中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：“希夷之大理”彩虹橋采用大跨度空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系，橋主體結(jié)構(gòu)跨度220米，結(jié)構(gòu)總高度為33.15米。系統(tǒng)地介紹了大理彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，進行了空間管桁架獨立支撐結(jié)構(gòu)體系和空間管桁架-拉索結(jié)構(gòu)體系的分析比較。為減少空間拱結(jié)構(gòu)造成的剛接支座水平推力，采取了在上部鋼結(jié)構(gòu)施工過程中對支座邊界條件調(diào)整的處理方案，并以支座變形作為計算條件對主體結(jié)構(gòu)重新進行有限元計算，結(jié)果表明，此時支座水平推力有了大幅減少。
關(guān)鍵詞：空間管桁架；拉索結(jié)構(gòu)；空間管節(jié)點；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；有限元分析。
1 工程概況
“希夷之大理”彩虹橋居于蒼山洱海之間、大理古城之角，形成“一橋飛架南北，天塹變通途”的意境，形成大理古城新地標景象。彩虹橋與旋轉(zhuǎn)天棚結(jié)合起來，通過水面的倒影，形成一個眼睛形象，通過燈光效果和視頻效果渲染，形成一個魔幻的超現(xiàn)實的景象（圖1）。“希夷之大理”彩虹橋通過眼睛的空靈理念形成夢幻的視覺沖擊力，同時彩虹橋也是舞臺裝置（水霧、視頻、燈光等）的重要支撐結(jié)構(gòu)。
彩虹橋主體結(jié)構(gòu)外跨度222m，內(nèi)跨為153m，內(nèi)拱高度30m，結(jié)構(gòu)總體高度為32.55m，為多裝置集合支點：水幕管道、維亞吊裝、燈光支架、視屏投影幕。彩虹橋附屬設(shè)備包括檢修馬道、燈光桁架及吊桿基座。投影幕采用索膜結(jié)構(gòu)張拉固定在大跨度鋼橋結(jié)構(gòu)主體上。
圖1 “希夷之大理”彩虹橋水霧視頻迷霧效果圖 (彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計)
2 場地工程地質(zhì)條件
工程所處區(qū)域地處大理斷陷盆地邊緣地段,地形較平坦，屬沖洪積臺地地貌形態(tài)。擬建場地位于8度抗震設(shè)防烈度區(qū)，屬強震區(qū)；場地地面相對高差1.78m，未發(fā)現(xiàn)古河道、暗埋的塘浜等，建筑抗震地段屬可進行建設(shè)的一般場地。
表1 土層主要物理力學指標
3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 結(jié)構(gòu)體系與布置
彩虹橋主體結(jié)構(gòu)外跨度222米，內(nèi)跨為153米，內(nèi)拱高度30米，結(jié)構(gòu)總體高度為32.55米，工程所在地區(qū)地震基本烈度為8度，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防分類為標準設(shè)防類。擬采用采用大跨度空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系。其中主立管斷面尺寸為∅1020x25；主腹桿斷面尺寸為∅500x16；次腹桿斷面尺寸為∅402x16。彩虹橋結(jié)構(gòu)布置平面圖見圖2，彩虹橋結(jié)構(gòu)布置正立面圖見圖3，彩虹橋結(jié)構(gòu)布置側(cè)立面圖見圖4。
圖2 彩虹橋結(jié)構(gòu)布置平面圖 (彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計)
圖3 彩虹橋結(jié)構(gòu)布置正立面圖
彩虹橋附屬設(shè)備包括檢修馬道、燈光桁架及吊桿基座，采用斜鋼拉桿與主體桁架連接的方式固定，斜鋼拉桿斷面尺寸為∅203×6。投影幕采用索膜結(jié)構(gòu)張拉固定在大跨度鋼橋結(jié)構(gòu)主體上。彩虹橋馬道布置剖面見圖5。
圖4 彩虹橋結(jié)構(gòu)布置側(cè)立面圖 (彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計)
圖5 檢修馬道與斜鋼拉桿布置剖面圖
3.2 荷載取值與組合布置
計算時考慮了結(jié)構(gòu)恒載、活載、水平地震作用、溫度作用等荷載，并考慮了活載的不利布置。
考慮到主體結(jié)構(gòu)露天，橋面沒有有效的保溫隔熱措施，在陽光直射下，構(gòu)件溫度變化大，因此設(shè)計計算中考慮了±30oC溫差。
3.3 結(jié)構(gòu)方案比較分析
設(shè)計中對以下兩種結(jié)構(gòu)體系進行比較分析：
（1）空間拉索-管桁架結(jié)構(gòu)體系（見圖6）。為平衡鋼索拉力，另建5座鋼結(jié)構(gòu)固定塔，以固定5組鋼索。鋼結(jié)構(gòu)固定塔有限元計算模型見圖7。
（2）空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系。為增強結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，減少變形，將橋體上表面寬擴大2m，鋼管桁架高度增加1m。空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系有限元計算模型見圖8。
圖6 空間索-管桁架結(jié)構(gòu)體系ANSYS有限元計算模型
圖7 鋼固定塔
圖8 空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系ANSYS有限元計算模型 (彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計)
采用復雜多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件PMSAP與SAP2000及ANSYS對主體結(jié)構(gòu)進行空間分析計算，兩種結(jié)構(gòu)體系方案有限元計算比較結(jié)果見表2。
表2 兩種結(jié)構(gòu)體系方案有限元計算結(jié)果比較
空間索-管桁架和空間鋼管桁架兩種結(jié)構(gòu)體系方案主要斷面和用鋼量技術(shù)經(jīng)濟比較見表32。
表3 兩種結(jié)構(gòu)體系方案主要斷面和用鋼量比較
有限元計算分析結(jié)果表明：空間索-管桁架和空間鋼管桁架兩種結(jié)構(gòu)體系均可以滿足規(guī)范要求。與空間索-管桁架結(jié)構(gòu)體系相比較，空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系具有總用鋼量低、施工方便的特點。經(jīng)與演藝創(chuàng)作組和業(yè)主反復協(xié)商，為提高場地利用率，決定將5組鋼索和5座鋼結(jié)構(gòu)固定塔取消，彩虹橋主體結(jié)構(gòu)采用空間管桁架獨立支撐結(jié)構(gòu)體系，同時從提高對觀眾視覺沖擊角度考慮，導演要求主立管直徑從1020改為1200。
4 基礎(chǔ)設(shè)計與鋼結(jié)構(gòu)支座邊界條件探討
4.1 樁基設(shè)計
彩虹橋基礎(chǔ)設(shè)計采用人工挖孔灌注樁。人工挖孔灌注樁樁端主要持力層為第②3圓礫層，樁長10m，樁直徑1000mm。單樁豎向承載力特征值1800kN，單樁抗拔承載力特征值1000kN，單樁水平承載力特征值380kN。
圖9 彩虹橋樁基平面布置圖 (彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計)
4.2 鋼結(jié)構(gòu)支座邊界條件
彩虹橋人工挖孔灌注樁施工過程中，由于圓礫層中地下水滲透性強，孔內(nèi)出水量大，施工單位未按設(shè)計要求做好排水措施，導致在人工挖孔至7.5m左右時出現(xiàn)大量流砂塌孔。
此時若采取重新組織施工排水方案以滿足設(shè)計的10m樁長，或者采取補樁方案，不僅造價高，
而且施工工期長。為此，根據(jù)現(xiàn)有成樁有效樁長豎向和水平方向承載力，進行樁基設(shè)計和上部鋼結(jié)構(gòu)支座邊界條件調(diào)整，以縮短工期，節(jié)省投資，成為本工程樁基設(shè)計調(diào)整的難點。
（1）單樁豎向承載力問題。原設(shè)計樁長10m，單樁豎向承載力特征值1800kN。實際施工后現(xiàn)有成樁有效樁長7.5米。本工程樁基數(shù)量由水平承載力控制，經(jīng)核算，有效樁長7.5m樁豎向承載力已能滿足要求。由于人工挖孔灌注樁底部的浮砂層在施工過程無法清理干凈，對全部樁基均采用樁底高壓后注漿法進行處理，以保證人工挖孔灌注樁的樁身承載力和減少沉降。
（2）單樁水平承載力問題。原設(shè)計樁長10m，單樁水平承載力特征值380kN。實際施工后現(xiàn)有成樁有效樁長7.5米，單樁水平承載力已不能滿足設(shè)計要求。
為減少空間拱結(jié)構(gòu)造成的剛接支座水平推力，采取了在上部鋼結(jié)構(gòu)施工過程中對支座邊界條件調(diào)整的處理方案：橋主體結(jié)構(gòu)左側(cè)部分支座采用固定連接節(jié)點，將右側(cè)鋼柱腳底板圓形地錨栓孔改為長圓形，上部鋼結(jié)構(gòu)安裝后允許右側(cè)支座在拱結(jié)構(gòu)自重作用下水平移動30mm。
以支座位移30mm作為計算條件，采用SAP2000對主體結(jié)構(gòu)重新進行有限元計算，結(jié)果表明，此時支座水平推力有了大幅減少。現(xiàn)有樁數(shù)量和成樁有效樁長7.5m已能滿足受力要求。
5 結(jié)語
1）彩虹橋主體鋼結(jié)構(gòu)對空間索-管桁架和空間鋼管桁架兩種結(jié)構(gòu)體系方案進行了比較，并采用SAP2000及ANSYS有限元軟件分別進行了不同荷載工況下的受力分析，分析結(jié)果表明，空間索-管桁架和空間鋼管桁架兩種結(jié)構(gòu)體系均可以滿足結(jié)構(gòu)承載力和正常使用要求，與空間索-管桁架結(jié)構(gòu)體系相比較，空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系具有總用鋼量低、場地利用率高、施工方便的特點。同時為增強結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，減少變形，空間鋼管桁架獨立支撐結(jié)構(gòu)比索-管桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)采用更大的斷面尺寸。
圖10 彩虹橋樁施工現(xiàn)場 (彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計)
2）為減少空間拱結(jié)構(gòu)造成的剛接支座水平推力，采取了在上部鋼結(jié)構(gòu)施工過程中對支座邊界條件調(diào)整的處理方案，并以支座變形作為計算條件對主體結(jié)構(gòu)重新進行有限元計算，結(jié)果表明，此時支座水平推力有了大幅減少。根據(jù)現(xiàn)有成樁有效樁長豎向和水平方向承載力，進行樁基設(shè)計和上部鋼結(jié)構(gòu)支座邊界條件調(diào)整，縮短了工期，節(jié)省了大量投資，保障了工程的順利進行。
參考文獻
[1] GB50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003
[2] JGJ94-2008.建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008
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