空間曲梁單邊懸索橋扭轉效應的設計處理

華東建筑設計研究院有限公司 上海 200070

1 結構特點

上海國際旅游度假區(qū)空間曲梁單邊懸索橋東橋的主橋橋面中心線位于R=46.75 m的圓曲線上，總長120 m，橋面寬6 m；副橋橋面中心線位于R=42.75 m的圓曲線上，內側主梁全長103.90 m，橋面寬3 m。中跨主纜跨徑75 m，邊跨跨徑45 m。從結構安全角度看，扭轉是本橋區(qū)別于一般橋梁工程的主要特點，主橋采用了單側懸掛的方式，造成整體向內側翻轉的趨勢，而副橋的內側吊掛又加劇了這一趨勢。怎樣處理扭轉成為該橋梁結構是否成立的關鍵。國內目前沒有針對人行懸索橋的規(guī)范，現行鋼結構規(guī)范中也沒有受扭情況的驗算方法。從概念設計來說，扭轉屬于常規(guī)設計中應該盡量避免采用的結構形式，而本項目可認為是針對這一特殊的結構體系所做的一個嘗試[1-2]。

2 扭轉研究

本項目結構體系大致可分為包含基礎和橋臺的支撐體系、支撐主橋的橋塔和懸索體系以及主副橋鋼結構體系（含部分索結構）。為最大限度地研究扭轉效應，計算模型將懸索體系簡化為垂直向的吊掛支座，將基礎和橋臺體系簡化為對應的支座。同時為了得到扭矩分布特點和數量級，研究僅考慮索的預應力以及恒載、滿布活載3種工況。

2.1 曲線橋的扭轉效應分析

2.1.1 不考慮副橋吊掛的扭轉效應分析

當不考慮副橋吊掛，僅分析主橋時，研究采用梁模型，并考慮滿布活荷載工況。計算結果如圖1～圖4所示。

圖1 偏心為0 m時箱梁扭矩分布

圖2 偏心為0 m時支座反力分布

圖3 偏心為3 m時箱梁扭矩分布

圖4 偏心為3 m時支座反力分布

計算結果表明，當吊掛在箱梁中軸的中央時，箱梁扭矩非常小，吊索拉力也基本均勻，這時的受力特點等同于跨度均等的連續(xù)梁；采用外側單側吊掛后，因偏心產生了明顯的扭矩，最大扭矩出現在1/4跨位置，最大數值為2 072 kN·m。統計吊索力后發(fā)現，吊索拉力也出現了明顯的不均勻分布，尤其在箱梁兩端，拉力從170 kN增加為250 kN，而在跨中1/4位置出現了明顯的減小，這時箱梁的豎向變形約為150 mm，說明這種結構體系是可以成立的。

偏心情況下將箱梁兩端的支座扭轉約束住時，可以顯著降低主橋的扭矩，同時也可改善吊索索力的不均勻性（圖5、圖6）。

圖5 偏心且支座扭轉約束時箱梁扭矩分布

圖6 偏心且支座扭轉約束時 支座反力分布

設計采用主橋橫向寬度方向設置3個拉壓支座實現橋梁端頭的扭轉約束。設計初期還考慮過在兩端設置拉壓桿來實現抗扭約束，通過專家討論后，最終采用在橋梁工程中已應用成熟的拉壓支座來確保安全。設計采用將支座內藏在混凝土橋臺缺口位置，以達到視覺上端頭簡潔的效果（圖7、圖8）。

圖7 橋梁端頭抗扭節(jié)點示意

圖8 箱梁節(jié)間抗扭構造示意

2.1.2 考慮副橋吊掛的扭轉效應分析

在考慮副橋吊掛的成橋工況下，計算結果如圖9所示。

圖9 吊索力與扭轉約束的關系

2.2 副橋對主橋的扭轉作用

副橋也是單側懸掛在主橋內側，且副橋結構體系完全依附在主橋上。通過主橋吊掛點提供的上支點和下端環(huán)索預張緊提供的下支點，副橋可以形成順時針方向的扭矩，用來抵消副橋自身逆時針方向的扭矩，以達到力的平衡。副橋的吊掛進一步增大了主橋的扭矩，加劇了主橋的抗扭負擔。

下環(huán)索需施加一定的預應力來承受相應的副橋變形，通過進一步提高下環(huán)索的預應力，可以對主橋的扭轉提供幫助。但過大的預應力會造成背索和懸索負擔過大，通過試算，最終選定預應力為3 000 kN。設計通過在橋下等間距設置法向索，確保副橋與主橋箱梁共同作用。

2.3 結構抗扭措施

本項目中，僅下環(huán)索采用主動預應力。這部分預應力一部分由主橋箱梁的軸向力承擔，數值在1 000～1 500 kN之間，其余需要通過索塔向外傾斜來平衡。通過調整主橋外側吊索的角度發(fā)現，當吊索的角度在90（垂直吊掛）～0°（水平吊掛）變化時，吊索軸力呈現急劇增大的趨勢。分析表明主橋產生的豎向力分量是一個相對確定值，隨著傾角的變化，吊索力的方向會越來越接近主橋箱梁的扭轉中心，扭矩會變小。

綜合以上因素，設計最終選取該角度為43°，吊索采用φ63 mm的高釩索，最大組合內力包絡值達到1 563 kN;背索采用2根φ115 mm的高釩索，最大組合內力包絡值達到10 690 kN。

主橋采用由寬6 m、厚25 mm的鋼板圍合而成的實腹箱形截面來承擔不能避免的扭轉。按照剪切理論計算的箱梁扭轉剪切應力約為16 MPa，將扭轉應力的數值控制在了較小的范圍內。

本項目構件均按景觀橋原則盡量做到輕盈，考慮到節(jié)點難以承受巨大扭矩，在節(jié)點設計上，與扭轉有關的主橋箱梁與吊索的節(jié)點、副橋與主橋的節(jié)點均采用銷軸形式，達到一個方向上的完全鉸接，而在另一個方向上，則通過增大銷軸孔尺寸和在節(jié)點耳板上設置鼓形墊片的方式，使得節(jié)點有一定的側向變形能力，并由整體體系來承受扭矩和釋放次彎矩[3-5]。

3 施工實測

考慮使用的舒適性，施工過程中將成橋狀態(tài)下的橋面橫向平整度作為主要控制指標，主橋加工時，已經按理論計算變形將橋面翻轉的變形量作為起拱值加工。落架施工過程中實際觀測到的橋面翻轉變形為中央軸向內側翻轉變形20.80 mm，索塔⑧軸位置向內側翻轉32.90 mm，橋臺端部軸位置向內側翻轉16.70 mm。實測數值與理論計算數值均較吻合。

4 結語

隨著國內經濟和技術的發(fā)展，越來越多的人行橋項目開始更加強調美觀性。作為國內首座以扭轉為特點的景觀人行橋，建設團隊在沒有現有經驗、沒有現行規(guī)范的情況下，通過前期的精心設計和反復論證、施工中的三維BIM控制、后期的靜載試驗和動載試驗實測論證，最終完成了這個技術上難度較大、造型上美觀有趣的景觀橋項目，為同類項目的建設積累了一定的經驗。