第四步：安装竖向吊索31和斜向吊索32，形成空间吊索体系3；
[0061]
第五步：从桥台基础梁5位置开始，利用空间吊索体系3，悬吊拼装桥面系加劲梁4，直到跨中合拢；
[0062]
第六步：在峡谷中，施工抗风缆索61的基础，隔开一段间距，将连接拉索62一端分散连接于抗风缆索61，另外一端与桥面系加劲梁4相连，形成抗风缆索体系6；
[0063]
第七步：安装桥面板，安装栏杆和路灯，形成超大跨径峡谷景区人行悬索桥，投入
运营，接待游客。
[0064]
实施例3：
[0065]
某峡谷景区超大跨径人行景观悬索桥，主跨径为480m，桥面全宽6m，为了满足抗风稳定性的要求，为了降低造价，为了提高招投标竞争能力，决定取消桥塔结构，采用山坡锚固式空间缆索体系的人行悬索桥的结构形式。
[0066]
改革传统的平行缆索体系悬索桥，将左右两根粗重的平行缆索改为多股分散轻细小直径的双曲抛物面空间缆索网，形成空间缆索体系，提高抗风稳定性。
[0067]
双曲抛物面空间缆索网几何构形为：其水平投影长度为480m，其在支座处水平投影的宽度为40m，索网在跨中处水平投影的宽度为20m，两族钢丝缆索水平投影斜率为正负0.0416667，双曲抛物面空间索网在支座处的横向矢高为8m，从而可以确定双曲抛物面空间缆索网的几何定位。
[0068]
全桥共计10根空间钢丝缆索，空间缆索分为上下两族，每一族是5根，每根钢丝缆索直径为0.2m，采用2000mpa工厂预制成品高强钢丝缆索，双曲抛物面空间缆索网下垂的矢高为1/10。
[0069]
峡谷景区两侧山坡的坡度均为60
°
，山坡锚碇基础设置在两侧山坡体之上，山坡锚碇基础背后设置多个分散的小型隧道式锚碇，双曲抛物面空间缆索网分散锚固于山坡锚碇基础之上，取消桥塔结构，山坡锚碇基础采用钢筋混凝土基础梁，山坡锚碇基础梁宽2m，梁高4m，内部配置钢筋。
[0070]
带有刚性系杆的拱形钢结构曲梁设置在双曲抛物面索网之上，钢结构曲梁间距24，钢结构曲梁全桥共计有21个，拱形钢结构曲梁采用直径0.6m的钢管制作，钢管壁厚16mm，刚性系杆采用直径0.7m的钢管制作，钢管壁厚18mm。
[0071]
空间吊索体系是竖向吊索和斜向吊索构成，一根竖向吊索和左右两根斜向吊索形成一个吊索组，一个吊索组三根吊索的上端集中锚固于空间缆索体系的拱形钢结构曲梁的端部，一个吊索组三根吊索的下端分散锚固于桥面系加劲梁之上，
[0072]
吊索下端吊点距离均为8m，竖向吊索间距24m，斜向吊索下端锚固于桥面系加劲梁区段的三分点处，竖向吊索和斜向吊索的直径均为35mm，竖向吊索和斜向吊索采用1760mpa高强钢丝制作。
[0073]
桥面系加劲梁长度为416m，桥面系加劲梁采用钢结构梁格，两根纵向钢主梁间距6m，纵向钢主梁的计算跨径为8m，纵向钢主梁梁高度为600mm，钢主梁宽度为300mm，壁厚12mm；间隔8m设置一道钢结构次梁，钢次梁高度为500mm，钢次梁宽度为250mm，壁厚8mm。
[0074]
桥面系加劲梁在跨中处设置一个圆环型观景平台，圆环内直径为14米，圆环外直径为20米，采用内外钢环梁的梁格结构，内外钢环梁间距为3m，内外钢环梁高度为600mm，内外钢环梁宽度为250mm，壁厚10mm；在内外钢环梁之间设置12根放射状钢次梁，放射状钢次梁高度为400mm，放射状钢次梁高宽度为200mm，壁厚6mm
[0075]
桥台基础梁设置在两侧山坡上，桥面系加劲梁搁置在桥台基础梁之上，桥台基础梁下部设置桩基础，桥台基础梁采用钢筋混凝土基础梁，桥台基础梁梁宽1.5m，梁高3m，内部配置钢筋。
[0076]
在桥面系加劲梁铺设150mm透明钢化玻璃，形成玻璃景观人行悬索桥，方便游客欣赏峡谷自然风光，感受大自然的惊心动魄。
[0077]
抗风主缆索为左右两根直径为0.25m高强钢丝缆索，连接拉索间距为8米，连接拉索直径为25mm，抗风主缆索和连接拉索采用1760mpa高强钢丝制作。
[0078]
安装金属栏杆，安装led路灯，修建桥面和山坡道路交通连接的山坡小道，组织峡谷景区的人行交通，形成超大跨径峡谷景区人行悬索桥，运营使用。
[0079]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。