空间曲梁单边悬索桥扭转效应的设计处理

华东建筑设计研究院有限公司 上海 200070

1 结构特点

上海国际旅游度假区空间曲梁单边悬索桥东桥的主桥桥面中心线位于R=46.75 m的圆曲线上，总长120 m，桥面宽6 m；副桥桥面中心线位于R=42.75 m的圆曲线上，内侧主梁全长103.90 m，桥面宽3 m。中跨主缆跨径75 m，边跨跨径45 m。从结构安全角度看，扭转是本桥区别于一般桥梁工程的主要特点，主桥采用了单侧悬挂的方式，造成整体向内侧翻转的趋势，而副桥的内侧吊挂又加剧了这一趋势。怎样处理扭转成为该桥梁结构是否成立的关键。国内目前没有针对人行悬索桥的规范，现行钢结构规范中也没有受扭情况的验算方法。从概念设计来说，扭转属于常规设计中应该尽量避免采用的结构形式，而本项目可认为是针对这一特殊的结构体系所做的一个尝试[1-2]。

2 扭转研究

本项目结构体系大致可分为包含基础和桥台的支撑体系、支撑主桥的桥塔和悬索体系以及主副桥钢结构体系（含部分索结构）。为最大限度地研究扭转效应，计算模型将悬索体系简化为垂直向的吊挂支座，将基础和桥台体系简化为对应的支座。同时为了得到扭矩分布特点和数量级，研究仅考虑索的预应力以及恒载、满布活载3种工况。

2.1 曲线桥的扭转效应分析

2.1.1 不考虑副桥吊挂的扭转效应分析

当不考虑副桥吊挂，仅分析主桥时，研究采用梁模型，并考虑满布活荷载工况。计算结果如图1～图4所示。

图1 偏心为0 m时箱梁扭矩分布

图2 偏心为0 m时支座反力分布

图3 偏心为3 m时箱梁扭矩分布

图4 偏心为3 m时支座反力分布

计算结果表明，当吊挂在箱梁中轴的中央时，箱梁扭矩非常小，吊索拉力也基本均匀，这时的受力特点等同于跨度均等的连续梁；采用外侧单侧吊挂后，因偏心产生了明显的扭矩，最大扭矩出现在1/4跨位置，最大数值为2 072 kN·m。统计吊索力后发现，吊索拉力也出现了明显的不均匀分布，尤其在箱梁两端，拉力从170 kN增加为250 kN，而在跨中1/4位置出现了明显的减小，这时箱梁的竖向变形约为150 mm，说明这种结构体系是可以成立的。

偏心情况下将箱梁两端的支座扭转约束住时，可以显著降低主桥的扭矩，同时也可改善吊索索力的不均匀性（图5、图6）。

图5 偏心且支座扭转约束时箱梁扭矩分布

图6 偏心且支座扭转约束时 支座反力分布

设计采用主桥横向宽度方向设置3个拉压支座实现桥梁端头的扭转约束。设计初期还考虑过在两端设置拉压杆来实现抗扭约束，通过专家讨论后，最终采用在桥梁工程中已应用成熟的拉压支座来确保安全。设计采用将支座内藏在混凝土桥台缺口位置，以达到视觉上端头简洁的效果（图7、图8）。

图7 桥梁端头抗扭节点示意

图8 箱梁节间抗扭构造示意

2.1.2 考虑副桥吊挂的扭转效应分析

在考虑副桥吊挂的成桥工况下，计算结果如图9所示。

图9 吊索力与扭转约束的关系

2.2 副桥对主桥的扭转作用

副桥也是单侧悬挂在主桥内侧，且副桥结构体系完全依附在主桥上。通过主桥吊挂点提供的上支点和下端环索预张紧提供的下支点，副桥可以形成顺时针方向的扭矩，用来抵消副桥自身逆时针方向的扭矩，以达到力的平衡。副桥的吊挂进一步增大了主桥的扭矩，加剧了主桥的抗扭负担。

下环索需施加一定的预应力来承受相应的副桥变形，通过进一步提高下环索的预应力，可以对主桥的扭转提供帮助。但过大的预应力会造成背索和悬索负担过大，通过试算，最终选定预应力为3 000 kN。设计通过在桥下等间距设置法向索，确保副桥与主桥箱梁共同作用。

2.3 结构抗扭措施

本项目中，仅下环索采用主动预应力。这部分预应力一部分由主桥箱梁的轴向力承担，数值在1 000～1 500 kN之间，其余需要通过索塔向外倾斜来平衡。通过调整主桥外侧吊索的角度发现，当吊索的角度在90（垂直吊挂）～0°（水平吊挂）变化时，吊索轴力呈现急剧增大的趋势。分析表明主桥产生的竖向力分量是一个相对确定值，随着倾角的变化，吊索力的方向会越来越接近主桥箱梁的扭转中心，扭矩会变小。

综合以上因素，设计最终选取该角度为43°，吊索采用φ63 mm的高钒索，最大组合内力包络值达到1 563 kN;背索采用2根φ115 mm的高钒索，最大组合内力包络值达到10 690 kN。

主桥采用由宽6 m、厚25 mm的钢板围合而成的实腹箱形截面来承担不能避免的扭转。按照剪切理论计算的箱梁扭转剪切应力约为16 MPa，将扭转应力的数值控制在了较小的范围内。

本项目构件均按景观桥原则尽量做到轻盈，考虑到节点难以承受巨大扭矩，在节点设计上，与扭转有关的主桥箱梁与吊索的节点、副桥与主桥的节点均采用销轴形式，达到一个方向上的完全铰接，而在另一个方向上，则通过增大销轴孔尺寸和在节点耳板上设置鼓形垫片的方式，使得节点有一定的侧向变形能力，并由整体体系来承受扭矩和释放次弯矩[3-5]。

3 施工实测

考虑使用的舒适性，施工过程中将成桥状态下的桥面横向平整度作为主要控制指标，主桥加工时，已经按理论计算变形将桥面翻转的变形量作为起拱值加工。落架施工过程中实际观测到的桥面翻转变形为中央轴向内侧翻转变形20.80 mm，索塔⑧轴位置向内侧翻转32.90 mm，桥台端部轴位置向内侧翻转16.70 mm。实测数值与理论计算数值均较吻合。

4 结语

随着国内经济和技术的发展，越来越多的人行桥项目开始更加强调美观性。作为国内首座以扭转为特点的景观人行桥，建设团队在没有现有经验、没有现行规范的情况下，通过前期的精心设计和反复论证、施工中的三维BIM控制、后期的静载试验和动载试验实测论证，最终完成了这个技术上难度较大、造型上美观有趣的景观桥项目，为同类项目的建设积累了一定的经验。