潭溪山景观人行桥施工技术与健康监测*

罗晓群，张其林，陈海洲，杨宗林

(1.同济大学土木工程学院，上海 200092； 2.长江精工钢结构(集团)股份有限公司，浙江 绍兴 312030；3.上海同磊土木工程技术有限公司，上海 200433)

0 引言

潭溪山景观人行桥获得了2019年度英国皇家结构工程师学会(IStructE)人行桥奖和2020年度国际桥梁大会(IBC)的亚瑟·海顿奖。IStructE人行桥奖从实现建筑愿景、富有挑战性的建设、有创意的设计和可持续的领导力等角度评价当代的人行桥结构[1]；而IBC的亚瑟·海顿奖由《桥梁设计与工程》杂志创办，表彰在桥梁的方便性、非传统设计方面有突出成绩的桥梁工程。潭溪山景观人行桥以其轻巧的结构造型、与周边环境的完美协调、合理的施工方法、TMD减振装置的应用及实时在线的结构健康监测获得了评委们的认可。本文从结构设计和施工方法与周边环境的协调、TMD减振设计及监测监控等方面探讨这座人行桥建设中的创新和创意。

1 工程概况

山东省淄博市淄川区潭溪山风景区山顶位置呈凹形弧面，并天然形成突出类似鹰嘴的悬崖体，悬崖高度约100m。如图1所示，潭溪山景观人行桥桥墩置于两个鹰嘴上，桥面为外凸平面拱形、通过斜拉索支承于与桥面夹角120°的斜向拱架上，桥面拱、索和斜向拱架形成自平衡张力结构。景观桥与潭溪山风景相得益彰，成为景区的标志。

图1 潭溪山景观人行桥实景

景观桥为单侧悬挂式拱梁体系[2]，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°，拱截面φ2 000×30，拱脚处放大为φ(2 000～4 000)×30长圆形；桥面截面为1m高钢箱梁，箱梁中心为圆弧，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(见图2)。

图2 结构概况

2 设计-制作-施工一体化设计

2.1 创新设计理念

项目采用设计-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[3]。如图3所示，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，目标是在人行活荷载下，桥面正常使用状态不产生向下的挠度。

图3 自平衡的结构体系

2.2 因地制宜的施工方案

人行桥桥位在景区山顶，运输条件很差，为了尽量减小道路拓宽整修对景区环境的影响，桥面和拱架按现有运输条件在工厂小段制作、运输到现场拼装。

山顶现场场地狭小，采用自悬崖底部搭设脚手架或支撑柱或者悬崖底部拼接、整体提升的方案，代价极大、危险性较高[4-5]。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。只有将桥面和拱架放置在其夹角<120°的位置上，才能连接无应力原长的斜拉索。综合以上因素，采用旋转桥面和拱架的安装方法就可以自然形成。

为了解决施工现场场地狭小的问题，在悬崖顶部附近的台阶处搭设局部支承胎架，拱架拼接后，桥面曲梁叠置在拱架上拼接。由于桥面曲梁矢高小于拱架，设置了滑移轨道，待置于拱架上部的桥面曲梁拼接完成后，将其整体滑移就位后旋转。施工过程的二次旋转过程如图4所示。

图4 旋转施工过程

2.3 旋转施工的构造设计和措施

成形后的拱脚为刚接支座，为了实现旋转施工，需要设置实施旋转的铰接构造。铰接构造有2处，均采用销轴连接方式。如图5所示，一处为桥面曲梁旋转铰接构造，设置在拱脚位置，旋转就位后切割去除；一处为整体旋转铰接构造，设置在拱脚长圆钢管内部，销轴位于拱脚连线上，旋转就位后封装在拱脚内。根据施加施工过程最大支座反力时的铰接构造应力分布和变形分布云图可知，在销轴孔位置的最大变形为1.45mm，最大应力出现在销轴孔位置的应力集中部位，并很快降至低于200MPa，应力次大的位置在铰接构造加劲板的底部，均在300MPa以下。

图5 旋转施工的铰接构造设计

旋转施工销轴铰接构造需满足大角度旋转的要求。拱架和曲梁在水平位置没有推力，但是在旋转施工过程中，拱结构将产生推力，且随着地面夹角变化而变化。推力的产生将使旋转铰接节点上的钢板抵紧而产生摩擦力，当摩擦力很大时会使阻碍旋转施工。所以，必须设计相应的构造和施工措施抵抗拱的推力。通常的方法是设置连接2个拱脚的拉索被动地抵抗拱脚推力，但是两拱脚间长109m，水平索拉力事实上仅取决于垂度，无法平衡变化的拱脚推力。在本工程中，平衡索的两端各设置了1套张拉工装，通过液压千斤顶张拉抗推力索至计算平衡推力值，实现了拱脚水平力的主动平衡。计算水平推力值根据施工过程的数值计算随拱旋转角度输入。平衡索系共2套，分别平衡桥面曲梁旋转推力和整体旋转的推力，构造及实际施工设置如图6所示。

图6 桥面梁和主拱施工平衡索及其工装

2.4 旋转施工的摇摆柱及爬升装置设计

为二次旋转施工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1根摇摆柱，摇摆柱的基础为铰接连接、可以360°旋转。摇摆柱中设置爬升装置，爬升装置由1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，停止爬升后可进行定位。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。

根据施工过程分析，当桥面拱旋转角度<90°时，摇摆柱承受压力。如图7所示，当桥面拱旋转至90°附近时，摇摆柱轴力从压力很快转变为拉力，是整个旋转施工最难控制的阶段，同时摇摆柱基础设计时必须考虑最大拉压力。

图7 摇摆柱及施工过程轴力变化

3 TMD减振设计

2.1节对结构进行了创新设计，以此作为初始状态，采用Ritz向量法进行结构动力分析，得到人行桥固有频率、周期、模态及模态参与质量等动力特性。结构振动模态比较密集，前68阶模态的竖向质量参与系数之和达到92%，前8阶振型动力特性如表1所示。

表1 人行桥前8阶模态特性

对最接近人行频率的竖向弯曲频率，即模态5进行控制。考虑TMD质量比变化范围为0%～5%，以0.2%的幅度递增，刚度和阻尼比按照Den Hartog建议优化值计算[6]。

按文献[7]提出的人行激励荷载模型，进行时程分析，记录最大加速度响应，如图8所示，图中横坐标μ为TMD质量比。随着TMD质量增大，加速度相应减小；在质量比为0.5%附近曲线出现拐点，当质量比小于拐点时，减振效果受质量比影响较大，而后质量比增大的减振效率降低。

图8 TMD质量比和竖向跨中加速度峰值

选定质量比为0.65%，TMD参数如表2所示。结构竖向加速度峰值为0.36m/s2，减振率为83.41%。安装TMD装置与未安装TMD装置情况下结构竖向加速度响应对比如图9所示。

表2 TMD设计参数

图9 跨中竖向加速度时程曲线对比

为了便于安装，结合现场施工可行性及加工经济性，项目采用11个TMD安装在跨中区域内，分布式的TMD布置，减振效果较单个TMD降低了8.3%，仍满足限值要求。TMD实物及现场位置如图10所示。

图10 TMD装置和现场布置位置

4 结构健康监测

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[8]。如图11所示，对每根索布置了EM索力传感器，在桥面上布置了3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。

图11 人行桥结构健康监测系统

根据2018年7月至2020年12月近30个月的索力监测数据(每周监测数据取平均值)可以看出，索力平稳并略有松弛趋势，但幅度未达到5%。

周期性选择跨中测点的竖直向加速度曲线和水平向加速度曲线进行模态识别，频谱图和时程曲线如图12，13所示。前4阶模态频率识别的结果分别为0.62，1.19，1.70Hz和1.82Hz，和表1所示前4阶误差在±10%以内，分别为8.8%，-7.0%，1.8%和1.7%，表明在近3年的运营过程中结构刚度未退化，工作正常。

图12 跨中竖向加速度时程和频谱

图13 跨中横向加速度时程和频谱

5 结语

结合环境友好性和施工可行性，从结构设计-制作-施工一体化的角度探讨了潭溪山景观人行桥在设计和施工中的创新，为控制柔性张拉结构的人行舒适性，设置了TMD阻尼器，并针对索力和振动进行长期的结构健康监测，研究工作获得如下结论。

1)采用叠置、滑移、旋转和张拉的施工方法，特别是二次旋转施工的设计，极大减少了山顶施工的复杂性，既增加了实施的可行性和安全性，又降低了费用，减轻了环境负担。

2)TMD的设置确保了人致振动下的结构舒适性，保证了结构的轻柔，体现了建筑的愿景。

3)长期的结构健康监测结果表明结构性能保持在良好的状态，实现了对结构承载能力和正常使用状态的长期跟踪。