1 景区人行悬索桥概述

　　 景区人行悬索桥是指以通过索塔悬挂并锚固于大地或其他结构的缆索作为桥跨上部结构主要承重构件，建设于景区供人通行的桥梁。该类悬索桥一般采用钢结构作为桥面主要承载结构，以混凝土板、钢板、钢化玻璃或木板等作为桥面板供人通行。

　　 与公路悬索桥有所不同，人行悬索桥具有以下特点：1)无交通等重荷载，设计荷载较小；2)以缆索作为主要承重构件，能充分发挥材料强度，材料用量少，结构整体更轻柔；3)结构自振频率低、阻尼小，人致振动和风振问题需要特别关注；4)施工方便，无需大型吊装设备，能满足快速施工的要求。

　　 景区人行悬索桥通常是景区的地标式建筑，由于其相对建设投入少、吸引游客和经济回报高等因素，尤其是随着张家界和天蒙山等地人行悬索桥项目的成功运营，景区人行悬索桥在全国范围内广泛兴起。据不完全统计，全国范围内已建成超过150座景区大跨度人行悬索桥(不含玻璃栈道),这些项目几乎全部是近五年内建成并投入使用的，其中部分桥梁信息如表1所示。

　　 我国部分景区大跨度人行玻璃悬索桥 表1

编号	桥梁名称	跨径布置/m	建成时间
1	湖南平江石牛寨悬索桥	300	2015年
2	山东临沂天蒙山悬索桥	38+420+47.5	2016年
3	湖南张家界云天渡悬索桥	55+430+51	2016年
4	安徽芜湖马仁奇峰悬索桥	388	2017年
5	河北平山红崖谷悬索桥	488	2017年
6	宁夏沙坡头黄河悬索桥	58+210+60	2017年
7	辽宁丹东凤凰山悬索桥	30+183+61	2018年

 

　　  

　　 然而，除河北省在2018年发布了有关景区人行悬索桥的地方标准征求意见稿外，还没有全国性的专门针对景区人行悬索桥项目的规范与标准，也没有其他地方的相关标准。绝大部分人行悬索桥项目在缺少针对性规范的情况下，只能参考相关的公路桥梁设计规范、建筑设计规范或游艺设施设计规范进行设计。这些规范的人群荷载、舒适度要求和玻璃桥面设计等规定并不统一，也不一定适用于景区人行悬索桥。现有人行悬索桥多为相互复制或经验性的设计，其中的问题也被不断复制出现，造成景区安全隐患。

　　 本文将对人行悬索桥设计的常见结构体系及其特点进行介绍，再对人行悬索桥设计关键问题进行梳理并提出建议。

2 景区人行悬索桥结构体系

　　 根据桥面系与主缆的关系，人行悬索桥的结构体系一般可分为以下几类。

2.1 吊挂式结构体系

　　 这种类型的景区人行悬索桥最为常见，悬索桥由主缆、索塔、吊索、加劲梁及锚固系统组成，桥面通过吊索吊挂在主缆上，主缆通过索塔悬挂并锚固在两端，类似于公路悬索桥体系，如图1所示。图2为山东临沂天蒙山悬索桥，主跨420m, 宽4m, 距谷底高度143m, 采用吊挂式结构体系。

　　 图1 吊挂式结构体系 

　　  

　　 图2 山东临沂天蒙山悬索桥

　　  

2.2 索承式结构体系

　　 这类悬索桥的桥面板直接铺设在主缆上，桥面板需沿主缆的曲线布置，如图3 所示，桥面并非水平设置，这样在桥面纵坡较大处需设置阶梯以便行人行走。图4为河北平山红崖谷悬索桥，主跨488m, 宽2m, 距谷底高度218m, 采用索承式结构体系。

　　 图3 索承式结构体系  

　　  

　　 图4 河北平山红崖谷悬索桥  

　　  

2.3 综合承重体系

　　 这类景区人行悬索桥的桥面板同索承式悬索桥一样，直接铺设在主缆上，但是同时设有主缆吊索共同受力，是一种综合承重悬索桥。这类体系是前两类结构体系的结合，在中小跨度的景区人行悬索桥中比较常见，如图5所示。

　　 图5 综合承重体系  

　　  

2.4 单边支承式结构体系

　　 这一结构体系的桥面梁采用弧线形布置，主缆与吊索单边布置并通过索塔锚固，沿弧线内侧或外侧斜拉桥面，如图6所示。2003年在德国波鸿建成的加仑索人行天桥 ^[1]是这种类型的悬索桥，如图7(a)所示，其桥面为由两段圆弧拼接而成的S形，两根斜柱索塔仅在圆弧的内侧通过单边布置的主缆承担桥面荷载。在2016年建成的上海迪士尼人行悬索桥也属此类结构，桥面为圆弧形外侧支承。

　　 图6 单边支承式结构体系  

　　  

　　 图7 德国波鸿加仑索人行桥

　　  

　　 单边支承式结构体系的受力原理 ^[1]是“一个圆弧形的桥面只需要在沿着一条弧线上有铰接的支座，就不会向下翻转”。受力分析如图7(b)所示，这点完全不同于直梁。

　　 以圆弧形桁架梁为例，若支承分布在弧形梁的内侧，则线性荷载会使得梁上弦形成连续的拉力环，下弦则形成连续的压力环；若支承在弧形梁外侧，截面内力分布则相反，如图8所示。这对拉压力的合力方向指向圆弧径向，因此由这对U形力的合力所形成的力矩能够抵抗弧形板倾覆的趋势。

　　 图8 单边支承曲线桁架梁内力分布 

　　  

3 设计关键问题

3.1 荷载作用

　　 除结构自重恒荷载外，景区人行悬索桥需要特别重视人群荷载、栏杆荷载及风荷载的作用。

3.1.1 人群荷载

　　 人群荷载的确定应同时考虑安全性和经济性，人群荷载不与其他桥面活荷载同时考虑。当前我国现行相关规范对于人群荷载取值的要求见表2。

　　 现行规范人群荷载取值 表2

现行规范	人群荷载取值
《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[2]	专用人行桥梁为3.5kN/m2;桥面板局部设计时取4kN/m2
《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ 69—95)[3]	整桥设计时在2.4～5kN/m2之间根据桥宽和加载长度确定；桥面板按5.0kN/m2均布荷载或1.5kN竖向集中力作用在一块构件上验算
《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012)[4]	可能出现人群密集的区域取3.5kN/m2
《游乐设施安全规范》 (GB 8408—2008)[5]	按每人70～75kg及人数确定
《公园设计规范》 (GB 51192—2016)[6]	非通行车辆的园桥，考虑公园举行大型活动期间人员较为密集，对桥面均布荷载应按4.5kN/m2取值

 

　　  

　　 根据我国现行相关规范，本文建议：1)随着加载长度的增加，人群荷载取值可逐渐减小；2)应分别进行正常使用状态和承载力极限状态设计，同时针对景区特点，考虑人群聚集状态的非均匀荷载分布计算；3)桥面系局部设计时的人群荷载取值应较整桥结构设计时大。

　　 在上述原则的基础上，景区悬索桥人群荷载的取值应根据景区运营能力和桥梁实际跨度进行专门研究，或对上桥人数限流控制。也可按以下标准取值：结构整体计算时，不应小于2.4kN/m²;设计桥面系、吊索或分析聚集人群不利影响时，局部密集人群荷载取3.5kN/m²;单块桥面板的人群荷载按5kN/m²均布荷载或1.5kN竖向集中力作用在一块构件上计算，取其不利者。

3.1.2 桥上栏杆荷载

　　 对于桥上栏杆的设计荷载，水平荷载与竖向荷载应分别计算，当前我国现行规范对桥上栏杆荷载也有相关规定，见表3。

　　 现行规范栏杆荷载取值 表3

现行规范	《公路桥涵 设计通用规范》 (JTG D60—2015)[2]	《城市人行天桥与 人行地道技术规范》 (CJJ 69—95)[3]	《建筑结构 荷载规范》 (GB 50009—2012)[4]
水平荷载/ (kN/m)	0.75	2.5	1
竖向荷载/ (kN/m)	1	1.2	1.2

 

　　  

　　 考虑到景区人行悬索桥上游客聚集且更趋向拉靠栏杆，建议取作用在栏杆扶手上的水平向外荷载为2.0kN/m; 竖向荷载为1.2kN/m。同时，应提高栏杆节点设计的构造要求。

3.1.3 风效应分析和抗风措施

　　 设计风荷载取值可参考《公路桥涵抗风设计规范》(JTG/T D60-01—2004)、《公路悬索桥设计规范》(JTG/T D65-05—2015)和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[4]等规范，并结合桥址当地实测风速选取。

　　 设计时应考虑山峰、山谷修正系数影响以及不同风向角的影响。《游乐设施安全规范》(GB 8408—2008) ^[5]中规定风速超过15m/s时应关闭设施，设计也应根据当地环境情况明确提出景区人行桥的关闭条件，建议取桥面基准风速值为15m/s作为运营阶段的风速限值。

　　 除静风荷载计算外，风致稳定性问题也是人行悬索桥面临的重要问题。风致稳定性问题包括静力稳定性验算、驰振/颤振稳定性分析以及涡振分析等，可通过《公路桥涵抗风设计规范》(JTG/T D60-01—2004)中提供的经验公式及气弹性试验来分析和解决。对于大跨度人行悬索桥，一般可通过设置抗风缆或采用空间主缆倾斜布置的方式解决抗风稳定性问题，如图9所示。

　　 图9 人行悬索桥抗风措施  

　　  

3.2 缆索选用

　　 人行悬索桥结构中常用的缆索构件包括主缆、抗风缆、吊索和抗风拉索，可选用的索型有钢丝束、钢绞线、钢丝绳、钢拉杆，所用高强度钢丝宜采用热镀锌线材或锌-5%铝-混合稀土合金镀层钢丝。

　　 图10 多股平行钢丝束 

　　  

　　 索的选用方面通常需要考虑承载能力、运输可行性、防腐和锚固四类问题。由于景区人行悬索桥多建设在山区之中，当主缆长度大、重量大、运输不便时，宜选用多股平行钢丝束(图10),采用预制平行索股法(PPWS法)架设主缆。这样可以将主缆分为多股小截面索股运达桥址，在施工现场进行组缆、整圆并缠丝防腐，以此解决缆索运输困难的问题。这也是公路悬索桥中解决索材防腐问题的一种常用方法。同时，多股平行钢丝束能够更容易实现散索锚固。

　　 对于架设在半空中的抗风缆，难以现场组缆和进行防腐处理，则宜选择自身具有良好抗腐能力的索材，如高钒镀层索或带PE护套成品索等。

3.3 找形方法

　　 悬索桥的形态可以分为成桥状态、空缆状态(自由悬挂长度)和无应力状态。

　　 悬索桥受力后表现为较强的非线性特征，其缆索到位后难以后期调整索力和标高，必须通过准确计算其无应力状态来进行施工过程控制 ^[7],因此计算悬索桥合理成桥状态，是悬索桥设计的重点之一。

　　 悬索桥找形的目的就是找到施工开始时的理想状态，经过自重荷载施加达到理想成桥状态，即建成后在恒荷载作用(含初应变)下，全桥位移为零或较小值。

　　 悬索桥线形的确定方法大致可分为解析法和有限元法，解析法仅适用于理想情况，而有限元法则适应性更强。采用有限元软件进行找形的方法主要有：1)缆索应变调整法，即通过多次调整缆索的初应变，使得结构在恒荷载作用下的挠度和应力最小；2)坐标更新法，即根据初次计算挠度反向调整缆索初始坐标，使得结构在恒荷载作用下的挠度和应力最小。实际设计过程中，可以将两种方法结合使用，以提高找形效率和准确性。

　　 设置抗风缆的人行悬索桥，其主缆与抗风缆的受力通常会在找形分析中相互影响，使得找形分析变得十分复杂。主缆和抗风缆可按顺序分别找形 ^[8],避免同时调整两类缆索。

　　 以图11所示人行悬索桥来说明设置抗风缆的人行悬索桥的基本找形过程。

　　 图11 人行悬索桥找形示意图  

　　  

　　 (1)首先对抗风缆进行找形，建立全桥有限元模型，初步设计抗风缆无应力长度和抗风拉索内力。在全桥模型中计算抗风缆线形，并根据“在正常运营期间(桥面基准风速15m/s),抗风缆不松弛”的条件及桥面侧向变形限制条件(设计风速)确定抗风缆的初应变。

　　 (2)抗风缆线形确定后，施加结构恒荷载及抗风拉索传递的竖向分力，再单独对主缆找形分析。先进行主缆跨中索找形，临时固定塔顶A,B两点，采用主缆应变调整法，对跨中悬索进行迭代找形；然后进行边跨索找形，释放A,B两点的临时固定，通过调整边跨索的初应变，使桥塔顶A,B两点的水平位移为0。迭代找形过程结合坐标更新法，只更新缆索z坐标，不更新水平坐标，以免吊索倾斜。

　　 (3)桥面找形(即吊索找形),计算确定各吊索下节点的竖向位移，即可计算各吊索的初应变，通过这一步的找形，可以实现桥面调平。

　　 (4)上述过程完成后，可复核抗风缆控制条件，微调抗风缆初应变，使得在“恒荷载+各索初应变”的非线性工况下，全桥位移为零或较小值。

3.4 人致振动设计

　　 我国现有相关规范仅从限制自振频率下限的角度对人行桥振动舒适度提出了规定：《城市人行天桥与人行地道技术规范》(CJJ 69—95) ^[3]规定人行桥的竖向频率不应小于3Hz, 《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》(JGJ/T 441—2019) ^[9]则要求连廊和室内天桥的第一阶横向自振频率不宜小于1.2Hz。

　　 人行悬索桥人致振动设计目前还没有国内规范可供参考，暂可参考德国人行桥设计指南EN03—2007 ^[10](简称《EN03—2007指南》)的主要流程进行设计，如图12所示。

　　 图12 人致振动设计流程  

　　  

　　 需要注意的是，在《EN03—2007指南》中，考虑人行悬索桥可能由第二阶简谐人行荷载激励产生竖向共振，而横向振动则仅受一阶振动影响。对于一阶竖向自振频率满足1.25Hz≤f≤3Hz, 二阶竖向频率满足2.5Hz≤f≤4.6Hz, 横向频率满足0.5Hz≤f≤1.2Hz的桥梁，认为其处于人致振动频率敏感范围内，应进行人致振动舒适度分析，校核舒适度指标和侧向锁定标准是否满足要求。

　　 而景区人行悬索桥结构，一般体系轻柔，自振频率较低，如河北红崖谷悬索桥的一阶竖向频率为0.279Hz, 横向频率为0.262Hz; 江西羊狮幕卧在云端悬索桥的一阶竖向自振频率为0.237Hz, 横向频率为0.180Hz, 均远低于上述限值。

　　 可见，对于景区大跨人行悬索桥，现有规范考虑到的自振频率区间未包含实际频率，但显然人行悬索桥仍存在人致振动问题，因此仍可参考上述方法对景区大跨人行悬索桥的振动分析进行研究，同时根据安全性和使用功能确定适合的舒适度级别。

　　 人行荷载表达式可取为：

　　 p(t)=Pr´ψcos(2πfst)         (1)p(t)=Ρr´ψcos(2πfst)         (1)

　　 式中：P为单人行走时产生的作用力；r′为等效同步行人数；f_s为人行步频，在《EN03—2007指南》中取为人行桥的基频，但对于景区人行悬索桥，因为基频过低，若按照基频构造的人行荷载过于缓慢，建议改为按实际步行频率区间1.8～2.5Hz中取值；ψ为考虑频率的荷载折减系数；t为时间。

　　 加载方向可根据结构振型确定，按照使结构振动最不利的方向进行加载 ^[11],如图13所示。

　　 图13 人行荷载加载方向 

　　  

　　 图12中第5步为核对侧向锁定人数目标，这是因为当桥面行人达到一定数量时，桥梁发生的振动使得人群会不自觉地调整步伐以适应桥梁的振动。当多数行人进行这一调整后，就会加剧桥梁的振动，侧弯基频低于1.2Hz的人行桥容易发生侧向发散振动，即侧向锁定现象。伦敦千禧桥在2000年开通当日所发生的过量横向摇摆就是由于发生了侧向锁定现象。为了避免这一现象的出现，除了在设计阶段进行人致振动分析外，建议通过设置观景台、局部体验项目或采用混乱步伐的贴纸等措施来引导人群步伐趋于混乱，从而避免振动的发散。

　　 当舒适度指标不能满足要求时，可通过增加结构刚度、增加结构阻尼(如设置调频质量阻尼器)等减振措施来改善人行悬索桥的人致振动舒适度。

3.5 节点设计

　　 节点设计是景区人行悬索桥设计的重要环节。其中主缆与索鞍连接节点是其中的重点，该节点可参考公路悬索桥中的索鞍节点构造进行设计。为了主缆张拉的需要，此节点应设计为，在施工过程中可在桥塔上滑动，通过索鞍的侧推实现主缆的张拉，待索鞍就位后再与桥塔进行固定。

　　 吊索与主缆及桥面的连接节点是当前设计中常被忽略的薄弱环节，该节点受风荷载和振动影响较大，易出现疲劳松弛问题。常见的吊索与主缆或钢桥面的连接节点形式如图14所示，应根据计算所得的各工况下吊索内力和应力幅进行节点设计和疲劳验算。

　　 在索承式体系中，有一处值得注意的节点。为了让桥面板只参与承受和传递人群荷载，不参与主体结构的受力，桥面结构不能连续铺设，否则桥面也会成为主缆受力的一部分，承受很大的拉力。建议将桥面划分设计为标准化模块，如图15所示。钢桥面每两个节间为一个标准化模块，每个标准化模块之间不连接。为了实现钢桥面不连续的设计意图，要特别注意主缆与桥面板之间的连接节点设计。在标准化模块中间位置，主缆与钢桥面形成有效连接，如图16(a)所示，而在桥面各模块间，主缆与钢桥面连接节点采用纵向滑动式连接节点，如图16(b)所示。

　　 图14 吊索节点形式  

　　  

　　 图15 桥面标准化模块 

　　  

　　 图16 索承式体系主缆与桥面连接节点  

　　  

　　 此外，温度变化对大跨度人行悬索桥影响较大，需要桥面系在桥端支座处设置温度构造措施，如桥端支座沿纵向释放滑动连接，或采用弹性约束支座等。

3.6 桥面板

　　 景区人行悬索桥的桥面材料一般可选用玻璃、木材、混凝土板、钢板等，为了追求美观与刺激的娱乐效果，景区人行悬索桥常常采用玻璃桥面板。

　　 根据笔者对景区玻璃桥面板的现状调研，基于目前的应用情况及存在的问题，关于玻璃桥面板的设计有如下建议：

　　 (1)玻璃桥面板设计时宜考虑2.0的动力放大系数。点支承和夹持支承的方式会造成玻璃板上的应力集中，因此玻璃桥面板必须采用四边支承方式。

　　 (2)玻璃桥面板必须采用夹层玻璃，且夹层玻璃片数不宜少于3片，并在设计时应考虑一片玻璃面板破碎的不利工况。参考《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ 102—2003) ^[12],由于人行悬索桥位于室外，在高温等恶劣的工作条件下，建议不考虑夹胶玻璃中胶片的有利作用。

　　 (3)对于夹层玻璃胶片材料，SGP夹层玻璃在开裂后仍具有一定的剩余承载力，且耐久性较好，设计时宜优先选用SGP夹层玻璃 ^[13]。

　　 (4)为降低玻璃自爆率，宜选用优质玻璃原片或超白玻璃，并进行二次热处理。

　　 (5)在景区运营时宜要求游客穿上鞋套以防止玻璃桥面出现划痕，产生玻璃破碎的隐患。

4 结语

　　 大跨度景区人行悬索桥通常是景区的地标式建筑，其设计过程应经过特别分析和验证。本文介绍了人行悬索桥常见结构体系及其特点，并在荷载取值、缆索选用、找形分析、人致振动、节点设计和桥面板六个方面对人行悬索桥结构设计的关键技术问题提出了归纳和建议，希望为工程设计人员提供参考和借鉴。