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(shè)計(jì)過程,進(jìn)行了空間管桁架獨(dú)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(duì)支座邊界條件調(diào)整的處理方案,并以支座變形作為計(jì)算條件對(duì)主體結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行有限元計(jì)算,結(jié)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(jié)構(gòu);空間管節(jié)點(diǎn);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(biāo)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(gè)眼睛形象,通過燈光效果和視頻效果渲染,形成一個(gè)魔幻的超現(xiàn)實(shí)的景象(圖1)?!跋R闹罄怼辈屎鐦蛲ㄟ^眼睛的空靈理念形成夢(mèng)幻的視覺沖擊力,同時(shí)彩虹橋也是舞臺(tái)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(diǎn):水幕管道、維亞吊裝、燈光支架、視屏投影幕。彩虹橋附屬設(shè)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。
圖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(shè)計(jì))
2 場(chǎng)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?zèng)_洪積臺(tái)地地貌形態(tài)。擬建場(chǎng)地位于8度抗震設(shè)防烈度區(qū),屬?gòu)?qiáng)震區(qū);場(chǎng)地地面相對(duì)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(jìn)行建設(shè)的一般場(chǎng)地。
表1 土層主要物理力學(xué)指標(biāo)
3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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。
圖2 彩虹橋結(jié)構(gòu)布置平面圖 (彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))
圖3 彩虹橋結(jié)構(gòu)布置正立面圖
彩虹橋附屬設(shè)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。
圖4 彩虹橋結(jié)構(gòu)布置側(cè)立面圖 (彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))
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(jì)算時(shí)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(shè)計(jì)計(jì)算中考慮了±30oC溫差。
3.3 結(jié)構(gòu)方案比較分析
設(shè)計(jì)中對(duì)以下兩種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)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(jì)算模型見圖7。
(2)空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系。為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性,減少變形,將橋體上表面寬擴(kuò)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(jì)算模型見圖8。
圖6 空間索-管桁架結(jié)構(gòu)體系ANSYS有限元計(jì)算模型
圖7 鋼固定塔
圖8 空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系ANSYS有限元計(jì)算模型 (彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))
采用復(fù)雜多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件PMSAP與SAP2000及ANSYS對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間分析計(jì)算,兩種結(jié)構(gòu)體系方案有限元計(jì)算比較結(jié)果見表2。
表2 兩種結(jié)構(gòu)體系方案有限元計(jì)算結(jié)果比較
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(jì)比較見表32。
表3 兩種結(jié)構(gòu)體系方案主要斷面和用鋼量比較
有限元計(jì)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(diǎn)。經(jīng)與演藝創(chuàng)作組和業(yè)主反復(fù)協(xié)商,為提高場(chǎng)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(dú)立支撐結(jié)構(gòu)體系,同時(shí)從提高對(duì)觀眾視覺沖擊角度考慮,導(dǎo)演要求主立管直徑從1020改為1200。
4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與鋼結(jié)構(gòu)支座邊界條件探討
4.1 樁基設(shè)計(jì)
彩虹橋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))
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(qiáng),孔內(nèi)出水量大,施工單位未按設(shè)計(jì)要求做好排水措施,導(dǎo)致在人工挖孔至7.5m左右時(shí)出現(xiàn)大量流砂塌孔。
此時(shí)若采取重新組織施工排水方案以滿足設(shè)計(jì)的10m樁長(zhǎng),或者采取補(bǔ)樁方案,不僅造價(jià)高,
而且施工工期長(zhǎng)。為此,根據(jù)現(xiàn)有成樁有效樁長(zhǎng)豎向和水平方向承載力,進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)調(diào)整的難點(diǎn)。
(1)單樁豎向承載力問題。原設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)10m,單樁豎向承載力特征值1800kN。實(shí)際施工后現(xiàn)有成樁有效樁長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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)單樁水平承載力問題。原設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)10m,單樁水平承載力特征值380kN。實(shí)際施工后現(xiàn)有成樁有效樁長(zhǎng)7.5米,單樁水平承載力已不能滿足設(shè)計(jì)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(duì)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(diǎn),將右側(cè)鋼柱腳底板圓形地錨栓孔改為長(zhǎng)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(dòng)30mm。
以支座位移30mm作為計(jì)算條件,采用SAP2000對(duì)主體結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行有限元計(jì)算,結(jié)果表明,此時(shí)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(zhǎng)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(duì)空間索-管桁架和空間鋼管桁架兩種結(jié)構(gòu)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(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(chǎng)地利用率高、施工方便的特點(diǎn)。同時(shí)為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性,減少變形,空間鋼管桁架獨(dú)立支撐結(jié)構(gòu)比索-管桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)采用更大的斷面尺寸。
圖10 彩虹橋樁施工現(xiàn)場(chǎng) (彩虹橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))
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(duì)支座邊界條件調(diào)整的處理方案,并以支座變形作為計(jì)算條件對(duì)主體結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行有限元計(jì)算,結(jié)果表明,此時(shí)支座水平推力有了大幅減少。根據(jù)現(xiàn)有成樁有效樁長(zhǎng)豎向和水平方向承載力,進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)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(jìn)行。
參考文獻(xiàn)
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