现代索道桥设计总结与探讨

代 富

摘要：索道桥是锚固于河、谷两岸的一排缆索上铺设桥面架设的桥梁。主要用于克服山地宽大的江河、峡谷等障碍和抢修大跨径桥梁，也可用于其他不宜架设浮桥、固定桥的河段。目前索道桥设计尚无专用规范适用，相关构件设计均参照桥梁通规、钢结构桥梁规范与悬索桥设计规范，其设计标准存在部分差异，对于索道桥这种多作为临时桥梁设计时过于保守。本文从设计思路与结构计算方面简要探讨索道桥设计时主要考虑的几个重要因素，供大家索道桥设计时参考。

关键词：索道桥 库区桥梁 临时工程 水电站道路 设计与施工

目前，索道桥的使用多用于临时桥梁，少数可做为永久桥梁使用，随着桥梁设计理念的成熟，索道桥设计与运用有了较大的进步，加之相关规范的不断更新，现代索道桥设计有了不少变化。

1 概述

索道桥其主要组成部分有：承重部分（主索、稳定索、横梁等）、桥面构件、连接调整构件（连接器和松紧器）、锚碇、基础等。主索通常使用钢丝绳，每座桥有十几根至数十根，纵向均匀排列或成车辙式排列。跨径可达450米以上，桥上允许全重500KN的履带式坦克和1200KN的轮式车辆通行。目前国内已建成最大索道桥为1985年建成的黄河白浪索道桥，其跨径为438m，载重40吨，为特大跨径索道桥设计施工积累了宝贵经验；近年来修筑跨径较大的索道桥为汶马高速狮子坪隧道索道桥，该桥设计跨径 353米，设计荷载单车60 吨，该索道桥的建成助力狮子坪隧道群施工，为汶马高速建成通车奠定基础。

索道桥架设作业的顺序：构筑锚碇和桥础，安设连接调整构件，张拉主索和稳定索，构筑进出口，设置横梁和桥面构件。条件允许时，还可以设置中间桥脚，架成多跨索道桥。

2 设计实例

2.1 总体布置

某水电站库区道路临时索道桥主跨214米，全长239米。设计最大垂度5.5米，垂跨比为1/38.9，桥面全宽13米，行车道宽4.5米，设计荷载为单车70t，设计行车速度不超过10km/h，设计使用年限4年。

图1 桥梁总体布置图

2.2 主索、锚索

主索包括桥面索、人行道索和稳定索组成，共48根。其中桥面索30根、人行道索6根、稳定索12根。主索规格为Φ52-6×37FS-IWRC-1960（破断拉力为1890KN），要求应符合GB /T 20118-2017标准，主索的选择应该根据计算桥梁最大使用前应按设计单索拉力的1.5倍进行预张拉处理，以基本消除钢丝绳的非弹性变形。锚索钢丝绳与承重主索相同，每根主索分别与一根锚索连接。

2.3 桥面系

桥面横向分区：中间设4.5m宽车行道，两侧各各设一道宽0.75m的人行道，人行道外侧设栏杆，桥面外侧设抗风索。

图2 桥梁横断面图

横梁：横梁是桥面索与稳定索之间的联系构件，用以增强桥梁的横向稳定性，较多的采用倒八字形和一字型。横梁的长度随桥梁的跨径和荷载不同而异,活载较小时可以采用较窄的横梁，活载较大时，为满足较大的稳定索布置间距，应布置较宽的横梁。本桥横梁横向宽度13m，设计在桥面全长范围内从两岸向跨中由疏渐密配置30根横梁，将全桥分为31个桥节，每个桥节宽度5~10m不等，中间稍密，两段渐稀。

行车道：行车道范围内，先横向满铺木质横桥板，再对应车轮分别设木质纵向车辙板，车辙板表面铺装6mm厚扁豆型花纹钢板护板。桥板与横梁和主索间通过螺栓及铁钩连接。

人行道：在人行道范围内横向满铺人行道板，桥板与横梁和主索间通过螺栓及铁钩连接。

栏杆：人行道两侧栏杆为索道桥通用式柔性栏杆。

桥面板：采用云南二级以上松木。横桥板厚10cm，纵向桥板厚7cm，人行道板厚5cm。

2.4 松紧调节器与连接器

松紧调节器由组合钢焊接而成。调整器两端通过滑轮与主索连接，中间由长螺杆相连，调节主索的松紧度。本桥调节器只在右岸设置。

连接器锚杯采用ZG35CrMo钢铸造，销轴采用40Cr钢加工，开口销采用A3钢加工，委托专业铸造厂加工，先铸成毛坯，然后加工内表面及其他部位，本桥调节器只在左岸设置索。

2.5 锚碇

索道桥的锚碇方式通常有地锚式、重力式、锚杆式、锚索式、组合式等几种。一般在土质基础中多采用重力式与地锚式，依靠桥台的自重与土的摩擦力和土体被动土压力平衡承重索的拉力。在岩石地基上，多用锚杆与锚索式，依靠锚索与岩体的粘结力平衡承重索的拉力。本桥根据地形、地质条件，综合考虑以上各方案的可靠性、施工周期、施工难度和经济性指标等因素，确定两岸锚碇均采用锚索式锚碇方案。锚索采用与承重主索相同的材料，即同为Φ52-6×37FS-IWRC-1960钢丝绳。锚索一端经过加工处理后锚入稳定岩石内一定深度，另一端通过连接调整器与主索连接，孔口折角部位加弧形导向板过度。

2.6 索道桥的使用与维护保养

索道桥是在平行张拉锚固于江河两岸的多根悬索上结构桥面而直接通行车辆的桥梁。其运营管理对索道桥的使用寿命及运行安全影响也非常大，若通行车辆长期超速、超载行驶，将对桥面系构件造成较大的不利影响，因此应重视索道桥的运营管理工作

3 索道桥静力分析

3.1 主索的受力分析

按索道桥相关文献和以往工程惯例，鉴于索桥桥计算理论体系还未完成共识、纵多钢丝绳线性一致性控制难度大、各钢丝绳弹模值也存在一定差异难以统一、超重型车辆荷载的冲击影响大等不利情况，索道桥主索安全计算中，偏安全地只考虑车道索和50%稳定索参与计算。

全桥参与安全验算Φ52钢丝绳（30+12×50%）根，单根钢丝绳破断拉力为1890 kN。

主索安全系数K=（30+12×40%）×1890/ 18986.7=3.6＞3.5，满足要求，主索安全。

3.2 主索矢度计算与调整

钢索张拉完毕后，进行钢索矢度调整。调整必须达到设计要求，各钢索的矢度差不得大于3cm。索道桥主索矢度的计算与调整均按设计活载组合放在桥跨最不利位置考虑，以此设计状态为始态换算各阶段的钢索矢度，本桥成桥状态活载在跨中时钢索最大垂度取5.5m。为了便于施工架设及控制，将钢索架设分为三个阶段，第一阶段为空缆状态（仅有缆索自重），第二阶段为成桥状态（桥面全部恒载均加上），第三阶段为700kN的重车作用在跨中状态（为偏安全，将全车当作一个轴加载），以上三种状态下钢索的跨中最大垂度f_max。设计计算按单根Φ52mm钢丝绳的理论截面积A=2122.6mm²，弹性模量E=1.0×105Mp_a进行，实际操作时应以实际购买的钢丝绳截面积和弹性模量进行复核计算。

表1 三个不同阶段单根钢索的垂度参数表

参数 阶段	fmax （m）	备 注
阶段一	1.7	空缆状态
阶段二	3.9	成桥状态
阶段三	5.5	700kN重车位于跨中状态

3.2 横梁的受力分析

荷载作用在桥面上，首先将力传给桥面索，桥面索垂度发生变化，并带动横梁下沉，横梁将力传给稳定索，稳定索受力大小可按桥横断面钢索根数平均分配计算。当荷载作用在横梁上，横梁受力最不利。则一侧稳定索对衡量的反作用力可简化为：

P=n1/n*（qL₁+P_活）=6/48×（11.7×10+700）=102.1KN

把横梁简化成简支梁模型，则：

Mmax=P*a=102.1×4.2=428.8KN·m=4.3×105N·m

通过计算横梁截面，得有效截面模量Wx=1.82×10-3 m³

σ= M_max/W_x=4.3×10⁵/1.82×10^-3 =236.3 MPa ＜275 MPa

3.3 锚索的受力分析

设计锚索入岩长度25m，锚固段长度8m。

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》所要求的计算方法，全桥参与安全验算Φ52钢丝绳（30+12×50%）根,取36根，则每根N_d=1.35*Yw*Nk=1.35×1.1×18986.7/36=783.2KN

锚索抗拔承载力应按下列公式计算：

锚固段注浆体与地层间极限粘结强度计算： =1000×3.14×0.15×8×0.8/2.2=1370.2KN

锚固段注浆体与筋体间粘结强度计算： =900×1×3.14×0.052×8×1=1175.6KN

则_，；故本桥所采用的锚索锚固长度满足要求。

3.4 风缆验算

索道桥计算高度处设计基准风速均为=23.4m/s。

索道橫桥向设计风力计算如下：

Fg=1/2ρU_g² C_DA_n=1/2×1.25×23.42×0.8×0.9=246.4N/m

由以上计算可知：索道横向静力风载：q=0.246kN/m。

风缆受力计算：[ (1/8×0.246×2142)/10.7]/cos45°=186.1KN< 662 KN。故风缆采用∅32-6×37FS+FC-1960满足抗风要求。

3.5 横向稳定性分析

活载在横梁间驾驶时，桥面的横倾角通常控制在3%以内，当桥梁在偏载作用下，倒八字型和一字型稳定横梁可以使得桥面的横向坡度大大降低，与传统不带稳定性的索道桥相比，其横向坡度可大大减小，起到良好的作用效果；通过已建索道桥计算和分析，两种类型的稳定横梁起到的效果相当，说明翼部横梁的悬出角度和高度对其稳定作用效果的影响不大。

随着翼部横梁尺寸的增大，索道桥一阶振动周期和扭转振动周期有增大趋势，振动频率有降低的趋势，但效果不明显。这说明稳定横梁的尺寸对索道桥的自振频率影响很小，可近似忽略不计。

3.6 经验与建议

a、对于主索与横梁计算应采用极限状态法，相对传统索道桥计算采用应力法计算，计算结果更符合现行规范与要求。

b、对于横梁计算时应按钢结构桥梁设计规范，简化成简支梁计算时应考虑横梁的剪力滞和局部稳定影响，W取值应按有效截面模量计算，计算结果更安全可靠。

c、横梁计算时，荷载效应应按通规采用基本组合，考虑到行车速度较慢，加之索道桥为柔性结构桥梁，车辆荷载计算可不考虑冲击系数（此条可参考场内交通规范）。

d、主索计算时，应按全部车道索与部分稳定索参与计算，计算结果与桥梁实际受力更符合。

4 结语

索道桥做为柔性桥梁结构，其设计多为单车道单车通行，通行荷载较小，且行驶速度较低，仅作为小交通量通行选择使用，使用年限较短；索道桥也有其较大优点，其结构简单，仅需在两岸设置锚碇既可建设全桥，对于大江大河，深谷地区桥梁建设，经济性价比较高，且其施工工期短，易于维修保养；作为军用桥梁使用，索道桥在不用时，可撤收其桥面构件，缩小目标，减少遭破坏的机会。

综上，在临时桥方案设计时应做多桥型对比，从经济性，施工工期，使用年限，结构安全性等等综合比较，择优使用，非有较大优势或独特建设条件，应慎重选择索道桥。

参考文献:

[1]黄绍金,刘陌生.现代索道桥.北京:人民交通出版社,2004，

[2]刘琪，周水兴，陈湛荣.索道桥静力与横向稳定性分析.重庆交通大学学报（自然学科版）, 2008,

[3]郑益龙.大跨度索道桥力学性能分析及可靠度研究.兰州交通大学,2010,

[4]周新年.工程索道与柔性吊桥.人民交通出版社,2008.