3D3S助力潭溪山高空玻璃桥项目获世界结构大奖


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、交通桥梁奖、行人天桥奖、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。

北京时间2019年11月16日,2019世界结构大奖获奖名单公布,我院张其林教授主持设计并监造完成的潭溪山高空玻璃桥项目获行人桥梁奖

潭溪山玻璃景观桥从方案到施工分析,全程采用3D3S软件设计。迄今,谭溪山景观人行桥已经安全运营了两年半。

潭溪山玻璃景观桥位于山东省淄博市淄川区,是潭溪山风景区的标志性建筑。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φ2000×30,拱脚处放大为φ2000~4000×30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φ45的PE索。

                                                                       图1.结构平面图                                                      图2.结构立面图


                                

                                                           图3.结构侧视图                                                              图4.桥面梁截面

1、Creativity and innovation(创意和创新)

(1)山区地形复杂,在景观桥设计过程中采用了三维激光扫描定位技术,将山体建筑数值化为计算机模型;

图5.桥梁和岩体三维模型

(2)景观桥结构由斜置的主拱和水平放置的桥面梁以及两者之间的拉索组成,主拱向后倾斜,与地面成60度夹角,这样,主拱的自重能够平衡一部分桥面梁向前弯曲的趋势,避免在拱后面设置平衡拉索;

图6.结构整体受力示意图

(3)景观桥主拱为直径φ2000×30钢管,在拱脚处8m改为φ2000~4000×30长圆椎体,满足了基础处抗弯的需要,也为桥面主梁的连接提供了更大的空间。

              

图7.拱脚变截面节点

(4)景观桥采用了叠合拼装,2次旋转的施工工艺,节省了现场胎架和施工空间;

                                 桥面梁旋转(1)                       桥面梁旋转(2)                     桥面梁旋转(3)                  桥面梁旋转(4)

                                        整体旋转(1)                           整体旋转(2)                       整体旋转(3)                      整体旋转(4)

图8.叠合拼装,旋转施工的方法示意

(5) 桥面梁与主拱连接节点和拱脚固接节点不仅要以成桥状态下受力为设计目标,还要考虑施工过程中大角度旋转和复杂的受力情况的需要,所以这两个节点是设计的关键节点。

      

                   图9.桥面梁和主拱铰接节点

图10.主拱与基础铰接节点

(6)在旋转施工过程中,结构处在运动变化过程中,桥面梁对主拱,主拱对基础均会产生不小的水平推力,所以,我们设置了两道水平拉索以平衡推力,保证旋转施工过程中结构的安全;

图11.桥面梁和主拱施工平衡索



2、软件计算

(1)     荷载考虑

1 恒载:

1.1 自重

1.2 桥面:1.5kN/m2

2 活载

2.1 人群荷载3.5kN/m2

3 地震作用

设防类别:C类

设防烈度:7度

场地类别:I类

考虑双向地震作用

4、风载:按当地百年一遇风速计算

5、温度:+-30度

6、荷载组合

    (1) 1.20 恒 + 1.40 活1

    (2) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.10 x 0.80 风2

    (3) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.10 x 0.80 风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 温度

    (6) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.40 x 0.80 温度

    (7) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.10 x 0.70 风2 + 1.40 x 0.70 温度

    (8) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.10 x 0.70 风2 + 1.40 x 0.70 温度

    (9) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.10 x 0.70 风3 + 1.40 x 0.70 温度

    (10) 1.20 恒 + 1.40 活1 + 1.10 x 0.70 风3 + 1.40 x 0.70 温度

    (11) 1.20 恒 + 1.40 x 0.50 活1

  

(2)     初始态计算

  

 

       索力100-230kN, 比较均匀

          (3)     工作态计算

工作态-主梁

工作态-主拱

工作态-斜拉索

         (4)稳定分析

缺陷考虑:

跨度:103m

缺陷最大值:跨度/300=343.3mm

稳定分析与Ansys对比

缺陷

计算软件

计算类型

组合1

K*(恒++2

组合2

K*(恒++3

不考虑缺陷

3D3S线性稳定

9.038

(第1模态,整体失稳)

17.184

(第29模态,整体失稳)

Ansys线性稳定

不考虑缺陷

3D3S极限承载力

(几何非线性)

6.9

49.5

Ansys极限承载力

(几何非线性)

6.77

49.1

Ansys极限承载力

(几何、材料非线性)

2.51

2.73

考虑缺陷

3D3S极限承载力

(几何非线性)

6.9

49.5

Ansys极限承载力

(几何非线性)

6.25

43.0

Ansys极限承载力

(几何、材料非线性)

2.27

           (5)   正常使用

                                           人群荷载工况下的主结构挠度(mm)           恒+0.5人群荷载下的主结构挠度(单位:mm)

主梁挠度224mm<257.5mmL=103m1/400L=257.5mm),满足规范要求。

              (6)施工过程验算

                                                         主要杆件验算(0度)                                      主要杆件验算(15度)

                                                          主要杆件验算(30度)                                      主要杆件验算(45度)

3、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10TMD,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



       潭溪山景观桥的设计时考虑现场地形地貌,提出了“叠合拼装,2次旋转安装”的施工方法,并围绕这个施工方法进行了相应的旋转铰接节点设计、平衡水平推力构造、爬升机构设计相应的施工措施的设计,很好地解决了在山区施工大跨度桥梁的一系列问题,为业主节省了成本,加快了施工进度,尽量减少对山区植被的破坏。做到了因地制宜、经济可行、技术创新的效果。对类似的工程有很好的借鉴意义。



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