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同济大学:设计世界首例高空无背索斜拉弧形玻

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同济大学:设计世界首例高空无背索斜拉弧形玻璃桥 获2019世界结构大奖 作者:cctvzsw 文章来源:mobile.365-848.com佚名 文章点击数:

潭溪山风景区

位于山东淄博市,

该风景区是

国家AAAA级旅游区、

国家森林公园、

国家水利风景区。

潭溪山顶部是一高约100米的

内凹形悬崖峭壁,

峭壁两端突出山体相距100多米。

在这样特殊的地形上

兴建一座具有外凸形桥面板的

人行玻璃景观桥,

可使桥面上的行人远眺

能欣赏整个潭溪山的自然风景、

俯瞰则具有危险和刺激的悬空体验!

同济团队做到了!

历时两年建设,潭溪山高空玻璃桥于2017年盛夏时节建成,向游客开放。建于潭溪山顶海拔700米的崖壁之上,桥面跨度117米、宽2.45米,外弧最大半径90米,悬空高度101米,最大承载量3.5吨/平方米,总承载可达900吨,单次承重1万人。它被誉为 齐鲁空中走廊 ,与山崖风格浑然一体。晴天时,蓝天和白云的倒影铺满玻璃桥面,有踏云而行的快感;云雾天气,玻璃桥则在雾中若隐若现,宛如海市蜃楼。

张其林教授介绍,这样一个桥面制作的时候,是在山背后制作的,拱也是靠在山背后制作的,桥面跟拱都在一个水平面上。然后施工的时候把桥面翻过来,翻了差不多100多度,桥面反过来之后再把大拱翻过来,就是旋转施工法。所以这个施工方法到目前为止,应该还是首创的,而且非常经济。多次的转体,在这个过程中每一步要做得非常精细,这种施工方法在桥梁里面应该是第一次。

结构体系

景观桥为单侧悬挂式拱梁体系,主拱中心曲线为抛物线,跨度109m,高25m,拱平面与水平面夹角60度,拱截面 2000 30,拱脚处放大为 2000~4000 30长圆形;桥面截面为1m高钢箱梁,箱型梁中心为圆弧,半径为85m,矢高20m,桥面宽度2.4m,桥面梁与拱之间设15根 45的PE索。

创新性设计技术

设计方面要解决的难点之一是岩体的稳定性问题。设计中应用了三维激光扫描定位技术,设置了6个扫描站点悬崖岩体全貌进行了扫描,通过点云拼接、去噪处理,构建了崖体、桥墩及基础的三维数值计算模型,通过数值计算与分析,确保了悬崖岩体的稳定性。

三维激光扫描还同时解决了桥墩定位、桩基及桩体定位、桥面与支承拱架制作尺寸的精确性问题。

桥梁和岩体三维模型

设计方面要解决的难点之二是设计目标的可实现性问题。采用设计 制作 施工全过程一体化设计理念,在充分考虑预应力张拉、桥面和拱架安装的可实施性及避免危险高空作业的目标下,进行结构的预应力初始状态设计与计算。考虑斜拉索的初始预应力由拱架和桥面自重的相互作用产生,通过调整拉索原长及预应力值使得初始状态下桥面中点起拱600mm左右,在人行荷载下,桥面不产生向下的挠度。这样的设计理念,避免了在桥面上布置张拉工装、进行危险的高空作业。

创新性施工技术和装置

(1)平移和旋转施工方案

景区运输条件很差,桥面和拱架只能小段工厂制作、运输到现场安装。但现场场地狭小,采用自悬崖底部搭设脚手架或支撑柱的方案,或者悬崖底部拼接、整体提升的方案,代价极大、危险性较高。而一体化设计理念实现的条件是桥面和拱架需布置在一定的位置、连接斜拉索的两端后由桥面和拱架的自重导入预应力。而只有将桥面和拱架放置在其夹角小于120度的位置上,才能连接无应力的长度为原长的斜拉索。综合以上因素,采用旋转桥面和拱架的安装方法就自然形成。

因为施工现场场地狭小,拱架拼接时在悬崖顶部附近的台阶处搭设了支承胎架。桥面矢高小于拱架,因无场地同时搭设桥面的支承胎架,实际施工时是设置了滑移轨道、将桥面置于拱架上部拼接、然后将桥面整体平移至其位置后旋转。

叠合拼装、滑移、旋转施工的现场施工照片

(2)临时旋转铰接节点构造

桥面与拱架的拱脚设计均为刚接连接,为了实现旋转施工,必须设置临时的旋转铰接节点,旋转到位后再固定和封装节点。临时铰接节点采用简单的销轴连接方式,两拱脚处销轴位于拱脚连线上,销轴节点必须满足大角度旋转的要求。

桥面临时旋转铰接节点

拱架临时旋转铰接节点

(3)拱推力主动平衡装置

拱在水平位置拱脚无推力,而拱在旋转过程中,拱脚会产生随与地面夹角变化的推力。这一推力会使临时旋转节点上的钢板抵紧而产生摩擦力,当摩擦力很大时会使拱无法旋转。所以,必须设置抵抗拱脚推力的平衡装置。当然可以设置连接两个拱脚的拉索来被动地抵抗拱脚推力,但长度109m的水平索拉力事实上仅取决于垂度、基本为定值,无法平衡变化的拱脚推力。实际施工时,在平衡索的两端各设置了一套张拉工装,通过液压千斤顶输入相应的数值、产生相应的所需的平衡力,实现了拱脚水平力的主动平衡。千斤顶输入数值根据施工过程的数值计算随拱旋转角度输入。

桥面梁和主拱施工平衡索及其工装

(4)摇摆柱子及爬升装置

为拱的旋转提供推力是旋转施工实施的关键。在跨度的1/3处两个位置各设置一根摇摆柱,摇摆柱的基础为铰接连接、可以360度旋转。摇摆柱中设置爬升装置,爬升装置由一组液压千斤顶和钢套筒组成。钢套筒在千斤顶推力下可以沿摇摆柱爬升、停止爬升后可予以定位。千斤顶顶升推力根据施工过程的数值计算随拱旋转角度输入。

当桥面拱旋转角度小于90度时,摇摆柱承受压力。当桥面拱旋转至90度附近时,摇摆柱轴力会产生由压至拉的很大的变化,在设计摇摆柱基础时必须考虑最大的拉压力。

摇摆柱示意及其内力

运维全过程的控制与监测技术

运行过程中的舒适度是景观人行桥必须考虑的问题。计算分析表明,谭溪山景观人行桥的舒适度为CL4不可接受类别。工程中,设置了10个TMD,使桥梁舒适度达到了CL1最好类别。施工完成后、TMD安装前后的人行现场实测证明了数值计算与分析的正确性。

TMD布置及现场实测照片

为了确保景观人行桥在运行期特别是节假日高峰运行期的安全性,对人行桥建立了运营期全寿命健康监测系统。对每根索布置了EM索力传感器,在桥面上布置了三个三向加速度仪。如果加速度值超过设定的门槛值,系统将自动向人行桥运行管理部门和负责人报警。

传感器和健康监测系统

迄今,谭溪山景观人行桥已经安全运营了两年半。

景观桥远眺

世界首创!

结构工程专家们对这座桥的结构设计给予高度评价: 这座玻璃桥是结构成就建筑之美,结构特别轻巧,从力学上说非常合理,是一种新的结构形式。 潭溪山无背索斜拉弧形玻璃桥,填补了中国景观桥梁的一个空白。它的设计新颖独特,结构稳定合理,工程难度大,尤其是采用的施工方法,更是前所未有、世界首创,体现了我国桥梁建设的最高水平。

世界结构大奖(The Structural Awards) 由结构工程师协会(Institution of Structural Engineers)发起,对全球范围内的基础设施以及建筑项目的结构设计进行表彰,挑选出卓越的兼具创意、美感、可持续性和价值的项目。50多年的历史里,包括悉尼歌剧院、法国巴黎蓬皮杜中心、英国威尔士塞文桥等伟大的结构设计都曾经获得相应的结构奖项。

世界结构大奖根据项目的结构特点而不是结构类型,设置了12个主要奖项:高耸或细长结构奖、大跨度结构奖、交通桥梁ac奖、行人桥梁奖、小型项目奖(建筑成本低于300万英镑)、极端条件设计奖、传承结构奖、改造/扩建项目奖、建造创新奖、结构技艺奖(建筑物类)、结构技艺奖(非建筑类)、可持续发展奖。此外,The Structural Awards 还设置最卓越工程奖,从上述的12个获奖名单中选出。