Perry大桥--新西兰最长 跨度 网状拱桥 的设计   

 TIM BROOK; PHIL GABY

摘要    

Perry大桥是一座130米长的网状拱形人行天桥，它承载着Te Awa 河骑行步道 和自行车道，横跨霍洛蒂乌附近的怀卡托河 。 本文介绍了在设计这种细长跨度桥梁时所克服的技术挑战，并讨论了一种独特的索道架设方法的设计，该方法用于安装跨河大桥。本文还对新西兰各地进一步开发网状拱桥解决   方案提出了意见，这些解决方案是建立在   P   erry大桥   项目的效率和成功的基础上。

引言  

Te Awa河骑行步道和自行车道沿着北岛中部的怀卡托河岸延伸约70公里。这条新道路是由一家慈善信托公司开发的。在规划Ngarawahia和Hamilton之间路线的最后一段时，由于Horotiu附近河岸的土地使用许可问题，信托公司不得不穿过自行车道前往河流的另一边。

怀卡托河是新西兰最长的河流，也是北岛最大的河流——在上述地点，它大约有100米宽。河流和河床对当地毛利人的文化也很敏感，从这个角度来看，河流内桩基或桥墩的施工造成的重大干扰是非常不可取的。自行车道信托公司需要开发一个重要的大跨度桥梁解决方案，但也需要一个成本相对较低的解决方案，因为他们的预算最初并没有设想需要穿越河流。

自行车道信托基金会（由其他人）对交叉口的最初概念是木材悬索桥——成本低，但外观基本，灵活，为桥梁使用者带来了生动的反应。Holmes Consulting与Emmetts Civil Construction合作签订了设计建造合同，并共同向客户提交了一份涉及网状拱桥的替代设计方案。该方案以跨度130米的倾斜钢管拱和后张混凝土桥面为特色，与之前概念设计相比，它提供了许多好处，包括增强了耐久性、设施和性能，所有这些都只需适度的额外成本。

设计团队开发了3D CAD模型可视化（图1），以有效地将替代设计传达给客户和利益相关者。自行车道信托基金会和地方议会认识到了引人注目的网状拱桥提案所提供的机会，可以发表大胆而有吸引力的声明，吸引人们对自行车道的关注，吸引公众支持，并帮助筹集资金。

图1  渲染视图（左）和 已 完成 的 桥梁 （右）

网状拱形 

网状拱形结构最早由挪威工程师Per Tveit在20世纪50年代和60年代开发。它们是一种系杆拱桥，其特征是具有相互交叉不止一次的倾斜吊杆（Tveit 2009，2010）。与具有垂直吊杆的传统拱相比，这些倾斜吊杆将集中荷载对桥面的影响沿拱向外分布，从而显著降低了拱肋和桥面系结构的弯曲效应。实际上，倾斜吊杆的作用就像梁的腹板，使整个结构更像一个桁架。图2显示了在不对称贴片荷载下，网状拱和传统系杆拱肋的相对弯曲幅度的比较(以相同的比例尺显示)，突出了行为上的巨大差异。     

图2   不对称荷载作用下网状拱（a）和传统系杆拱（b）弦杆弯曲效应的相对大小

拱和桥面系结构中减少的作用允许设计更小、更有效的截面。这些优化截面的固有细长性要求高水平的设计工作，但相关的材料节约使网状拱成为跨度从约80m到250m的极具竞争力的桥梁形式。

Perry大桥简介   

拱肋

Perry大桥的特点是由457个CHS截面组成的钢管拱肋，跨度130米，高18米(图3)。这些拱由折叠的通道竖向支撑在一起，并相互倾斜，以增加刚度和稳定性(桥顶间距为2米，桥底间距为9米)。大多数网状拱矢高在跨度的15%到20%之间（Tveit 2010）。更大的矢高将提高拱门的效率；然而，由于美观的原因，这个比例往往是有限的   。Perry大桥   的矢高为跨度的13.8%。选择这种方式是为了平衡拱门的效率与其在周围低矮乡村景观中的外观；将弦长优化到通常可用的12m长CHS截面的最接近倍数；并且适应可能的未来维护接入设备的高度到达限制。

桥面板

桥面系梁包括钢UB桁条梁和预制t型横梁组成，这些横梁与3m宽的预制混凝土桥面完全复合，该桥面与现浇混凝土缝线连续。桥面采用纵向后张法，与桥台整体连接，无接缝或支座，进一步降低了维护要求。

图3  总体布置

桥面板由高强度钢吊杆支撑，吊杆倾斜并交叉成网状，这是这种结构形式的特点。在吊杆交叉点处提供夹具，以减少吊杆的有效长度，防止局部风引起的振动。

最优的吊杆网络布置为径向布置，即吊杆交点位于拱圆的半径上(Brunn and Schanack 2003)。然而，通常使用更简单的布置，所有吊杆与桥面板成相同角度（交叉点位于水平线上），特别是在吊杆连接件需要沿桥面板规则间隔以与横梁对齐的情况下。对于 Perry 大桥 ，吊杆的角度经过精心调整，以提供径向布置的一些好处，同时也保持了沿大部分拱的规则连接间距，并与横梁对齐（图3）。还实现了令人愉悦的视觉效果。   

下部结构

钢筋混凝土桥台由打入的钢管桩支撑，钢管桩建在河岸地面以下27 m至34 m的密砂上。

设计开发  

通过使用高效的网状拱系统，该设计能够显著减少桥梁上使用的材料——上部结构中只有73吨钢材。这比招标时考虑的传统钢拱或桁架桥方案估计所需的钢材少1/3左右。然而，实现这样一种轻便高效的设计带来了许多复杂的工程挑战。

拱屈曲分析

网状拱结构的主要挑战之一是细长拱肋在压缩作用下的潜在屈曲。因此，拱屈曲的详细评估是设计的一个重要方面。建立了桥梁及其基础的全三维有限元模型，首先用于进行线弹性特征值屈曲分析，从中细化了拱支撑布局和拱肋厚度。根据BS EN 1994-1-1（2004）的建议，获得的屈曲载荷系数明显低于10，因此还进行了二阶分析以验证结果。这涉及到一个完整的非线性屈曲分析，包括模型中的材料和几何非线性（图4）。临界特征值模态的形状被用作初始几何缺陷，振幅基于BS EN 1993-2（2006）附录D的指导。这需要一些解释，以将屈曲轮廓的相关长度等同于规范中假设的正弦和抛物线形状。

图4  临界拱屈曲模式分析图（a）  总图（b）平面图

行人振动 

网络拱形式的优点是提供一个刚性的垂直响应。然而，由于桥面宽3米，跨度130米，Perry大桥在横向方向上是最灵活的(最低频率模式)。这意味着需要仔细考虑横向效应，特别是行人引起的横向刺激或“锁定”的可能性，正如伦敦千禧人行天桥开幕时的那样。使用动态分析对影响进行评估，并根据BS EN 1991-2（2003）国家附录的要求和欧洲指南（JRC-ECCS联合报告2009）进行检查。后一种参考允许更精确地评估横向加速度和适合不同情况的用户舒适度水平，例如一般使用或在罕见的事件中，如开幕日的人群。

图5  开幕日 人群过桥

对结构的横向刚度和质量阻尼进行了改进，直到达到令人满意的理论性能水平。这包括用混凝土填充拱的端部，使拱支撑更坚固，并通过增加路缘石的尺寸来改善混凝土桥面横截面——提高平面内刚度。该设计在开幕当天得到了验证，数百人过桥时，桥的静态响应非常稳定(（图5）。

基础抗震设计

该桥的设计是在极限状态惯性地震要求下保持弹性。然而，岩土工程分析还发现，在桥台处，地震诱发的边坡移动可能在200毫米到400毫米之间。对于上限场景，桩被设计为铰接(在钢规范的单向塑性旋转限制范围内)，从而保护上面的上部结构。

细节和城市设计

选择网状拱形形式的十字路口是为了其结构效率，然而，它的整体细长比例的结构也提供了其引人注目的外观。在局部细节上也采用了类似的方法——使用简单、功能性但极简的连接细节(图6)。这使得在与项目预算保持一致的情况下降低了制造成本，但也实现了在视觉上与桥梁整体规模相对应的细节，同时仍然讲述了它的建造故事。使用Vierendeel支撑拱门所提供的简洁线条，以及拱肋的向内倾斜，进一步促进了桥梁的优雅外观。   

图6  拱拼接（a）和支撑连接（b）详图

在设计早期就认识到了利用大桥的标志性建筑和加强十字路口周围城市设计的机会。自行车道信托基金会与当地艺术家合作，开发了充满活力的油漆配色方案、以亚麻为灵感的编织图案路面和桥梁照明，以反映Te Awa河骑行通道的主题和故事。社区的参与也通过在桥的两端由河两岸的当地学校设计的马赛克艺术品来实现。

施工临时工程和下水  

除了新桥的永久工程设计外，Holmes Consulting还为承包商进行了临时工程设计，考虑如何架设桥梁构件延伸到结构本身的架设。

拱架设

一个关键的方面是拱肋的离安装。在安装吊杆之前，拱门必须暂时跨越130米的自支撑长度，事实证明，这是拱屈曲的一个关键情况，因为可能会出现“断裂”。设计了一种简单但有效的方法来约束拱的四分之一点，使用只受拉力的绑带连接到地面上的混凝土废料块。这使得承包商的安装顺序能够安全快速地进行。

索道下水

需要找到一种跨河安装桥梁的解决方案，将临时工程排除在河床之外，并根据承包商的预算、可用的设备和材料以及计划和安全风险进行施工。最初的选择，如重型起重机或渡河驳船，不符合该场地的这些标准，因此被拒绝。然后，设计师们构思了一个新颖的解决方案，通过将桥的前端沿着张拉电缆滑动，将桥推出河上(图7)——据作者所知，这是首次对这种类型的结构进行滑动。

索道由30根直径15.2 mm的预应力绞线（每个拱下15根）组成，锚定在每个桥台后面的六个倾斜螺旋桩上，总基础荷载为2350千牛，以支撑桥梁钢结构的重量。主要成本在地面锚定方面，因此关键是平衡选定缆张力与下水过程中出现的下垂量以及滑动桥梁所需的拉力。这些参数是通过非线性缆索分析、稳定性检查和建立监测标准来评估的。使用润滑的发射靴，通过简单的牵引线将其拉到履带式挖掘机上，仅用了两个小时就将桥梁安装到位。   

 图7  桥梁架设

项目成果和认可  

Perry桥的网状拱以240万新西兰元的建设价值完成，因此为客户提供了一个具有非凡价值的地标性结构，远远超出了他们最初对基本功能跨越河流的期望。大桥的开通是一场盛大的社区庆祝活动，有音乐、表演、演讲，有1000多人参加。社区的参与使他们对这座桥有了真正的主人翁意识，这体现在对这座桥的大力支持和使用自行车道的骑自行车者数量增加了400%。

自2017年11月竣工以来，该项目还赢得了新西兰和国际上众多的行业奖项。值得注意的是，桥梁结构设计在2018年结构工程师学会（IStructE）著名的结构奖上获得了人行天桥奖。

新西兰网状拱桥的发展

Holmes咨询公司及其设计团队成员参与了将网状拱桥结构形式引入新西兰的工作，该国第一座网状拱桥是旺加努伊的曼加胡桥，于2009年完工(Chan and Romanes 2008)。这座桥和附近的一座姊妹桥于2015年开通，是一座85米跨度的单车道农村公路通道桥。随后在2010年设计并建造了一座更大的100米跨度的公路桥，作为东陶波干线项目的一部分，将1号州公路承载在怀卡托河上(Presland and Gulley 2011)。

设计师们利用这一经验发展了Perry大桥的概念和设计。Perry大桥是新西兰第一座专门为行人和骑自行车的人设计的网拱，也是该国跨度最长的拱桥。    

随后，Holmes Consulting在这些早期项目的成功和结构形式的有效性的基础上，参与了新西兰其他几座网状拱桥的开发。2018年末，在剑桥，怀卡托河上安装了一座118米跨度的网状拱形管桥，取代了现有的污水管桥——新桥的长跨度避免了在陡峭的河岸上进行昂贵的地面改善工程。在旺加尼河上的Upokongaro，Perry大桥的一座姊妹桥将把拟建的Mountains to Sea/Nga Ara Tuhono自行车道穿过河流。该钢结构已安装在河流西岸，目前正在等待最终安装。Taupiri Mangawara溪上一座60米跨度的新单车道交通桥的设计也已完成，为通往神圣的Taupiri-Urupa提供了更安全的通道。施工计划于2019年8月开始，预计2020年初完工。

结论  

Perry大桥的设计具有新西兰最长的拱跨度和独特的施工安装方法，需要仔细分析和工程技巧才能实现。作为该项目的另一种结构解决方案，结构形式的效率使其成本在实际预算范围内，同时还建造了一座极其优雅的人行桥。事实证明，这座桥对当地社区和许多来自其他地区的游客来说都是巨大的成功。客户对结果感到高兴，并认为该桥是Te Awa河骑行的最佳特色之一。

这一国际获奖设计为新西兰桥梁工程行业做出了重大技术贡献。现在，通过在新西兰其他几个地方应用类似的大跨度网状拱桥解决方案，进一步实现了网状拱桥的设计成功和效率。

致谢  

作者衷心感谢Emmetts Civil Construction（建筑商）和项目客户Te Awa River Ride慈善信托基金和怀卡托区议会，感谢他们在实施这一具有挑战性的计划时给予的合作和信任。此外，还感谢更广泛的项目团队帮助该项目取得成功，包括：ENGEO（岩土工程师）、Eastbridge（制造商）和AECOM（同行评审员）。

  Perry大桥相关图