鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：“希夷之大理”彩虹橋采用大跨度空間鋼管桁架結構體系，橋主體結構跨度220米，結構總高度為33.15米。系統地介紹了大理彩虹橋鋼結構設計過程，進行了空間管桁架獨立支撐結構體系和空間管桁架-拉索結構體系的分析比較。為減少空間拱結構造成的剛接支座水平推力，采取了在上部鋼結構施工過程中對支座邊界條件調整的處理方案，并以支座變形作為計算條件對主體結構重新進行有限元計算，結果表明，此時支座水平推力有了大幅減少。
關鍵詞：空間管桁架；拉索結構；空間管節點；結構優化；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。彩虹橋與旋轉天棚結合起來，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）的重要支撐結構。
彩虹橋主體結構外跨度222m，內跨為153m，內拱高度30m，結構總體高度為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。彩虹橋附屬設備包括檢修馬道、燈光桁架及吊桿基座。投影幕采用索膜結構張拉固定在大跨度鋼橋結構主體上。
圖1 “希夷之大理”彩虹橋水霧視頻迷霧效果圖 (彩虹橋鋼結構設計)
2 場地工程地質條件
工程所處區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。擬建場地位于8度抗震設防烈度區，屬強震區；場地地面相對高差1.78m，未發現古河道、暗埋的塘浜等，建筑抗震地段屬可進行建設的一般場地。
表1 土層主要物理力學指標
3 鋼結構設計
3.1 結構體系與布置
彩虹橋主體結構外跨度222米，內跨為153米，內拱高度30米，結構總體高度為32.55米，工程所在地區地震基本烈度為8度，結構抗震設防分類為標準設防類。擬采用采用大跨度空間鋼管桁架結構體系。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。彩虹橋結構布置平面圖見圖2，彩虹橋結構布置正立面圖見圖3，彩虹橋結構布置側立面圖見圖4。
圖2 彩虹橋結構布置平面圖 (彩虹橋鋼結構設計)
圖3 彩虹橋結構布置正立面圖
彩虹橋附屬設備包括檢修馬道、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。投影幕采用索膜結構張拉固定在大跨度鋼橋結構主體上。彩虹橋馬道布置剖面見圖5。
圖4 彩虹橋結構布置側立面圖 (彩虹橋鋼結構設計)
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
計算時考慮了結構恒載、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。
考慮到主體結構露天，橋面沒有有效的保溫隔熱措施，在陽光直射下，構件溫度變化大，因此設計計算中考慮了±30oC溫差。
3.3 結構方案比較分析
設計中對以下兩種結構體系進行比較分析：
（1）空間拉索-管桁架結構體系（見圖6）。為平衡鋼索拉力，另建5座鋼結構固定塔，以固定5組鋼索。鋼結構固定塔有限元計算模型見圖7。
（2）空間鋼管桁架結構體系。為增強結構整體穩定性，減少變形，將橋體上表面寬擴大2m，鋼管桁架高度增加1m。空間鋼管桁架結構體系有限元計算模型見圖8。
圖6 空間索-管桁架結構體系ANSYS有限元計算模型
圖7 鋼固定塔
圖8 空間鋼管桁架結構體系ANSYS有限元計算模型 (彩虹橋鋼結構設計)
采用復雜多、高層建筑結構分析與設計軟件PMSAP與SAP2000及ANSYS對主體結構進行空間分析計算，兩種結構體系方案有限元計算比較結果見表2。
表2 兩種結構體系方案有限元計算結果比較
空間索-管桁架和空間鋼管桁架兩種結構體系方案主要斷面和用鋼量技術經濟比較見表32。
表3 兩種結構體系方案主要斷面和用鋼量比較
有限元計算分析結果表明：空間索-管桁架和空間鋼管桁架兩種結構體系均可以滿足規范要求。與空間索-管桁架結構體系相比較，空間鋼管桁架結構體系具有總用鋼量低、施工方便的特點。經與演藝創作組和業主反復協商，為提高場地利用率，決定將5組鋼索和5座鋼結構固定塔取消，彩虹橋主體結構采用空間管桁架獨立支撐結構體系，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 基礎設計與鋼結構支座邊界條件探討
4.1 樁基設計
彩虹橋基礎設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 (彩虹橋鋼結構設計)
4.2 鋼結構支座邊界條件
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，孔內出水量大，施工單位未按設計要求做好排水措施，導致在人工挖孔至7.5m左右時出現大量流砂塌孔。
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，根據現有成樁有效樁長豎向和水平方向承載力，進行樁基設計和上部鋼結構支座邊界條件調整，以縮短工期，節省投資，成為本工程樁基設計調整的難點。
（1）單樁豎向承載力問題。原設計樁長10m，單樁豎向承載力特征值1800kN。實際施工后現有成樁有效樁長7.5米。本工程樁基數量由水平承載力控制，經核算，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。原設計樁長10m，單樁水平承載力特征值380kN。實際施工后現有成樁有效樁長7.5米，單樁水平承載力已不能滿足設計要求。
為減少空間拱結構造成的剛接支座水平推力，采取了在上部鋼結構施工過程中對支座邊界條件調整的處理方案：橋主體結構左側部分支座采用固定連接節點，將右側鋼柱腳底板圓形地錨栓孔改為長圓形，上部鋼結構安裝后允許右側支座在拱結構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對主體結構重新進行有限元計算，結果表明，此時支座水平推力有了大幅減少。現有樁數量和成樁有效樁長7.5m已能滿足受力要求。
5 結語
1）彩虹橋主體鋼結構對空間索-管桁架和空間鋼管桁架兩種結構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，分析結果表明，空間索-管桁架和空間鋼管桁架兩種結構體系均可以滿足結構承載力和正常使用要求，與空間索-管桁架結構體系相比較，空間鋼管桁架結構體系具有總用鋼量低、場地利用率高、施工方便的特點。同時為增強結構整體穩定性，減少變形，空間鋼管桁架獨立支撐結構比索-管桁架結構應采用更大的斷面尺寸。
圖10 彩虹橋樁施工現場 (彩虹橋鋼結構設計)
2）為減少空間拱結構造成的剛接支座水平推力，采取了在上部鋼結構施工過程中對支座邊界條件調整的處理方案，并以支座變形作為計算條件對主體結構重新進行有限元計算，結果表明，此時支座水平推力有了大幅減少。根據現有成樁有效樁長豎向和水平方向承載力，進行樁基設計和上部鋼結構支座邊界條件調整，縮短了工期，節省了大量投資，保障了工程的順利進行。
參考文獻
[1] GB50017-2003.鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003
[2] JGJ94-2008.建筑樁基技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2008
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