潭溪山景觀人行橋施工技術與健康監測*

羅曉群，張其林，陳海洲，楊宗林

(1.同濟大學土木工程學院，上海 200092； 2.長江精工鋼結構(集團)股份有限公司，浙江 紹興 312030；3.上海同磊土木工程技術有限公司，上海 200433)

0 引言

潭溪山景觀人行橋獲得了2019年度英國皇家結構工程師學會(IStructE)人行橋獎和2020年度國際橋梁大會(IBC)的亞瑟·海頓獎。IStructE人行橋獎從實現建筑愿景、富有挑戰性的建設、有創意的設計和可持續的領導力等角度評價當代的人行橋結構[1]；而IBC的亞瑟·海頓獎由《橋梁設計與工程》雜志創辦，表彰在橋梁的方便性、非傳統設計方面有突出成績的橋梁工程。潭溪山景觀人行橋以其輕巧的結構造型、與周邊環境的完美協調、合理的施工方法、TMD減振裝置的應用及實時在線的結構健康監測獲得了評委們的認可。本文從結構設計和施工方法與周邊環境的協調、TMD減振設計及監測監控等方面探討這座人行橋建設中的創新和創意。

1 工程概況

山東省淄博市淄川區潭溪山風景區山頂位置呈凹形弧面，并天然形成突出類似鷹嘴的懸崖體，懸崖高度約100m。如圖1所示，潭溪山景觀人行橋橋墩置于兩個鷹嘴上，橋面為外凸平面拱形、通過斜拉索支承于與橋面夾角120°的斜向拱架上，橋面拱、索和斜向拱架形成自平衡張力結構。景觀橋與潭溪山風景相得益彰，成為景區的標志。

圖1 潭溪山景觀人行橋實景

景觀橋為單側懸掛式拱梁體系[2]，主拱中心曲線為拋物線，跨度109m，高25m，拱平面與水平面夾角60°，拱截面φ2 000×30，拱腳處放大為φ(2 000～4 000)×30長圓形；橋面截面為1m高鋼箱梁，箱梁中心為圓弧，半徑為85m，矢高20m，橋面寬度2.4m，橋面梁與拱之間設15根φ45的PE索(見圖2)。

圖2 結構概況

2 設計-制作-施工一體化設計

2.1 創新設計理念

項目采用設計-制作-施工全過程一體化設計理念，在充分考慮預應力張拉、橋面和拱架安裝的可實施性及避免危險高空作業的目標下，進行結構的預應力初始狀態設計與計算[3]。如圖3所示，考慮斜拉索的初始預應力由拱架和橋面自重的相互作用產生，通過調整拉索原長及預應力值使得初始狀態下橋面中點起拱，目標是在人行活荷載下，橋面正常使用狀態不產生向下的撓度。

圖3 自平衡的結構體系

2.2 因地制宜的施工方案

人行橋橋位在景區山頂，運輸條件很差，為了盡量減小道路拓寬整修對景區環境的影響，橋面和拱架按現有運輸條件在工廠小段制作、運輸到現場拼裝。

山頂現場場地狹小，采用自懸崖底部搭設腳手架或支撐柱或者懸崖底部拼接、整體提升的方案，代價極大、危險性較高[4-5]。一體化設計理念實現的條件是橋面和拱架需布置在一定的位置、連接斜拉索的兩端后由橋面和拱架的自重導入預應力。只有將橋面和拱架放置在其夾角<120°的位置上，才能連接無應力原長的斜拉索。綜合以上因素，采用旋轉橋面和拱架的安裝方法就可以自然形成。

為了解決施工現場場地狹小的問題，在懸崖頂部附近的臺階處搭設局部支承胎架，拱架拼接后，橋面曲梁疊置在拱架上拼接。由于橋面曲梁矢高小于拱架，設置了滑移軌道，待置于拱架上部的橋面曲梁拼接完成后，將其整體滑移就位后旋轉。施工過程的二次旋轉過程如圖4所示。

圖4 旋轉施工過程

2.3 旋轉施工的構造設計和措施

成形后的拱腳為剛接支座，為了實現旋轉施工，需要設置實施旋轉的鉸接構造。鉸接構造有2處，均采用銷軸連接方式。如圖5所示，一處為橋面曲梁旋轉鉸接構造，設置在拱腳位置，旋轉就位后切割去除；一處為整體旋轉鉸接構造，設置在拱腳長圓鋼管內部，銷軸位于拱腳連線上，旋轉就位后封裝在拱腳內。根據施加施工過程最大支座反力時的鉸接構造應力分布和變形分布云圖可知，在銷軸孔位置的最大變形為1.45mm，最大應力出現在銷軸孔位置的應力集中部位，并很快降至低于200MPa，應力次大的位置在鉸接構造加勁板的底部，均在300MPa以下。

圖5 旋轉施工的鉸接構造設計

旋轉施工銷軸鉸接構造需滿足大角度旋轉的要求。拱架和曲梁在水平位置沒有推力，但是在旋轉施工過程中，拱結構將產生推力，且隨著地面夾角變化而變化。推力的產生將使旋轉鉸接節點上的鋼板抵緊而產生摩擦力，當摩擦力很大時會使阻礙旋轉施工。所以，必須設計相應的構造和施工措施抵抗拱的推力。通常的方法是設置連接2個拱腳的拉索被動地抵抗拱腳推力，但是兩拱腳間長109m，水平索拉力事實上僅取決于垂度，無法平衡變化的拱腳推力。在本工程中，平衡索的兩端各設置了1套張拉工裝，通過液壓千斤頂張拉抗推力索至計算平衡推力值，實現了拱腳水平力的主動平衡。計算水平推力值根據施工過程的數值計算隨拱旋轉角度輸入。平衡索系共2套，分別平衡橋面曲梁旋轉推力和整體旋轉的推力，構造及實際施工設置如圖6所示。

圖6 橋面梁和主拱施工平衡索及其工裝

2.4 旋轉施工的搖擺柱及爬升裝置設計

為二次旋轉施工提供推力是旋轉施工實施的關鍵。在跨度的1/3處兩個位置各設置1根搖擺柱，搖擺柱的基礎為鉸接連接、可以360°旋轉。搖擺柱中設置爬升裝置，爬升裝置由1組液壓千斤頂和鋼套筒組成。鋼套筒在千斤頂推力下可以沿搖擺柱爬升，停止爬升后可進行定位。千斤頂頂升推力根據施工過程的數值計算隨拱旋轉角度輸入。

根據施工過程分析，當橋面拱旋轉角度<90°時，搖擺柱承受壓力。如圖7所示，當橋面拱旋轉至90°附近時，搖擺柱軸力從壓力很快轉變為拉力，是整個旋轉施工最難控制的階段，同時搖擺柱基礎設計時必須考慮最大拉壓力。

圖7 搖擺柱及施工過程軸力變化

3 TMD減振設計

2.1節對結構進行了創新設計，以此作為初始狀態，采用Ritz向量法進行結構動力分析，得到人行橋固有頻率、周期、模態及模態參與質量等動力特性。結構振動模態比較密集，前68階模態的豎向質量參與系數之和達到92%，前8階振型動力特性如表1所示。

表1 人行橋前8階模態特性

對最接近人行頻率的豎向彎曲頻率，即模態5進行控制。考慮TMD質量比變化范圍為0%～5%，以0.2%的幅度遞增，剛度和阻尼比按照Den Hartog建議優化值計算[6]。

按文獻[7]提出的人行激勵荷載模型，進行時程分析，記錄最大加速度響應，如圖8所示，圖中橫坐標μ為TMD質量比。隨著TMD質量增大，加速度相應減小；在質量比為0.5%附近曲線出現拐點，當質量比小于拐點時，減振效果受質量比影響較大，而后質量比增大的減振效率降低。

圖8 TMD質量比和豎向跨中加速度峰值

選定質量比為0.65%，TMD參數如表2所示。結構豎向加速度峰值為0.36m/s2，減振率為83.41%。安裝TMD裝置與未安裝TMD裝置情況下結構豎向加速度響應對比如圖9所示。

表2 TMD設計參數

圖9 跨中豎向加速度時程曲線對比

為了便于安裝，結合現場施工可行性及加工經濟性，項目采用11個TMD安裝在跨中區域內，分布式的TMD布置，減振效果較單個TMD降低了8.3%，仍滿足限值要求。TMD實物及現場位置如圖10所示。

圖10 TMD裝置和現場布置位置

4 結構健康監測

為了確保景觀人行橋在運行期特別是節假日高峰運行期的安全性，對人行橋建立了運營期全壽命健康監測系統[8]。如圖11所示，對每根索布置了EM索力傳感器，在橋面上布置了3個三向加速度儀。如果加速度值超過設定的門檻值，系統將自動向人行橋運行管理部門和負責人報警。

圖11 人行橋結構健康監測系統

根據2018年7月至2020年12月近30個月的索力監測數據(每周監測數據取平均值)可以看出，索力平穩并略有松弛趨勢，但幅度未達到5%。

周期性選擇跨中測點的豎直向加速度曲線和水平向加速度曲線進行模態識別，頻譜圖和時程曲線如圖12，13所示。前4階模態頻率識別的結果分別為0.62，1.19，1.70Hz和1.82Hz，和表1所示前4階誤差在±10%以內，分別為8.8%，-7.0%，1.8%和1.7%，表明在近3年的運營過程中結構剛度未退化，工作正常。

圖12 跨中豎向加速度時程和頻譜

圖13 跨中橫向加速度時程和頻譜

5 結語

結合環境友好性和施工可行性，從結構設計-制作-施工一體化的角度探討了潭溪山景觀人行橋在設計和施工中的創新，為控制柔性張拉結構的人行舒適性，設置了TMD阻尼器，并針對索力和振動進行長期的結構健康監測，研究工作獲得如下結論。

1)采用疊置、滑移、旋轉和張拉的施工方法，特別是二次旋轉施工的設計，極大減少了山頂施工的復雜性，既增加了實施的可行性和安全性，又降低了費用，減輕了環境負擔。

2)TMD的設置確保了人致振動下的結構舒適性，保證了結構的輕柔，體現了建筑的愿景。

3)長期的結構健康監測結果表明結構性能保持在良好的狀態，實現了對結構承載能力和正常使用狀態的長期跟蹤。