飘逸在水面上的彩虹——上海国际旅游度假区空间曲梁单边悬索桥的设计与施工*

上海申迪项目管理有限公司 上海 201205

位于上海国际旅游度假区内110 000 m2湖泊公园的2座空间曲梁单边悬索景观桥，由上海申迪集团下属上海申迪项目管理有限公司承担项目建设任务，并组织华东建筑设计研究院都市院进行设计，上海市政工程设计研究院大桥院进行第三方复核，聘请法国RFR公司进行技术咨询，由上海基础工程集团有限公司承担建造。据了解，在此之前国际上能够设计建造此种桥型的仅德国一家设计建造公司，由此，上海申迪集团打破了此类桥梁的技术垄断，成为建造此类桥梁的建设集成商之一。

1 概况与建筑效果

在上海国际旅游度假区湖泊公园边，南侧蜿蜒起伏的木栈道伸向湖的尽头，有2座弧形曲线景观桥如同彩虹飘逸在水面，跨越了微波荡漾的湖面，连通着湖泊公园东南区域的薰衣草园和远处的香草园。站在主桥中央，眺望远方迪士尼城堡高高耸立的塔顶和欧美风格的迪士尼小镇，或者立足悬出主桥的钢悬臂桥，可透过防滑玻璃弧形桥面，静静地观赏脚下清澈的流水、远处宽阔的湖面，如同在湖面上荡漾，心旷神怡。夜晚，被泛光灯照亮的纤细的索缆，将主桥轻轻拉起。而嵌入在扶手内的LED灯，则把副桥的玻璃桥面渲染得如童话世界般晶莹剔透。站在桥上近赏湖中桥静谧优雅的灯光倒影，远望湖对岸灯火璀璨的建筑，美轮美奂。每晚烟火表演时分，伫立桥上，天空中起舞的七彩烟火与湖水中变形的色彩倒影如同现代抽象派油画，波光粼粼，交相辉映。而景观桥也因其主副桥拼合双向曲线的弧形，从不同的角度展现着结构美的风姿。这就是全国首座空间曲梁单边悬索桥，因其在主桥宽度上超过了目前已有的同类桥梁，同时还有复杂的主副桥拼合结构，成为世界同类桥型中的首创。

悬索桥在我国已是成熟的桥梁结构形式，虽应用广泛，但以结构轻盈传力巧妙为特征的空间曲梁单边悬索桥，在国内还是第一次。分别位于中心湖东南和西南2处的彩虹桥，顺桥跨度分别为120 m和90 m，每桥均由主副桥拼合而成，主桥宽6 m，副桥宽3 m，主副桥在平面上都是半径不同的圆形曲线，只在中间部位通过踏步进行拼合连接，让行人在主副桥之间转换通行，抑或坐在踏步上观赏风景。主副桥的起坡高度与坡度不同，分离的主副桥之间的距离在顺桥向各不相同，越向桥中心越近，由此形成了主副桥之间复杂的空间关系，行走时亦在建筑效果上形成动态变化的视觉体验。整座桥梁仅在主桥的外侧竖立2根φ900 mm的钢管主塔，支撑起3段φ110 mm的封闭型主缆，边缆锚固于桥台，主缆上垂挂多根吊索连接主桥外侧边；主桥为钢结构单箱3室曲线梁，两端支承于曲线型混凝土桥台，与索缆体系共同承担全部桥梁荷载。副桥为钢结构的玻璃桥，其采用“Y”形悬挑结构，上肢活动铰接于主桥箱梁边缘，下肢端点为全桥受力的关键——环索，通过锚固于桥台的环索与副桥“Y”形臂下肢连接，同时在主梁底附设1根法向索固结在此下肢端，以传递环索的法向力到主桥，从而提供一个水平向的向圆心的法向张力，平衡上部主缆与吊索对桥梁的提升力，即将普通悬索桥的1根主缆和吊索下移到桥下形成了环索和法向索，而另1根则移到了曲线桥的外侧，遂成为桥梁上部的3段悬挂主缆和吊索体系（图1、图2）[1-2]。

图1 人行桥结构体系示意

图2 主、副桥面

2 结构分析与设计

人行桥结构的成桥形态按照悬索体系力系平衡的原则，通过空间结构找形分析确定。因全桥由混凝土结构、钢结构和索缆体系组成荷载支承力学体系，而索缆体系“柔性”的自平衡特性与钢筋混凝土及钢结构的“刚性”结合，导致桥梁在不同形态时的受力状况变化以及空间找形与力学计算极其复杂，可谓“牵一发而动全身”。作用在平面弧形曲梁上的翻转力矩，通过曲梁截面自身抗扭将翻转力矩分解为沿弧线布置的竖向支撑（任3点不共线）上的拉压轴力，曲梁两端部在没有抗扭约束时也不会翻转，荷载偏心产生的翻转力矩将对吊索上原有的拉力进行重新调整，导致沿曲梁长度方向上各吊索的拉力并不相同。

人行桥结构的静力分析采用几何非线性的分析方法，考虑到各种设计荷载（恒、活、风、雪、地震、温度）及其组合、材料徐变、基础变形和沉降等各种因素的综合作用，并充分考虑荷载不对称分布的不利影响，在结构分析的同时考虑桥梁张拉施工的各中间过程的受力情况。桥梁的动力分析分3个方面：人致激励振动、风致激励振动、地震振动。由于桥梁的设计计算基频在3 Hz以下，人行振动分析主要参照欧洲人行桥设计规范/规程（HIVOSS）进行人行动力荷载的简谐激励分析，以控制加速度指标为主，满足行人舒适度的需要。本项目同时也委托同济大学桥梁系孙利民教授进行人致振动专题研究，以复核舒适度指标并论证采取TMD（阻尾器）减振措施及布置方法，最终确定在东桥的1/4、1/2、3/4跨径处和西桥的1/2跨径处设置TMD阻尼器，在全桥施工完成后进行基频测试调节。此外，为确保风荷载下的结构安全，全桥进行了数值风洞验算。

桥梁设计过程中的结构分析计算采用了OASYS公司的GSA软件；第三方复算单位分别采用了ANSYS V12.0软件（上海现代集团技术中心应用）和MIDAS Gen软件（上海市政院大桥院应用）进行了独立复算结果比对。该算例因其难度和应用特点获得2014年度GSA软件全球应用二等奖。

为提供可靠稳固且整体一致的支承与背锚节点，主塔支承点与背索锚固点设计采用了索塔/背索一体式主塔承台（图3），全桥2座主塔承台和桥台均采用长35 m的钢管桩基础。为解决水平力问题，部分管桩采用了12°斜管桩并对全部管孔进行填充混凝土，以增加其刚度。为提升耐久性与美观度的需求，主缆与环向索采用了进口的“Z”字形封闭裸索，主缆与吊索均采用GALFAN牌号的（95%锌+5%铝）防腐涂层，其防腐能力是普通镀锌索缆的5倍以上。

图3 悬拉索节点

3 主要部件的设计与制作

作为全桥关键部件，对主塔与基础间的铰接节点，经过制造厂商及与设计、施工单位的充分沟通，并分析了质量可靠性与制作难度，采用了反向碗扣与固定的铸钢球形式进行无限位铰接，保证了主要受力点的安全可靠。由于主缆选用了封闭索，其索夹的抗滑移性能要求与普通索夹有较大不同，故通过内衬锌膜与调整索夹内部细纹来提升抗滑性能；因吊索系空间异面直线，主缆与吊索连接处的每个索夹均有1个扭转角度，制造厂商通过在工厂内“零应力”状态下进行长度与转角的精准标定，运至现场进行安装，以保证其位置、转角与成桥后的吊索方向一致。主桥钢梁为三向曲线即球面形态，经过在钢结构加工厂内设置全桥胎架进行预拼装，再分段拆解后运输到达现场进行拼装，保证了全桥曲线的顺接。主副桥栏杆则选用了不锈钢钢绞线网，在建筑风格上与全桥的柔性结构相呼应，同时也降低了风荷载的影响；扶手采用整体不锈钢双向曲线，虽然制作难度增大，但可起到引导视线与消弭副桥边梁折线的作用。

桥面铺装中，为解决钢梁表面与铺装层的层间结合力可靠性问题和大型沥青摊铺机无法上桥施工的难题，经过长达10个月的试验，最终选用了仅厚3 mm的薄型防滑特殊耐磨涂料进行铺装；为实现副桥的玻璃桥面在雨天潮湿情况下能达到高防滑性能，经过9次试验分析，通过在多层复合夹胶玻璃表面加设磨砂圆点的方法得以解决。

4 受力体系转换与成桥方案

成桥方案的选择是建造此类桥梁的关键，其决定了主要构件与节点的力学性能与要求。经过项目建设单位组织设计、施工与制造厂商反复分析讨论研究，最后确定的“落架成桥”方案确保了在成桥过程中全桥始终处于由支架承重并受控状况，且随时可以复位到上一个工况，以策安全。此方案主要为2个阶段，在现场已经预先提高主辅梁标高的分段支架上分段拼装钢结构主桥箱梁，完成后安装副桥的“Y”形臂；接着将各类索缆挂索就位，并安装好环索张拉器。在统一计划的施工控制目标指导下，通过预设在主辅梁底部的液压千斤顶同步分级进行“落架”下降，并观察测量全桥形态与索力、钢结构内力，及时调整各千斤顶的下降量，最终达到预定成桥标高。由于在环索松驰状态时，“Y”形臂下肢的索夹位置无法准确定位安装，在张拉过程中需要允许出现索夹与环索间的少量滑移，以实现最终的准确就位，再者，其上肢与主梁结合部竖向铰接处的水平偏角也易于造成结构的破坏，经研究决定，通过在此铰接处增加弧形垫块，允许水平向小角度偏转而使弯矩为零，顺利解决了“落架成桥”中副桥结构安全方面的难题。“落架”成桥完成后，全桥姿态与内力符合设计目标，桥下净空亦满足设计通航要求，建成后场景如图4所示。

图4 建成后场景

5 BIM技术的应用

该悬索桥的设计与施工均涉及三维空间的复杂模拟与分析，故在整个建设过程中采用BIM技术进行辅助建造，通过视觉模型的场景模拟，解决了桥型选择与环境配合问题，提高了决策效率；通过TEKLA软件建模，分析了每个细部构造的合理性、与其他部件配合的合理性及方法。由于桥台钢筋为空间曲线，无法采用CAD平面图纸表达，遂应用BIM模型并借助钢筋算量表在现场直接进行电脑辅助钢筋放样；同时通过管理协同平台实现了参建各方的施工信息可视化共享目标[3-4]。

6 全桥静、动载试验与调索

全桥“落架成桥”施工完成后进行了静载试验，采用6种最不利工况下的荷载组合进行加载试验，经过对加载工况下的桥梁姿态测量与内力测试，结果全面符合设计理论计算，仅直接挂接于主塔的2根吊索需要进行10 mm以下的调索工作，以减少其索力分配并减弱此连接点处主桥的刚度。在完成铺装工程后进行动荷载试验并测量实际基频，据此调整TMD的阻尼刚度，实现人致振动的舒适性目标。

7 结语

作为一项特殊桥型，我项目承建体全力以赴，在设计与施工单位的大力支持下，攻克重重难题，顺利完成了国内首座大空间曲梁单边悬索桥的施工安装。经检测，整桥结构与质量完全达到设计要求，为上海国际旅游度假区增添了一抹炫丽的彩虹，亦为后续同类工程的设计与施工提供了有益的借鉴。