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“希夷之大理”彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設計與研究

作者:陳方明 盧 葭 王 芳 李龍春    
時間:2013-09-18 14:29:52 [收藏]
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
    關(guān)鍵詞:彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設計

    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。

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     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的一般場地。

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    1 土層主要物理力學指標 


    3 鋼結(jié)構(gòu)設計

    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)抗震設防分類為標準設防類。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。

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    2 彩虹橋結(jié)構(gòu)布置平面圖 (彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設計)

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    3 彩虹橋結(jié)構(gòu)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(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

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    4 彩虹橋結(jié)構(gòu)布置側(cè)立面圖 (彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設計)

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    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,因此設計計算中考慮了±30oC溫差。

    3.3 結(jié)構(gòu)方案比較分析

    設計中對以下兩種結(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??臻g鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系有限元計算模型見圖8

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    6 空間索-管桁架結(jié)構(gòu)體系ANSYS有限元計算模型

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    7 鋼固定塔

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    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)設計)


    采用復雜多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設計軟件PMSAPSAP2000ANSYS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。

    2 兩種結(jié)構(gòu)體系方案有限元計算結(jié)果比較

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            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

    3 兩種結(jié)構(gòu)體系方案主要斷面和用鋼量比較

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    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 基礎設計與鋼結(jié)構(gòu)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。

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    彩虹橋樁基平面布置圖 (彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設計)

     

    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,成為本工程樁基設計調(diào)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(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?,F(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SAP2000ANSYS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)應采用更大的斷面尺寸。

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    10  彩虹橋樁施工現(xiàn)場 (彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設計)


    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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