佩里大桥 - 新西兰跨度最大的网状拱桥设计 TIM BROOK；PHIL GABY 摘要
佩里桥是一座 130 米长的格构拱形人行桥，它承载着蒂阿瓦河自行车道和人行道横跨霍洛蒂乌附近的怀卡托河。本文介绍了设计这座细长跨度桥时克服的技术挑战，并讨论了用于安装跨河大桥的独特索道架设方法的设计。本文还为新西兰各地格构拱桥解决方案的进一步开发提供了参考，这些解决方案以佩里桥项目的效率和成功为基础。
介绍
蒂阿瓦河自行车道和自行车道沿着北岛中部的怀卡托河岸绵延约 70 公里。这条新路由一家慈善信托基金开发。在规划 Ngarawahia 和汉密尔顿之间路线的最后一段时，由于 Horotiu 附近河岸的土地使用许可问题，该信托基金不得不穿过自行车道到达河对岸。
怀卡托河是新西兰最长的河流，也是北岛最大的河流——上图的河段宽约 100 米。这条河和河床对当地毛利人来说也具有文化敏感性，从这个角度来看，在河内建造桩基或桥墩造成重大干扰是非常不可取的。Cycleway Trust 需要开发一种重要的大跨度桥梁解决方案，但也需要一种相对低成本的解决方案，因为他们的预算最初并没有考虑到需要跨越这条河。
Cycleway Trust 最初为这座桥设计的概念（由其他人提出）是一座木悬索桥——成本低但外观简单，灵活，为桥梁使用者提供生动的体验。Holmes Consulting 与 Emmetts Civil Construction 合作签订了设计-建造合同，并共同向客户提交了一份涉及格构拱桥的替代设计。该方案采用跨度为 130 米的倾斜钢管拱和后张混凝土桥面，与之前的概念设计相比，它具有许多优势，包括增强的耐用性、设施和性能，所有这些都只需适度的额外成本。
设计团队开发了 3D CAD 模型可视化（图 1），以便有效地向客户和利益相关者传达备选设计。自行车道信托基金和当地议会认识到，引人注目的格构拱桥方案提供了一个机会，可以做出大胆而有吸引力的声明，吸引人们对自行车道的关注，吸引公众支持，并帮助筹集资金。
图 1 渲染图（左）和完成的桥梁（右）
网拱
格栅拱结构最早由挪威工程师 Per Tveit 在 20 世纪 50 年代和 60 年代发明。这种结构是一种系杆拱桥，其特点是斜吊杆相互交叉不止一次（Tveit 2009、2010）。与带有垂直吊杆的传统拱相比，这些斜吊杆将集中荷载对桥面的影响沿拱向外分散，大大降低了拱肋和桥面系杆结构的弯曲影响。实际上，斜吊杆的作用类似于梁腹板，使整个结构更像桁架。图 2 显示了格栅拱和传统系杆拱肋在非对称补丁荷载（以相同比例显示）下的相对弯曲幅度比较，突显了行为上的巨大差异。
图 2 非对称荷载作用下格构拱(a)与传统系杆拱(b)弦杆弯曲效应相对大小
拱和桥面结构作用力的减小使桥面可以设计出更小、更高效的截面。这些优化截面固有的细长性要求高水平的设计工作，但相关的材料节省使格构拱成为跨度约为 80 米至 250 米的桥梁中极具竞争力的形式。
佩里大桥概况
拱肋
佩里大桥的钢管拱肋由 457 个 CHS 节段组成，跨度为 130 m，高度为 18 m（图 3）。拱肋通过折叠槽道垂直固定在一起，彼此之间形成一定角度，以增加刚度和稳定性（间距为顶部 2 m，底部 9 m）。大多数格构拱的跨度为跨度的 15% 至 20%（Tveit 2010）。更大的跨度将提高拱的效率；然而，出于美观原因，这一比例通常会受到限制。佩里大桥的跨度为 13.8%。选择这一比例是为了平衡拱的效率和其在周围低洼乡村景观中的外观；将弦长优化为通常可用的 12 m 长 CHS 节段的最接近倍数；并适应未来可能出现的维护通道设备的高度限制。
桥面
桥面系梁由钢 UB 桁架梁和预制 T 型梁组成，与 3m 宽的预制混凝土桥面完全复合，与现浇混凝土接缝连续。桥面采用纵向后张拉，与桥台整体连接，无接头或支座，进一步减少了维护要求。
图3 总体布局
桥面采用高强度钢吊杆支撑，吊杆呈斜交网格状，是该结构形式的特点。吊杆交叉处设有夹板，以减少吊杆的有效长度，防止局部风引起的振动。
最佳吊杆网络布置是径向布置，吊杆交叉点位于拱圈半径上（Brunn 和 Schanack 2003）。然而，通常使用更简单的布置，其中所有吊杆与桥面的角度相同（交叉点位于水平线上），尤其是当吊杆连接需要沿桥面均匀分布以与横梁对齐时。对于佩里桥，吊杆角度经过精心调整，以提供径向布置的一些好处，同时还保持沿大多数拱门的均匀连接间距并与横梁对齐（图 3）。还实现了令人愉悦的视觉效果。
子结构
钢筋混凝土桥台由打入钢管桩支撑，桩基位于河岸地面以下27米至34米的密实沙土中。
设计和开发
通过使用高效的格构拱系统，该设计能够显著减少桥梁所用材料——上部结构仅使用 73 吨钢材。这比招标期间考虑的传统钢拱或桁架桥方案少了约三分之一的钢材。然而，实现如此轻便高效的设计面临着许多复杂的工程挑战。
拱门屈曲分析
格构拱结构的主要挑战之一是细长拱肋在压缩作用下可能发生的屈曲。因此，对拱屈曲进行详细评估是设计的一个重要方面。我们构建了桥梁及其地基的完整 3D 有限元模型，首先用于进行线性弹性特征值屈曲分析，从而优化了拱支撑布局和拱肋厚度。获得的屈曲荷载系数明显低于 BS EN 1994-1-1 (2004) 建议的 10，因此还进行了二阶分析以验证结果。这涉及完整的非线性屈曲分析，包括模型中的材料和几何非线性（图 4）。临界特征值模态的形状被用作初始几何缺陷，振幅则基于 BS EN 1993-2 (2006) 附件 D 中的指导。 这需要一些解释来将屈曲轮廓的相关长度等同于规范中假设的正弦和抛物线形状。
图4 临界拱屈曲模式分析图（a）总图（b）平面图
行人振动
网络拱形结构的优点是垂直响应刚性强。然而，佩里桥桥面宽 3 米，跨度 130 米，横向最灵活（最低频率模式）。这意味着需要仔细考虑横向影响，尤其是行人引起的横向激励或“锁定”的可能性，就像伦敦千禧人行桥开通时的情况一样。使用动态分析评估影响，并根据 BS EN 1991-2 国家附件（2003 年）和欧洲指南（JRC-ECCS 联合报告 2009 年）的要求进行检查。后者可以更精确地评估不同情况下的横向加速度和用户舒适度，例如一般使用或罕见事件，如开幕日人群密集。
图5 开通当天过桥人群
结构的横向刚度和质量阻尼不断改进，直到达到令人满意的理论性能水平。这包括用混凝土填充拱门末端，使拱门支撑更坚固，并通过增加路缘石的尺寸来改善混凝土桥面横截面积——增加平面刚度。该设计在开幕当天得到验证，当数百人过桥时，桥梁的静态响应非常稳定（图 5）。
地基抗震设计
桥梁设计为在极限状态惯性抗震要求下保持弹性。然而，岩土工程分析还发现，地震引起的桥台坡度移动可能在 200 毫米至 400 毫米之间。对于上限情景，桩设计为铰接式（在钢规范的单向塑性旋转限制内），从而保护上方的上部结构。
细节和城市设计
选择格构拱作为桥梁的桥面形式是因为它的结构效率，但其整体纤细的比例也使其外观引人注目。局部细节也采用了类似的方法——使用简单、实用但极简的连接细节（图 6）。这不仅降低了制造成本，还符合项目预算，同时还实现了与桥梁整体规模视觉上相符的细节，同时仍能讲述其建造的故事。使用空腹支撑拱和拱肋向内倾斜所提供的清晰线条进一步增强了桥梁的优雅外观。
图 6 拱形拼接（a）和支撑连接（b）细节
在设计过程的早期，人们就意识到可以利用大桥的标志性建筑，并改善桥周围的城市设计。自行车道信托基金与当地艺术家合作，开发了充满活力的油漆配色方案、亚麻风格的编织图案路面和桥梁照明，以反映蒂阿瓦河自行车道的主题和故事。大桥两端的河流两岸的当地学校还设计了马赛克艺术品，以吸引社区参与。
施工临时工程及运输
除了新桥的永久性工程设计外，Holmes Consulting 还为承包商进行了临时工程设计，考虑了桥梁构件的架设方式直至桥梁结构本身的架设。
拱门竖立
一个关键方面是拱肋的独立安装。在安装吊架之前，拱必须暂时跨越 130 米的自支撑长度，这被证明是拱屈曲的一个关键情况，因为可能会发生“断裂”。设计了一种简单但有效的方法，使用连接到地面混凝土废块的仅受拉的拉杆将拱固定在四分之一点处。这使承包商的安装顺序能够安全快速地进行。
索道牵引
需要找到一种解决方案来安装横跨河流的桥梁，避免临时工程进入河床，并在承包商的预算、可用设备和材料以及进度和安全风险范围内建造。最初的选择，如重型起重机或过河驳船，不符合现场标准，因此被否决。设计师随后想出了一种新颖的解决方案，通过将桥梁前端沿张紧缆索滑动，将桥梁推过河面（图 7）——据作者所知，这是第一次尝试这种类型的滑动结构。
索道由 30 根直径为 15.2 毫米的预应力钢绞线（每个拱下 15 根）组成，锚固在每个桥台后面的六个倾斜螺旋桩上，总基准载荷为 2350 kN，以支撑桥梁钢结构的重量。主要成本在于地面锚固，因此关键是平衡所选的缆索张力与牵引过程中将发生的下垂量以及滑动桥梁所需的拉力。这些参数通过非线性缆索分析、稳定性检查和既定的监测标准进行评估。使用润滑的发射鞋，通过简单的牵引线将其拉到履带挖掘机上网状钢结构，这座桥仅用了两个小时就安装完毕。
图 7 桥梁架设
项目成果及认可
佩里大桥的格构拱门工程造价为 240 万新西兰元，为客户带来了一座价值非凡的地标性建筑，远远超出了他们最初对这座基本功能性河流桥梁的期望。大桥的通车是一场盛大的社区庆典，有音乐、表演、演讲网状钢结构，超过 1000 人出席。社区的参与让他们真正感受到了这座大桥的主人翁感，这反映在对大桥的大力支持以及使用自行车道的自行车骑行者数量增加了 400% 上。
自 2017 年 11 月竣工以来，该项目还在新西兰和国际上赢得了众多行业奖项。值得注意的是，该桥结构设计于 2018 年荣获结构工程师学会 (IStructE) 享有盛誉的结构奖的人行桥奖。
新西兰网格拱桥的发展
Holmes Consulting 及其设计团队成员参与了将格构拱桥结构形式引入新西兰的工作，该国第一座格构拱桥是旺格努伊的 Mangahu 桥，于 2009 年竣工（Chan 和 Romanes 2008）。这座桥和附近的一座姊妹桥于 2015 年开通，是一座跨度 85 米的单车道乡村公路通道桥。随后在 2010 年，作为东陶波主干线项目的一部分，设计并建造了一座更大的跨度 100 米的公路桥，以将 1 号国道横跨怀卡托河（Presland 和 Gulley 2011）。
设计师利用这一经验开发了佩里桥的概念和设计，这是新西兰第一座专为行人和骑自行车的人设计的网状拱桥，也是该国跨度最大的拱桥。
随后，基于这些早期项目的成功和结构形式的有效性，Holmes Consulting 参与了新西兰其他几座网状拱桥的开发。2018 年底，一座跨度为 118 米的网状拱管桥在剑桥的怀卡托河上建成，取代了现有的下水道管桥——新桥的跨度很长，避免了在陡峭的河岸上进行昂贵的地面改良工程。在旺加尼河的 Upokongaro，佩里桥的姊妹桥将承载拟建的 Mountains to Sea/Nga Ara Tuhono 自行车道横跨河流。钢结构已安装在河的西岸，目前正在等待最终安装。一座新的 60 米跨度单车道交通桥的设计也已完成，横跨 Taupiri Mangawara 溪，为前往神圣的 Taupiri-Urupa 提供更安全的通道。施工计划于 2019 年 8 月开始，预计于 2020 年初完工。
综上所述
佩里桥的设计拥有新西兰最长的拱跨度和独特的施工安装方法，需要仔细的分析和工程技能才能实现。作为该项目的替代结构解决方案，结构形式的效率将成本控制在现实预算范围内，同时还创造了一座极其优雅的人行桥。事实证明，这座桥对当地社区和来自其他地区的众多游客来说是一个巨大的成功。客户对结果非常满意，并认为这座桥是蒂阿瓦河之旅的最佳特色之一。
这一国际获奖设计代表了对新西兰桥梁工程行业的重大技术贡献，并且通过在新西兰其他几个地方应用类似的大跨度格构拱桥解决方案，格构拱桥设计的成功和效率现已得到进一步实现。
致谢
作者要感谢 Emmetts Civil Construction（建筑商）和项目客户 Te Awa River Ride Charitable Trust 和怀卡托区议会在完成这一具有挑战性的项目过程中给予的合作和信任。此外，还要感谢更广泛的项目团队帮助该项目取得成功，其中包括：ENGEO（岩土工程师）、Eastbridge（制造商）和 AECOM（同行评审员）。
佩里大桥的照片
佩里大桥施工视频
翻译：安凤鸣
