摘要：“西邑大理”彩虹桥采用大跨度空间钢管桁架结构体系。大桥主体结构跨度220米，结构总高度33.15米。系统介绍了大理彩虹大桥钢结构的设计过程，并对空间管桁架独立支撑结构体系和空间管桁架-拉索结构体系进行了分析比较。为了减小空间拱结构对刚性支撑产生的水平推力，采用了上部钢结构施工时调整支撑边界条件的方案，并重新进行了主体结构的有限元计算。 ——以支撑变形为计算条件进行计算。结果表明，此时支架的水平推力大大减小。
1 项目概况
“西夷大理”彩虹桥位于苍山与洱海之间，大理古城一角，形成“一桥飞翔南北，天堑变通途”的意境。 ，形成大理古城新的地标景观。彩虹桥与旋转天花板结合，通过水面的反射形成眼睛图像，通过灯光效果和视频效果渲染，形成神奇超现实的场景（图1）。 “西夷大理”彩虹桥通过眼睛的空灵概念，营造出梦幻般的视觉冲击力。同时，彩虹桥也是舞台设备（水雾、视频、灯光等）的重要支撑结构。
彩虹桥主体结构外跨222m，内跨153m，内拱高30m，整体结构高度32.55m。它是多个设备的支点：水幕管道、过孔吊装、照明支架和视频投影屏幕。彩虹桥的附属设备包括马道、照明桁架和吊杆底座的维护。投影幕采用索膜结构张拉固定在大跨钢桥结构主体上。
图1“西夷大理”彩虹桥水雾视频雾效果图（彩虹桥钢结构设计）
2、场地工程地质条件
项目所在区域位于大理断陷盆地边缘，地势较为平坦，为冲积河流台地地貌。拟建厂址位于抗震设防烈度8度地区，属强震区；场地地面相对高差1.78m，未发现古河道、埋塘等。建筑物的抗震面积为一般场地即可施工。
表1 土层主要物理力学指标
3 钢结构设计
3.1 结构体系及布局
彩虹桥主体结构外跨222米，内跨153米，内拱高30米，结构总高度32.55米。项目所在地区地震基本烈度为8度，结构抗震设防为标准设防。拟采用大跨空间钢管桁架结构体系。主立管断面尺寸∅1020x25；主腹板截面尺寸为∅500x16；次腹板截面尺寸为∅402x16。彩虹桥结构布置平面图见图2，彩虹桥结构布置主立面图见图3，彩虹桥结构布置侧立面图见图4。
图2 彩虹桥结构布置图（彩虹桥钢结构设计）
图3 彩虹桥正面结构布置图
图4 彩虹桥结构布置侧立面图（彩虹桥钢结构设计）
彩虹大桥的辅助设备包括维修马道、照明桁架和吊杆底座，通过斜拉杆与主桁架连接固定。斜拉杆截面尺寸为∅203×6。投影幕采用索膜结构张拉固定在大跨钢桥结构主体上。彩虹桥马道布置剖面如图5所示。
图5 检修马道及斜拉杆布置剖面图
3.2 荷载取值及组合安排
计算考虑了结构恒荷载、活荷载、水平地震效应、温度效应和其他荷载，以及活荷载的不利布置。
考虑到主体结构处于露天，桥面没有有效的保温措施，在阳光直射下构件温度变化较大，因此设计计算时考虑了±30℃的温差。
3.3 结构方案对比分析
设计中对以下两种结构体系进行了对比分析：
(1)空间索管桁架结构体系(见图6)。为了平衡钢缆的拉力，增建了5座钢结构固定塔来固定5组钢缆。钢结构固定塔有限元计算模型如图7所示。
(2)空间钢管桁架结构体系。为增强结构整体稳定性，减少变形，桥体上表面宽度扩大2m，钢管桁架高度增加1m。空间钢管桁架结构体系有限元计算模型如图8所示。
图6 空间索管桁架结构体系ANSYS有限元计算模型
图7 钢固定塔
图8 空间钢管桁架结构体系ANSYS有限元计算模型（彩虹桥钢结构设计）
采用复杂高层建筑结构分析设计软件PMSAP、SAP2000、ANSYS对主体结构进行空间分析计算。两种结构体系方案的有限元计算对比结果如表2所示。
表2 两种结构体系方案有限元计算结果对比
空间索管桁架和空间钢管桁架两种结构体系方案的主要断面及用钢量技术经济比较如表3所示。
表3 两种结构体系方案主要断面及用钢量对比
有限元计算分析结果表明，空间索管桁架和空间钢管桁架结构体系均满足规范要求。与空间索管桁架结构体系相比，空间钢管桁架结构体系具有钢材总消耗量低、施工方便的特点。经与演艺创作团队及业主反复协商，为提高场地利用率，决定取消5组钢缆和5座钢结构固定塔。彩虹桥主体结构采用空间管桁架独立支撑结构体系，同时也提高了观众的视觉质量。考虑到冲击角度，导演要求将主立管直径从1020改为1200。
4 钢结构支护基础设计及边界条件探讨
4.1 桩基设计
彩虹桥基础设计采用人工挖孔灌注桩。人工挖孔灌注桩端部主要持力层为②第3轮碎石层。桩长10m，桩径1000mm。单桩竖向承载力特征值为1800kN大理 钢结构，单桩抗拔承载力特征值为1000kN，单桩水平承载力特征值为380kN。
图9 彩虹桥桩基布置图（彩虹桥钢结构设计）
4.2 钢结构支座边界条件
彩虹桥人工挖孔灌注桩施工过程中，由于碎石层地下水渗透性强，孔内大量水流出，施工单位未按规定采取排水措施。未达到设计要求，人工挖孔至7.5m左右时产生大量积水。流沙使洞塌陷。
此时，如果重新整理施工排水方案以满足设计桩长10m，或者采用换桩方案，不仅成本高，而且工期长。为此，根据现有有效桩长纵横向承载力，调整桩基设计和上部钢结构支护边界条件，以缩短工期、节省投资，成为桩基设计调整中的难点对于这个项目。
(1)单桩竖向承载力问题。原设计桩长为10m，单桩竖向承载力特征值为1800kN。实际施工后，现有有效桩长为7.5米。本工程桩基数量由水平承载力控制。经计算大理 钢结构，有效桩长7.5m的竖向承载力能够满足要求。由于人工挖孔灌注桩施工过程中无法清理底部浮砂层，所有桩基均采用桩底高压后注浆处理，保证桩身人工挖孔灌注桩的承载力，减少沉降。
(2)单桩水平承载力问题。原设计桩长为10m，单桩水平承载力特征值为380kN。实际施工后，现有有效桩长7.5米，单桩水平承载力已不能满足设计要求。
为了减小空间拱结构对刚性支撑产生的水平推力，在上部钢结构施工过程中，采取了调整支撑边界条件的方案：主体结构左侧支撑桥梁采用固定连接节点，右侧钢筋柱底板上的圆形地锚孔改为长方形。上部钢结构安装完毕后，允许右侧支撑在拱结构的自重作用下水平移动30mm。
以支座位移30 mm为计算条件，利用SAP2000重新计算主体结构的有限元计算。结果表明，此时轴承的水平推力大大减小。现有桩数及有效桩长7.5m可满足受力要求。
5 结论
1）针对彩虹桥主体钢结构，对比了空间索管桁架和空间钢管桁架两种结构体系方案，并利用SAP2000和ANSYS有限元软件进行不同荷载工况下的受力分析。分析结果表明，索管桁架和空间钢管桁架结构体系均能满足结构承载力和正常使用要求。与空间索管桁架结构体系相比，空间钢管桁架结构体系的钢材总消耗量更低，场地利用率更高。具有效率高、施工方便等特点。同时，为了增强结构的整体稳定性，减少变形，空间钢管桁架独立支撑结构应采用比索管桁架结构更大的截面尺寸。
图10 彩虹桥桩基施工现场（彩虹桥钢结构设计）
2）为了减小空间拱结构对刚性支撑产生的水平推力，采用了上部钢结构施工时调整支撑边界条件的方案，主体结构有限元模型以支座变形为计算条件重新计算。计算结果表明，此时支架的水平推力已大大减小。根据现有桩的有效竖向和水平承载力，对桩基设计和上部钢结构支护边界条件进行了调整，缩短了施工周期，节省了大量投资，保证了工程的顺利进行。
参考
[1] GB50017-2003。钢结构设计规范[S]．北京：中国规划出版社，2003
[2] JGJ94-2008。建筑桩基础技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008
