飄逸在水面上的彩虹
——上海國際旅游度假區(qū)空間曲梁單邊懸索橋的設計與施工*

上海申迪項目管理有限公司 上海 201205

位于上海國際旅游度假區(qū)內110 000 m2湖泊公園的2座空間曲梁單邊懸索景觀橋，由上海申迪集團下屬上海申迪項目管理有限公司承擔項目建設任務，并組織華東建筑設計研究院都市院進行設計，上海市政工程設計研究院大橋院進行第三方復核，聘請法國RFR公司進行技術咨詢，由上?；A工程集團有限公司承擔建造。據(jù)了解，在此之前國際上能夠設計建造此種橋型的僅德國一家設計建造公司，由此，上海申迪集團打破了此類橋梁的技術壟斷，成為建造此類橋梁的建設集成商之一。

1 概況與建筑效果

在上海國際旅游度假區(qū)湖泊公園邊，南側蜿蜒起伏的木棧道伸向湖的盡頭，有2座弧形曲線景觀橋如同彩虹飄逸在水面，跨越了微波蕩漾的湖面，連通著湖泊公園東南區(qū)域的薰衣草園和遠處的香草園。站在主橋中央，眺望遠方迪士尼城堡高高聳立的塔頂和歐美風格的迪士尼小鎮(zhèn)，或者立足懸出主橋的鋼懸臂橋，可透過防滑玻璃弧形橋面，靜靜地觀賞腳下清澈的流水、遠處寬闊的湖面，如同在湖面上蕩漾，心曠神怡。夜晚，被泛光燈照亮的纖細的索纜，將主橋輕輕拉起。而嵌入在扶手內的LED燈，則把副橋的玻璃橋面渲染得如童話世界般晶瑩剔透。站在橋上近賞湖中橋靜謐優(yōu)雅的燈光倒影，遠望湖對岸燈火璀璨的建筑，美輪美奐。每晚煙火表演時分，佇立橋上，天空中起舞的七彩煙火與湖水中變形的色彩倒影如同現(xiàn)代抽象派油畫，波光粼粼，交相輝映。而景觀橋也因其主副橋拼合雙向曲線的弧形，從不同的角度展現(xiàn)著結構美的風姿。這就是全國首座空間曲梁單邊懸索橋，因其在主橋寬度上超過了目前已有的同類橋梁，同時還有復雜的主副橋拼合結構，成為世界同類橋型中的首創(chuàng)。

懸索橋在我國已是成熟的橋梁結構形式，雖應用廣泛，但以結構輕盈傳力巧妙為特征的空間曲梁單邊懸索橋，在國內還是第一次。分別位于中心湖東南和西南2處的彩虹橋，順橋跨度分別為120 m和90 m，每橋均由主副橋拼合而成，主橋寬6 m，副橋寬3 m，主副橋在平面上都是半徑不同的圓形曲線，只在中間部位通過踏步進行拼合連接，讓行人在主副橋之間轉換通行，抑或坐在踏步上觀賞風景。主副橋的起坡高度與坡度不同，分離的主副橋之間的距離在順橋向各不相同，越向橋中心越近，由此形成了主副橋之間復雜的空間關系，行走時亦在建筑效果上形成動態(tài)變化的視覺體驗。整座橋梁僅在主橋的外側豎立2根φ900 mm的鋼管主塔，支撐起3段φ110 mm的封閉型主纜，邊纜錨固于橋臺，主纜上垂掛多根吊索連接主橋外側邊；主橋為鋼結構單箱3室曲線梁，兩端支承于曲線型混凝土橋臺，與索纜體系共同承擔全部橋梁荷載。副橋為鋼結構的玻璃橋，其采用“Y”形懸挑結構，上肢活動鉸接于主橋箱梁邊緣，下肢端點為全橋受力的關鍵——環(huán)索，通過錨固于橋臺的環(huán)索與副橋“Y”形臂下肢連接，同時在主梁底附設1根法向索固結在此下肢端，以傳遞環(huán)索的法向力到主橋，從而提供一個水平向的向圓心的法向張力，平衡上部主纜與吊索對橋梁的提升力，即將普通懸索橋的1根主纜和吊索下移到橋下形成了環(huán)索和法向索，而另1根則移到了曲線橋的外側，遂成為橋梁上部的3段懸掛主纜和吊索體系（圖1、圖2）[1-2]。

圖1 人行橋結構體系示意

圖2 主、副橋面

2 結構分析與設計

人行橋結構的成橋形態(tài)按照懸索體系力系平衡的原則，通過空間結構找形分析確定。因全橋由混凝土結構、鋼結構和索纜體系組成荷載支承力學體系，而索纜體系“柔性”的自平衡特性與鋼筋混凝土及鋼結構的“剛性”結合，導致橋梁在不同形態(tài)時的受力狀況變化以及空間找形與力學計算極其復雜，可謂“牽一發(fā)而動全身”。作用在平面弧形曲梁上的翻轉力矩，通過曲梁截面自身抗扭將翻轉力矩分解為沿弧線布置的豎向支撐（任3點不共線）上的拉壓軸力，曲梁兩端部在沒有抗扭約束時也不會翻轉，荷載偏心產生的翻轉力矩將對吊索上原有的拉力進行重新調整，導致沿曲梁長度方向上各吊索的拉力并不相同。

人行橋結構的靜力分析采用幾何非線性的分析方法，考慮到各種設計荷載（恒、活、風、雪、地震、溫度）及其組合、材料徐變、基礎變形和沉降等各種因素的綜合作用，并充分考慮荷載不對稱分布的不利影響，在結構分析的同時考慮橋梁張拉施工的各中間過程的受力情況。橋梁的動力分析分3個方面：人致激勵振動、風致激勵振動、地震振動。由于橋梁的設計計算基頻在3 Hz以下，人行振動分析主要參照歐洲人行橋設計規(guī)范/規(guī)程（HIVOSS）進行人行動力荷載的簡諧激勵分析，以控制加速度指標為主，滿足行人舒適度的需要。本項目同時也委托同濟大學橋梁系孫利民教授進行人致振動專題研究，以復核舒適度指標并論證采取TMD（阻尾器）減振措施及布置方法，最終確定在東橋的1/4、1/2、3/4跨徑處和西橋的1/2跨徑處設置TMD阻尼器，在全橋施工完成后進行基頻測試調節(jié)。此外，為確保風荷載下的結構安全，全橋進行了數(shù)值風洞驗算。

橋梁設計過程中的結構分析計算采用了OASYS公司的GSA軟件；第三方復算單位分別采用了ANSYS V12.0軟件（上海現(xiàn)代集團技術中心應用）和MIDAS Gen軟件（上海市政院大橋院應用）進行了獨立復算結果比對。該算例因其難度和應用特點獲得2014年度GSA軟件全球應用二等獎。

為提供可靠穩(wěn)固且整體一致的支承與背錨節(jié)點，主塔支承點與背索錨固點設計采用了索塔/背索一體式主塔承臺（圖3），全橋2座主塔承臺和橋臺均采用長35 m的鋼管樁基礎。為解決水平力問題，部分管樁采用了12°斜管樁并對全部管孔進行填充混凝土，以增加其剛度。為提升耐久性與美觀度的需求，主纜與環(huán)向索采用了進口的“Z”字形封閉裸索，主纜與吊索均采用GALFAN牌號的（95%鋅+5%鋁）防腐涂層，其防腐能力是普通鍍鋅索纜的5倍以上。

圖3 懸拉索節(jié)點

3 主要部件的設計與制作

作為全橋關鍵部件，對主塔與基礎間的鉸接節(jié)點，經(jīng)過制造廠商及與設計、施工單位的充分溝通，并分析了質量可靠性與制作難度，采用了反向碗扣與固定的鑄鋼球形式進行無限位鉸接，保證了主要受力點的安全可靠。由于主纜選用了封閉索，其索夾的抗滑移性能要求與普通索夾有較大不同，故通過內襯鋅膜與調整索夾內部細紋來提升抗滑性能；因吊索系空間異面直線，主纜與吊索連接處的每個索夾均有1個扭轉角度，制造廠商通過在工廠內“零應力”狀態(tài)下進行長度與轉角的精準標定，運至現(xiàn)場進行安裝，以保證其位置、轉角與成橋后的吊索方向一致。主橋鋼梁為三向曲線即球面形態(tài)，經(jīng)過在鋼結構加工廠內設置全橋胎架進行預拼裝，再分段拆解后運輸?shù)竭_現(xiàn)場進行拼裝，保證了全橋曲線的順接。主副橋欄桿則選用了不銹鋼鋼絞線網(wǎng)，在建筑風格上與全橋的柔性結構相呼應，同時也降低了風荷載的影響；扶手采用整體不銹鋼雙向曲線，雖然制作難度增大，但可起到引導視線與消弭副橋邊梁折線的作用。

橋面鋪裝中，為解決鋼梁表面與鋪裝層的層間結合力可靠性問題和大型瀝青攤鋪機無法上橋施工的難題，經(jīng)過長達10個月的試驗，最終選用了僅厚3 mm的薄型防滑特殊耐磨涂料進行鋪裝；為實現(xiàn)副橋的玻璃橋面在雨天潮濕情況下能達到高防滑性能，經(jīng)過9次試驗分析，通過在多層復合夾膠玻璃表面加設磨砂圓點的方法得以解決。

4 受力體系轉換與成橋方案

成橋方案的選擇是建造此類橋梁的關鍵，其決定了主要構件與節(jié)點的力學性能與要求。經(jīng)過項目建設單位組織設計、施工與制造廠商反復分析討論研究，最后確定的“落架成橋”方案確保了在成橋過程中全橋始終處于由支架承重并受控狀況，且隨時可以復位到上一個工況，以策安全。此方案主要為2個階段，在現(xiàn)場已經(jīng)預先提高主輔梁標高的分段支架上分段拼裝鋼結構主橋箱梁，完成后安裝副橋的“Y”形臂；接著將各類索纜掛索就位，并安裝好環(huán)索張拉器。在統(tǒng)一計劃的施工控制目標指導下，通過預設在主輔梁底部的液壓千斤頂同步分級進行“落架”下降，并觀察測量全橋形態(tài)與索力、鋼結構內力，及時調整各千斤頂?shù)南陆盗浚罱K達到預定成橋標高。由于在環(huán)索松馳狀態(tài)時，“Y”形臂下肢的索夾位置無法準確定位安裝，在張拉過程中需要允許出現(xiàn)索夾與環(huán)索間的少量滑移，以實現(xiàn)最終的準確就位，再者，其上肢與主梁結合部豎向鉸接處的水平偏角也易于造成結構的破壞，經(jīng)研究決定，通過在此鉸接處增加弧形墊塊，允許水平向小角度偏轉而使彎矩為零，順利解決了“落架成橋”中副橋結構安全方面的難題?！奥浼堋背蓸蛲瓿珊螅珮蜃藨B(tài)與內力符合設計目標，橋下凈空亦滿足設計通航要求，建成后場景如圖4所示。

圖4 建成后場景

5 BIM技術的應用

該懸索橋的設計與施工均涉及三維空間的復雜模擬與分析，故在整個建設過程中采用BIM技術進行輔助建造，通過視覺模型的場景模擬，解決了橋型選擇與環(huán)境配合問題，提高了決策效率；通過TEKLA軟件建模，分析了每個細部構造的合理性、與其他部件配合的合理性及方法。由于橋臺鋼筋為空間曲線，無法采用CAD平面圖紙表達，遂應用BIM模型并借助鋼筋算量表在現(xiàn)場直接進行電腦輔助鋼筋放樣；同時通過管理協(xié)同平臺實現(xiàn)了參建各方的施工信息可視化共享目標[3-4]。

6 全橋靜、動載試驗與調索

全橋“落架成橋”施工完成后進行了靜載試驗，采用6種最不利工況下的荷載組合進行加載試驗，經(jīng)過對加載工況下的橋梁姿態(tài)測量與內力測試，結果全面符合設計理論計算，僅直接掛接于主塔的2根吊索需要進行10 mm以下的調索工作，以減少其索力分配并減弱此連接點處主橋的剛度。在完成鋪裝工程后進行動荷載試驗并測量實際基頻，據(jù)此調整TMD的阻尼剛度，實現(xiàn)人致振動的舒適性目標。

7 結語

作為一項特殊橋型，我項目承建體全力以赴，在設計與施工單位的大力支持下，攻克重重難題，順利完成了國內首座大空間曲梁單邊懸索橋的施工安裝。經(jīng)檢測，整橋結構與質量完全達到設計要求，為上海國際旅游度假區(qū)增添了一抹炫麗的彩虹，亦為后續(xù)同類工程的設計與施工提供了有益的借鑒。