周祥乾

（珠海市规划设计研究院，广东 珠海 519000）

山地步道作为慢行系统的重要组成部分，拓展了城市空间，丰富了城市体验，受到市民的青睐。凤凰山山地步道项目位于香洲区凤凰山森林公园东南部，西接香山湖公园，东至海天公园，南依梅华路，北邻大镜山水库，全长约8.6 km。项目周边已建成香山湖公园、香山驿站、石溪公园、大镜山社区体育公园、海天公园等城市公共空间，是市民重要的休闲目的地。山地步道串联起了城市景点，延伸了慢行空间，起到了良好的社会效益。

山地步道项目其中一处采用了螺旋吊桥的落地方式。螺旋吊桥主梁采用钢箱梁结构，梁高0.7 m，标准段桥梁宽3 m，底板宽0.65 m，箱梁顶板厚14 mm，底板厚12 mm，腹板厚16 mm，箱梁内顶底板设置5道纵向板肋，主梁横隔板标准间距1.5 m 布设，支点横隔板厚10 mm。电梯竖塔由直径6 m 的混凝土筒体组成，高度44.5 m，螺旋吊桥共7.5 圈，中心线直径分别为20 m 和15 m，坡度为1∶12。螺旋吊桥由水平的撑杆和斜向的拉、压杆与中间混凝土电梯塔筒相连。为了避免人行过程中结构沿环形切向的晃动，吊杆和撑杆采用星形布置。电梯塔筒壁厚450 mm，混凝土强度等级为C40，筒身内置型钢劲性骨架（见图1、图2）。

图1 螺旋吊桥总体布置图（单位:cm）

图2 撑杆及拉压杆布置图

螺旋吊桥纵向计算可以理解为曲率较大的弯桥建立梁单元进行分析，以下是相关计算和结果。

2.1 计算荷载取值

根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ 69—1995）、《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）取值。

2.1.1 永久作用

结构自重、铺装、栏杆等。

2.1.2 可变作用

2.1.2.1 人行荷载效应根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ 69—1995）中3.1.3.2 条计算人群荷载取值。

2.1.2.2 整体升、降温

珠海平均气温21.8℃，极端最低气温-1.3℃，极端最高气温36.7℃。结合《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）4.3.12 条温热地区刚桥面板钢桥，最高温度46℃，最低温度-9℃。结构落架基准温度约20℃，计算考虑整体升温25℃，整体降温-25℃。

2.1.2.3 风荷载

螺旋吊桥位于山谷，考虑向上的风吸和向下的风压作用。

2.2 荷载组合

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）

4.1.5 条进行承载能力基本组合、正常使用标准组合。

2.3 计算模型

采用Midas Civil 2020 软件建立三维梁单元模型进行结构分析，计算模型见图3 所示。

图3 计算模型

2.4 静力计算分析

2.4.1 应力验算

基本组合下钢箱梁最大正应力为81.1 MPa，上撑杆最大正应力为141.2 MPa，下撑杆最大正应力为214.4 MPa，均小于270 MPa；
上拉杆最大正应力为199.1 MPa，小于520 MPa。满足规范要求。

2.4.2 变形验算

在恒载、人群荷载、温度荷载和横风作用标准组合下，水平方向最大变形分别为35.7 mm、31.1 mm，竖向最大变形为25.5 mm。参考《高耸结构设计规范》（GB 50135—2019）3.0.11 条，水平位移角限值1/150。该结构总高44 m，水平位移角35.7/44 000=1/1232，满足要求。

人群作用下，主梁最大挠度为9.6 mm，出现在大小环过渡处（见表1）。恒载+人群作用下，主梁最大挠度为12.7 mm，出现在坡道顶部（见表2）。取这两处进行挠度验算。

表1 大小环过渡处挠度一览表

表2 吊桥顶部挠度一览表

2.4.3 频率验算

第一二阶自振频率为水平方向弯曲，分别为4.27 Hz 和4.33 Hz。第三阶自振频率为竖直方向，为7.56 Hz。满足要求。图4 为前三阶振型。

图4 前三阶振型

2.4.4 屈曲验算

第1 阶屈曲模态临界荷载系数为26.15＞4，结构稳定满足要求（见图5）。

图5 第1 阶屈曲模态

为了结构有更好的人行空间和视线，采用吊杆与主梁内侧连接的方式，导致主梁在人群荷载作用下产生横向扭矩，有倾覆的趋势，横向分析不能忽视。

该结构为螺旋状，有别于常规端部约束的直梁在扭矩作用下产生扭转剪应力。在均匀满布的人群荷载作用下，主梁各个位置的扭转变形一致，扭转剪应力不明显。进一步分析该结构在横向扭矩作用下的倾覆问题，表现出的是主梁横向受弯问题。在极限荷载作用下，结构破坏发生在受压构件局部失稳，进而导致整体结构横向倾覆，类似于上翘的帽檐在外力作用下突然下翻。

据此，该结构横向扭矩作用下的倾覆问题，表征为结构横向受弯状态下的受压部位失稳问题；
减小该结构横向扭矩作用下的倾覆问题的关键在于增强横向刚度，如设置横隔板。

为了进一步了解横隔板数量对结构横向抗倾覆的影响，建立三维板单元模型进行对比分析（见图6）。表3 为横向受力与横隔板数量关系一览表。图7为不同横隔板数量下主梁应力图示。

图7 不同横隔板数量下主梁应力图示

表3 横向受力与横隔板数量关系一览表

图6 三维板单元模型

根据计算结果，随着横隔板数量的增加，外侧最大竖向位移减小，屈曲临界荷载系数增大，结构刚度和稳定性增强。当不设置横隔板时，最大最小应力为57.7/-54.9 MPa，当设置4 道横隔板时，由于横隔板数量较少，出现加大的应力集中现象，最大最小应力为87.2/-108.5 MPa。随着横隔板数量的增加，应力集中现象逐渐减小，当横隔板数量由8 道增加至16道时，最大最小应力为变化不大趋于稳定，且主梁受力较均匀。据此，该结构设置16 道横隔板结构横向受力相对理想。

螺旋吊桥结构新颖、曲率较大，结构计算与一般的吊索桥梁结构有所区别。通过建立三维单元模型对整体结构进行纵向分析，同时为了解决横向扭矩作用下的倾覆问题，采用三维板单元进行结构模拟和对比分析，最终确定合理的横隔板数量。为该类式螺旋吊桥结构的分析计算提供参考。

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