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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(guò)程，進(jìn)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(guò)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(jìn)行有限元計算，結果表明，此時(shí)支座水平推力有了大幅減少。

關(guān)鍵詞：空間管桁架；拉索結構；空間管節點(diǎn)；結構優(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。彩虹橋與旋轉天棚結合起來(lái)，通過(guò)水面的倒影，形成一個(gè)眼睛形象，通過(guò)燈光效果和視頻效果渲染，形成一個(gè)魔幻的超現實(shí)的景象（圖1）?！跋Ｒ闹罄怼辈屎鐦蛲ㄟ^(guò)眼睛的空靈理念形成夢(mèng)幻的視覺(jué)沖擊力，同時(shí)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(diǎn)：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(chǎng)地工程地質(zhì)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(tài)。擬建場(chǎng)地位于8度抗震設防烈度區，屬強震區；場(chǎng)地地面相對高差1.78m，未發(fā)現古河道、暗埋的塘浜等，建筑抗震地段屬可進(jìn)行建設的一般場(chǎng)地。

表1 土層主要物理力學(xué)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(lèi)為標準設防類(lèi)。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(jiàn)圖2，彩虹橋結構布置正立面圖見(jiàn)圖3，彩虹橋結構布置側立面圖見(jiàn)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(jiàn)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(shí)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(méi)有有效的保溫隔熱措施，在陽(yáng)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(jìn)行比較分析：

（1）空間拉索-管桁架結構體系（見(jiàn)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(jiàn)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?？臻g鋼管桁架結構體系有限元計算模型見(jiàn)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(jìn)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(jiàn)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(shù)經(jīng)濟比較見(jiàn)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(mǎn)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(diǎn)。經(jīng)與演藝創(chuàng )作組和業(yè)主反復協(xié)商，為提高場(chǎng)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(shí)從提高對觀(guān)眾視覺(jué)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(cháng)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(guò)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(shí)出現大量流砂塌孔。

此時(shí)若采取重新組織施工排水方案以滿(mǎn)足設計的10m樁長(cháng)，或者采取補樁方案，不僅造價(jià)高，

而且施工工期長(cháng)。為此，根據現有成樁有效樁長(cháng)豎向和水平方向承載力，進(jìn)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(diǎn)。

（1）單樁豎向承載力問(wèn)題。原設計樁長(cháng)10m，單樁豎向承載力特征值1800kN。實(shí)際施工后現有成樁有效樁長(cháng)7.5米。本工程樁基數量由水平承載力控制，經(jīng)核算，有效樁長(cháng)7.5m樁豎向承載力已能滿(mǎn)足要求。由于人工挖孔灌注樁底部的浮砂層在施工過(guò)程無(wú)法清理干凈，對全部樁基均采用樁底高壓后注漿法進(jìn)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(wèn)題。原設計樁長(cháng)10m，單樁水平承載力特征值380kN。實(shí)際施工后現有成樁有效樁長(cháng)7.5米，單樁水平承載力已不能滿(mǎn)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(guò)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(diǎn)，將右側鋼柱腳底板圓形地錨栓孔改為長(cháng)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(dòng)30mm。

以支座位移30mm作為計算條件，采用SAP2000對主體結構重新進(jìn)行有限元計算，結果表明，此時(shí)支座水平推力有了大幅減少?，F有樁數量和成樁有效樁長(cháng)7.5m已能滿(mǎn)足受力要求。

5 結語(yǔ)

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(jìn)行了比較，并采用SAP2000及ANSYS有限元軟件分別進(jìn)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(mǎn)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(chǎng)地利用率高、施工方便的特點(diǎn)。同時(shí)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(chǎng) (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(guò)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(jìn)行有限元計算，結果表明，此時(shí)支座水平推力有了大幅減少。根據現有成樁有效樁長(cháng)豎向和水平方向承載力，進(jìn)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(jìn)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(shù)規范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008