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大跨度拱形钢管桁架结构设计研究——“希夷之大理”彩虹桥

发布于：2020-07-06 10:08:06 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

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1 工程概况

“希夷之大理”彩虹桥居于苍山洱海之间、大理古城之角，形成“一桥飞架南北，天堑变通途”的意境，形成大理古城新地标景象。彩虹桥与旋转天棚结合起来，通过水面的倒影，形成一个眼睛形象，通过灯光效果和视频效果渲染，形成一个魔幻的超现实的景象（图1）。“希夷之大理”彩虹桥通过眼睛的空灵理念形成梦幻的视觉冲击力，同时彩虹桥也是舞台装置（水雾、视频、灯光等）的重要支撑结构。

彩虹桥主体结构外跨度222m，内跨为153m，内拱高度30m，结构总体高度为32.55m，为多装置集合支点：水幕管道、维亚吊装、灯光支架、视屏投影幕。彩虹桥附属设备包括检修马道、灯光桁架及吊杆基座。投影幕采用索膜结构张拉固定在大跨度钢桥结构主体上。

图1 “希夷之大理”彩虹桥水雾视频迷雾效果图 (彩虹桥钢结构设计)

2 场地工程地质条件

工程所处区域地处大理断陷盆地边缘地段,地形较平坦，属冲洪积台地地貌形态。拟建场地位于8度抗震设防烈度区，属强震区；场地地面相对高差1.78m，未发现古河道、暗埋的塘浜等，建筑抗震地段属可进行建设的一般场地。

表1 土层主要物理力学指标

3 钢结构设计

3.1 结构体系与布置

彩虹桥主体结构外跨度222米，内跨为153米，内拱高度30米，结构总体高度为32.55米，工程所在地区地震基本烈度为8度，结构抗震设防分类为标准设防类。拟采用采用大跨度空间钢管桁架结构体系。其中主立管断面尺寸为?1020x25；主腹杆断面尺寸为?500x16；次腹杆断面尺寸为?402x16。彩虹桥结构布置平面图见图2，彩虹桥结构布置正立面图见图3，彩虹桥结构布置侧立面图见图4。

图2 彩虹桥结构布置平面图 (彩虹桥钢结构设计)

图3 彩虹桥结构布置正立面图

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图4 彩虹桥结构布置侧立面图 (彩虹桥钢结构设计)

彩虹桥附属设备包括检修马道、灯光桁架及吊杆基座，采用斜钢拉杆与主体桁架连接的方式固定，斜钢拉杆断面尺寸为?203×6。投影幕采用索膜结构张拉固定在大跨度钢桥结构主体上。彩虹桥马道布置剖面见图5。

图5 检修马道与斜钢拉杆布置剖面图

3.2 荷载取值与组合布置

计算时考虑了结构恒载、活载、水平地震作用、温度作用等荷载，并考虑了活载的不利布置。

考虑到主体结构露天，桥面没有有效的保温隔热措施，在阳光直射下，构件温度变化大，因此设计计算中考虑了±30℃温差。

3.3 结构方案比较分析

设计中对以下两种结构体系进行比较分析：

（1）空间拉索-管桁架结构体系（见图6）。为平衡钢索拉力，另建5座钢结构固定塔，以固定5组钢索。钢结构固定塔有限元计算模型见图7。

（2）空间钢管桁架结构体系。为增强结构整体稳定性，减少变形，将桥体上表面宽扩大2m，钢管桁架高度增加1m。空间钢管桁架结构体系有限元计算模型见图8。

图6 空间索-管桁架结构体系ANSYS有限元计算模型

图7 钢固定塔

图8 空间钢管桁架结构体系ANSYS有限元计算模型 (彩虹桥钢结构设计)

采用复杂多、高层建筑结构分析与设计软件PMSAP与SAP2000及ANSYS对主体结构进行空间分析计算，两种结构体系方案有限元计算比较结果见表2。

表2 两种结构体系方案有限元计算结果比较

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空间索-管桁架和空间钢管桁架两种结构体系方案主要断面和用钢量技术经济比较见表3。

表3 两种结构体系方案主要断面和用钢量比较

有限元计算分析结果表明：空间索-管桁架和空间钢管桁架两种结构体系均可以满足规范要求。与空间索-管桁架结构体系相比较，空间钢管桁架结构体系具有总用钢量低、施工方便的特点。经与演艺创作组和业主反复协商，为提高场地利用率，决定将5组钢索和5座钢结构固定塔取消，彩虹桥主体结构采用空间管桁架独立支撑结构体系，同时从提高对观众视觉冲击角度考虑，导演要求主立管直径从1020改为1200。

4 基础设计与钢结构支座边界条件探讨

4.1 桩基设计

彩虹桥基础设计采用人工挖孔灌注桩。人工挖孔灌注桩桩端主要持力层为第②3圆砾层，桩长10m，桩直径1000mm。单桩竖向承载力特征值1800kN，单桩抗拔承载力特征值1000kN，单桩水平承载力特征值380kN。

图9 彩虹桥桩基平面布置图 (彩虹桥钢结构设计)

4.2 钢结构支座边界条件

彩虹桥人工挖孔灌注桩施工过程中，由于圆砾层中地下水渗透性强，孔内出水量大，施工单位未按设计要求做好排水措施，导致在人工挖孔至7.5m左右时出现大量流砂塌孔。

此时若采取重新组织施工排水方案以满足设计的10m桩长，或者采取补桩方案，不仅造价高，而且施工工期长。为此，根据现有成桩有效桩长竖向和水平方向承载力，进行桩基设计和上部钢结构支座边界条件调整，以缩短工期，节省投资，成为本工程桩基设计调整的难点。

（1）单桩竖向承载力问题。原设计桩长10m，单桩竖向承载力特征值1800kN。实际施工后现有成桩有效桩长7.5米。本工程桩基数量由水平承载力控制，经核算，有效桩长7.5m桩竖向承载力已能满足要求。由于人工挖孔灌注桩底部的浮砂层在施工过程无法清理干净，对全部桩基均采用桩底高压后注浆法进行处理，以保证人工挖孔灌注桩的桩身承载力和减少沉降。

（2）单桩水平承载力问题。原设计桩长10m，单桩水平承载力特征值380kN。实际施工后现有成桩有效桩长7.5米，单桩水平承载力已不能满足设计要求。

为减少空间拱结构造成的刚接支座水平推力，采取了在上部钢结构施工过程中对支座边界条件调整的处理方案：桥主体结构左侧部分支座采用固定连接节点，将右侧钢柱脚底板圆形地锚栓孔改为长圆形，上部钢结构安装后允许右侧支座在拱结构自重作用下水平移动30mm。

以支座位移30mm作为计算条件，采用SAP2000对主体结构重新进行有限元计算，结果表明，此时支座水平推力有了大幅减少。现有桩数量和成桩有效桩长7.5m已能满足受力要求。

5 结语

1）彩虹桥主体钢结构对空间索-管桁架和空间钢管桁架两种结构体系方案进行了比较，并采用SAP2000及ANSYS有限元软件分别进行了不同荷载工况下的受力分析，分析结果表明，空间索-管桁架和空间钢管桁架两种结构体系均可以满足结构承载力和正常使用要求，与空间索-管桁架结构体系相比较，空间钢管桁架结构体系具有总用钢量低、场地利用率高、施工方便的特点。同时为增强结构整体稳定性，减少变形，空间钢管桁架独立支撑结构比索-管桁架结构应采用更大的断面尺寸。

图10 彩虹桥桩施工现场 (彩虹桥钢结构设计)

2）为减少空间拱结构造成的刚接支座水平推力，采取了在上部钢结构施工过程中对支座边界条件调整的处理方案，并以支座变形作为计算条件对主体结构重新进行有限元计算，结果表明，此时支座水平推力有了大幅减少。根据现有成桩有效桩长竖向和水平方向承载力，进行桩基设计和上部钢结构支座边界条件调整，缩短了工期，节省了大量投资，保障了工程的顺利进行。