3D3S助力潭溪山高空玻璃橋項(xiàng)目獲世界結(jié)構(gòu)大獎(jiǎng)
世界結(jié)構(gòu)大獎(jiǎng)（The Structural Awards） 由結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)（Institution of Structural Engineers）發(fā)起，對(duì)全球范圍內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施以及建筑項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行表彰，挑選出卓越的兼具創(chuàng)意、美感、可持續(xù)性和價(jià)值的項(xiàng)目。50多年的歷史里，包括悉尼歌劇院、法國巴黎蓬皮杜中心、英國威爾士塞文橋等偉大的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都曾經(jīng)獲得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)獎(jiǎng)項(xiàng)。
世界結(jié)構(gòu)大獎(jiǎng)根據(jù)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而不是結(jié)構(gòu)類型，設(shè)置了12個(gè)主要獎(jiǎng)項(xiàng)：高聳或細(xì)長結(jié)構(gòu)獎(jiǎng)、大跨度結(jié)構(gòu)獎(jiǎng)、交通橋梁獎(jiǎng)、行人天橋獎(jiǎng)、小型項(xiàng)目獎(jiǎng)（建筑成本低于300萬英鎊)、極端條件設(shè)計(jì)獎(jiǎng)、傳承結(jié)構(gòu)獎(jiǎng)、改造/擴(kuò)建項(xiàng)目獎(jiǎng)、建造創(chuàng)新獎(jiǎng)、結(jié)構(gòu)技藝獎(jiǎng)（建筑物類）、結(jié)構(gòu)技藝獎(jiǎng)(非建筑類）、可持續(xù)發(fā)展獎(jiǎng)。此外，The Structural Awards 還設(shè)置最卓越工程獎(jiǎng)，從上述的12個(gè)獲獎(jiǎng)名單中選出。
北京時(shí)間2019年11月16日，2019世界結(jié)構(gòu)大獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)名單公布，我院張其林教授主持設(shè)計(jì)并監(jiān)造完成的潭溪山高空玻璃橋項(xiàng)目獲行人橋梁獎(jiǎng)。
潭溪山玻璃景觀橋從方案到施工分析，全程采用3D3S軟件設(shè)計(jì)。迄今，譚溪山景觀人行橋已經(jīng)安全運(yùn)營了兩年半。
潭溪山玻璃景觀橋位于山東省淄博市淄川區(qū)，是潭溪山風(fēng)景區(qū)的標(biāo)志性建筑。景觀橋?yàn)閱蝹?cè)懸掛式拱梁體系，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度，拱截面φ2000×30，拱腳處放大為φ2000~4000×30長圓形；橋面截面為1m高鋼箱梁，箱型梁中心為圓弧，半徑為85m，矢高20m，橋面寬度2.4m，橋面梁與拱之間設(shè)15根φ45的PE索。
圖1.結(jié)構(gòu)平面圖 圖2.結(jié)構(gòu)立面圖
圖3.結(jié)構(gòu)側(cè)視圖 圖4.橋面梁截面
1、Creativity and innovation(創(chuàng)意和創(chuàng)新)
（1）山區(qū)地形復(fù)雜，在景觀橋設(shè)計(jì)過程中采用了三維激光掃描定位技術(shù)，將山體建筑數(shù)值化為計(jì)算機(jī)模型；
圖5.橋梁和巖體三維模型
（2）景觀橋結(jié)構(gòu)由斜置的主拱和水平放置的橋面梁以及兩者之間的拉索組成，主拱向后傾斜，與地面成60度夾角，這樣，主拱的自重能夠平衡一部分橋面梁向前彎曲的趨勢(shì)，避免在拱后面設(shè)置平衡拉索；
圖6.結(jié)構(gòu)整體受力示意圖
（3）景觀橋主拱為直徑φ2000×30鋼管，在拱腳處8m改為φ2000~4000×30長圓椎體，滿足了基礎(chǔ)處抗彎的需要，也為橋面主梁的連接提供了更大的空間。
圖7.拱腳變截面節(jié)點(diǎn)
（4）景觀橋采用了疊合拼裝，2次旋轉(zhuǎn)的施工工藝，節(jié)省了現(xiàn)場胎架和施工空間；
橋面梁旋轉(zhuǎn)（1） 橋面梁旋轉(zhuǎn)（2） 橋面梁旋轉(zhuǎn)（3） 橋面梁旋轉(zhuǎn)（4）
整體旋轉(zhuǎn)（1） 整體旋轉(zhuǎn)（2） 整體旋轉(zhuǎn)（3） 整體旋轉(zhuǎn)（4）
圖8.疊合拼裝，旋轉(zhuǎn)施工的方法示意
（5） 橋面梁與主拱連接節(jié)點(diǎn)和拱腳固接節(jié)點(diǎn)不僅要以成橋狀態(tài)下受力為設(shè)計(jì)目標(biāo)，還要考慮施工過程中大角度旋轉(zhuǎn)和復(fù)雜的受力情況的需要，所以這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
圖9.橋面梁和主拱鉸接節(jié)點(diǎn)
圖10.主拱與基礎(chǔ)鉸接節(jié)點(diǎn)
（6）在旋轉(zhuǎn)施工過程中，結(jié)構(gòu)處在運(yùn)動(dòng)變化過程中，橋面梁對(duì)主拱，主拱對(duì)基礎(chǔ)均會(huì)產(chǎn)生不小的水平推力，所以，我們?cè)O(shè)置了兩道水平拉索以平衡推力，保證旋轉(zhuǎn)施工過程中結(jié)構(gòu)的安全；
圖11.橋面梁和主拱施工平衡索
2、軟件計(jì)算
（1） 荷載考慮
1 恒載：
1.1 自重
1.2 橋面：1.5kN/m2
2 活載
2.1 人群荷載3.5kN/m2
3 地震作用
設(shè)防類別：C類
設(shè)防烈度：7度
場地類別：I類
考慮雙向地震作用
4、風(fēng)載：按當(dāng)?shù)匕倌暌挥鲲L(fēng)速計(jì)算
5、溫度：+-30度
6、荷載組合
(1) 1.20 恒 + 1.40 活1
(2) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.10 x 0.80 風(fēng)2
(3) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.10 x 0.80 風(fēng)3
(4) 1.20 恒 + 1.20 活4 + 1.40 水平地震
(5) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.40 x 0.80 溫度
(6) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.40 x 0.80 溫度
(7) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.10 x 0.70 風(fēng)2 + 1.40 x 0.70 溫度
(8) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.10 x 0.70 風(fēng)2 + 1.40 x 0.70 溫度
(9) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.10 x 0.70 風(fēng)3 + 1.40 x 0.70 溫度
(10) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.10 x 0.70 風(fēng)3 + 1.40 x 0.70 溫度
(11) 1.20 恒 + 1.40 x 0.50 活1
（2） 初始態(tài)計(jì)算
索力100-230kN, 比較均勻
（3） 工作態(tài)計(jì)算
工作態(tài)-主梁
工作態(tài)-主拱
工作態(tài)-斜拉索
（4）穩(wěn)定分析
缺陷考慮：
跨度：103m
缺陷最大值：跨度/300=343.3mm
穩(wěn)定分析與Ansys對(duì)比
缺陷
計(jì)算軟件
計(jì)算類型
組合1：
K*（恒+活+風(fēng)2）
組合2：
K*（恒+活+風(fēng)3）
不考慮缺陷
3D3S線性穩(wěn)定
9.038
（第1模態(tài)，整體失穩(wěn)）
17.184
（第29模態(tài)，整體失穩(wěn)）
Ansys線性穩(wěn)定
無
無
不考慮缺陷
3D3S極限承載力
(幾何非線性)
6.9
49.5
Ansys極限承載力
(幾何非線性)
6.77
49.1
Ansys極限承載力
(幾何、材料非線性)
2.51
2.73
考慮缺陷
3D3S極限承載力
(幾何非線性)
6.9
49.5
Ansys極限承載力
(幾何非線性)
6.25
43.0
Ansys極限承載力
(幾何、材料非線性)
2.27
(5) 正常使用
人群荷載工況下的主結(jié)構(gòu)撓度（mm） 恒+0.5人群荷載下的主結(jié)構(gòu)撓度（單位：mm）
主梁撓度224mm<257.5mm（L=103m，1/400L=257.5mm），滿足規(guī)范要求。
（6）施工過程驗(yàn)算
主要桿件驗(yàn)算（0度） 主要桿件驗(yàn)算（15度）
主要桿件驗(yàn)算（30度） 主要桿件驗(yàn)算（45度）
3、運(yùn)維全過程的控制與監(jiān)測(cè)技術(shù)
運(yùn)行過程中的舒適度是景觀人行橋必須考慮的問題。計(jì)算分析表明，譚溪山景觀人行橋的舒適度為CL4不可接受類別。工程中，設(shè)置了10個(gè)TMD，使橋梁舒適度達(dá)到了CL1最好類別。施工完成后、TMD安裝前后的人行現(xiàn)場實(shí)測(cè)證明了數(shù)值計(jì)算與分析的正確性。
TMD布置及現(xiàn)場實(shí)測(cè)照片
為了確保景觀人行橋在運(yùn)行期特別是節(jié)假日高峰運(yùn)行期的安全性，對(duì)人行橋建立了運(yùn)營期全壽命健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)每根索布置了EM索力傳感器，在橋面上布置了三個(gè)三向加速度儀。如果加速度值超過設(shè)定的門檻值，系統(tǒng)將自動(dòng)向人行橋運(yùn)行管理部門和負(fù)責(zé)人報(bào)警。
傳感器和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
潭溪山景觀橋的設(shè)計(jì)時(shí)考慮現(xiàn)場地形地貌，提出了“疊合拼裝，2次旋轉(zhuǎn)安裝”的施工方法，并圍繞這個(gè)施工方法進(jìn)行了相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)鉸接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、平衡水平推力構(gòu)造、爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的施工措施的設(shè)計(jì)，很好地解決了在山區(qū)施工大跨度橋梁的一系列問題，為業(yè)主節(jié)省了成本，加快了施工進(jìn)度，盡量減少對(duì)山區(qū)植被的破壞。做到了因地制宜、經(jīng)濟(jì)可行、技術(shù)創(chuàng)新的效果。對(duì)類似的工程有很好的借鑒意義。
