王 凱

（廈門特區(qū)建設投資集團有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟與工程技術的不斷發(fā)展，為了滿足建筑形體視覺形象以及生產(chǎn)生活功能上日益增長的需求，我國建筑工程結構逐漸出現(xiàn)高層結構、大跨結構等特殊結構、復雜結構，結構體系日益多樣化與復雜化。在這樣的大背景下，如何對于復雜結構體系快捷有效地進行分解與分析，對于研究復雜結構體系具有重要意義。

基于此，筆者在擔任廈門市某景觀慢行橋（以下簡稱“景觀橋”）的建設單位設計負責人及施工負責人期間，總結提出一種結構小單元的復雜結構體系的分析方法。結構小單元是由構件組合能夠獨立承擔拉力、壓力、彎矩、剪力和扭矩等外力荷載的最小結構受力體系，既構成結構設計分析的最小單元，又構成現(xiàn)場施工（拼裝）工序間隙相對穩(wěn)定的最小組件。在景觀橋工程建設的方案設計、施工圖設計、工程施工過程中都運用了結構小單元的觀點理論，已順利完成項目建設?，F(xiàn)以景觀橋頂棚鋼結構為例簡述結構小單元方法的實例運用，為復雜結構體系大型工程的設計與施工拋磚引玉。

1 景觀橋及其鋼頂棚概況

景觀橋主橋采用單塔單索面斜拉橋形式，全長共 769 m，橫跨兩岸一島，分為東段橋與西段橋。橋梁段長度 537 m，道路段長度 232 m，橋梁最大跨度 72 m，橋身寬度上呈曲線波浪狀，橋梁標準段凈寬 6 m（3.5 m 自行車道+2.5 m 人行道），總寬 8.23 m（含南側護欄 1.53 m，北側護欄 0.7 m），橋塔處設置休憩平臺，橋梁凈寬加寬至 9 m，加寬橋梁段總寬 11.23 m（含南側護欄 1.53 m，北側護欄 0.7 m）。

鋼頂棚覆蓋全橋，承擔遮陽及部分遮雨功能，效果圖及剖面、平面圖如圖1～圖3 所示。其共由立柱、挑梁、后連梁、順橋向連接板等部件組成，剖面呈現(xiàn)“7”字型。為與景觀橋橋身寬度尺度上的曲線造型相呼應，頂棚在俯視與側視角度亦呈現(xiàn)波浪狀多曲面造型，在休憩平臺加寬橋梁段頂棚亦加寬，故頂棚立柱高度由 5.54 m 漸變到 4.04 m，懸挑長度由 8.17 m 漸變到 2.86 m。連接立柱的挑梁為關鍵傳力構件，將其所在的頂棚橫截面依序命名為剖面 D1 至剖面 D6。鋼頂棚在橋梁休憩平臺位置采用頂面鋁單板，逐漸過渡到橋梁標準段的頂面格柵，一方面可以實現(xiàn)休憩平臺的全遮陽遮雨功能同時兼顧標準段的部分遮陽功能，另一方面在保證功能的前提下盡可能采用格柵以減輕頂棚自重，有利于懸挑結構受力穩(wěn)定，保證結構安全并節(jié)約工程造價。

圖1 景觀橋鋼頂棚俯瞰效果圖

圖2 鋼頂棚典型剖面圖（單位：mm）

圖3 鋼頂棚平面圖（單位：mm）

2 鋼頂棚設計中的結構小單元運用

采用 3d3s 和 Midas 有限元計算軟件對橋梁鋼結構進行建模分析。輸入荷載如下。

1）恒載。頂棚鋁單板區(qū)域 0.20 kN/m2，頂棚格柵區(qū)域 0 kN/m2。

2）活載。頂棚滿布荷載 0.30 kN/m2。

3）溫度荷載?？紤]系統(tǒng)升溫 30 ℃，降溫-30 ℃。

4）風荷載。無人群時基本風壓 0.8 kN/m2，有人群時基本風壓 0.39 kN/m2，根據(jù) JTG/T 3360－01－2008《公路橋梁抗風設計規(guī)范》，廈門市地面以上 10 m 高度處基本風速Us10取值為 25 m/s，根據(jù)場地位置地面粗糙度類別為 B 類，抗風風險系數(shù)kf取為 1.05，計算位置高度Z取為 14 m，則得到設計基準風速Ud為 27.7 m/s，又等效靜陣風系數(shù)GV根據(jù)地面粗糙度類別及水平加載長度取 1.27，則等效靜陣風風速Ug根據(jù)公式Ug=GVUd可得 35.18 m/s。將Ug反帶入氣動三分力式［1］，并將風洞模擬實驗下的不同風攻角工況下的氣動橫向力系數(shù)CH、氣動豎向力系數(shù)CV、氣動俯仰扭矩系數(shù)CM代入［2］，可得作用在鋼頂棚上的風力單位線荷載氣動豎向力FV、氣動橫向力FH和繞縱軸氣動俯仰扭矩M，也即在不同風攻角工況下的風荷載組合［3］。根據(jù)頂棚布置，頂棚格柵處不承受風荷載，風荷載輸入在頂棚鋁板位置。

針對上述荷載，輸入共 19 種可能的荷載組合，并就各種荷載組合中最不利工況進行應力和位移分析。經(jīng)過初步計算得到初步結構設計方案，立柱、主挑梁、次挑梁、挑梁間順橋向連接板構件形式及尺寸如表1 構件方案 1 所示。頂棚鋁單板單層 3 mm 厚。

表1 頂棚構件比選方案

各組成構件建模示意圖如圖4 所示，經(jīng)過建模計算該方案位移方面豎向最大位移 84.1 mm，超過規(guī)范撓度限值L/200=41 mm，內(nèi)力方面最大應力比R為 1.22，超過規(guī)范應力比限值 0.9，方案不可行。

圖4 頂棚組成構件建模示意圖

由上述傳力路徑分析可得，一方面要減少頂棚豎向位移減少挑梁撓度，主要需要增加額外約束，可以在懸臂端增加約束，將荷載由挑梁直接傳遞到橋身，因此可以得到增加拉壓立桿和增加拉索的比選約束方案，如圖5 所示。

圖5 頂棚約束比選方案

另一方面，要減少頂棚應力比，主要需要優(yōu)化構件截面。從受力分析來看小單元的約束邊緣構件挑梁和順橋向連接板均為受彎構件，同時小單元組傳遞到后連梁與立柱，立柱也是受彎狀態(tài)，故要減少應力比需要增加順橋向連接板、挑梁、立柱等主要受彎構件的截面抵抗矩，以保證挑梁和立柱的整體穩(wěn)定。增大構件截面尤其是增加梁高是最有效率的方法［4］，但同時也會帶來構件自重增加彎矩和剪力增加，綜合考慮下抽除部分次梁間連接板，也即減少頂棚格柵分縫密度，并適當增大截面，在原初步結構設計的構件方案 1 優(yōu)化得到構件方案 2，另外考慮在增加截面抵抗矩的同時盡量控制構件自重，因此構件形式由實心鋼材往箱型、矩形管等優(yōu)化，在原初步結構設計的構件方案 1 優(yōu)化得到構件方案 3，如表1 所示。

綜上對于構件比選方案 1、2、3 與約束比選方案 a、b、c 進行組合，以對受力與變形兩方面進行優(yōu)化，建模計算得到結構受力與變形性能指標如表2 所示。構件方案 1 下，頂棚約束由無額外約束的方案 a 增加到有立桿或有拉索的方案 b 和方案 c，能夠有效控制豎向最大位移，但是受力方面邊立柱的應力比仍然超過規(guī)范限值，而經(jīng)過構件優(yōu)化后的構件方案 2 和方案 3，在增加拉索或立桿的額外約束的約束方案 b 和約束方案工況下能夠實現(xiàn)豎向最大位移和最大應力比均滿足規(guī)范限值要求，具備可行性。最終為保證橋梁和頂棚外觀的整體視覺效果，綜合考慮后選擇矩形管截面為主的構件方案 3 與懸臂端拉索的約束方案 c 的結構設計組合。最終確定的構件方案 3 與約束方案 c 的壓風荷載組合、吸風荷載組合下的位移云圖如圖6 所示。

表2 頂棚結構設計方案比選

圖6 構件方案 3 與約束方案 c 組合的有限元分析結果

3 鋼頂棚施工中的結構小單元運用

根據(jù)國內(nèi)外工程實例組織景觀橋主橋施工工序流程［5］，鋼頂棚施工位于工序流程末期，需待橋塔首節(jié)次節(jié)段安裝、橋面鋼箱梁安裝焊接合攏、橋塔三節(jié)四節(jié)依序完成后方施工鋼頂棚。頂棚用鋼西段橋共計 150.22 t，東段橋 328.95 t，全橋共計 479.17 t，安裝利用現(xiàn)場施工鋼棧橋站位，用 25 t 汽車吊站位在鋼棧橋上安裝，以下對頂棚施工安裝工序工藝進行詳細分析。

運用結構小單元理論對于頂棚安裝施工工序進行細化分析與組織。前述結構受力分析的結構小單元是獨立承受荷載的結構體系，頂棚施工分為鋼結構廠內(nèi)加工安裝與現(xiàn)場安裝兩部分。

廠內(nèi)安裝按照后連梁→橫橋向挑梁（立柱處主挑梁）→前連梁→柱間橫橋向挑梁（立柱間次挑梁）→次骨架（順橋向連接板），覆蓋鋁單板部分再另外焊接安裝鋁單板。該安裝順序實際上以立柱為分界，在每兩根立柱之間逐步安裝形成了一個由若干個頂棚鋁板或頂棚格柵小單元組合而成的結構小單元組，等結構小單元組分別安裝完成后再整體對應焊接，以防止焊接變形。

現(xiàn)場安裝則是將前述廠內(nèi)安裝形成的每一個結構小單元組作為吊裝單元，在現(xiàn)場自橋塔中軸線向兩側對稱安裝，也即在安裝立柱之后，如圖7 所示按照吊裝單元①、吊裝單元②、吊裝單元③的次序順次安裝結構小單元組，并且在每一個吊裝單元安裝過程中，在已經(jīng)焊接完成的主橋橋面上采用規(guī)格 I20a 工字鋼搭設臨時支撐，用于支撐立柱處主挑梁懸臂端，臨時工字鋼支撐兩側斜撐 I20a 工字鋼保證其平面約束。工字鋼臨時支撐一方面能夠有效地輔助控制標高及線型，另一方面通過立柱與臨時支撐共同作用，實現(xiàn)施工期間結構小單元組→立柱與臨時支撐→主橋的荷載傳遞（見圖8）。

圖7 頂棚施工安裝工序

圖8 頂棚臨時支撐構造

在整個頂棚現(xiàn)場安裝施工過程中對吊裝單元吊裝、拉索安裝與張拉的全過程進行吊裝就位監(jiān)測與線型監(jiān)測［6］。吊裝就位監(jiān)測是根據(jù)設計圖紙在已經(jīng)安裝、焊接完成的鋼箱梁橋面上部放樣出頂棚立柱及臨時支撐的十字中線，在臨時支撐上部放置調(diào)節(jié)段調(diào)整主挑梁對應位置標高，安裝立柱過程中利用全站儀校正其傾斜角度，調(diào)整到設計位置后臨時固定，在吊裝過程全程監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)誤差及時修正；線型監(jiān)測則主要分為軸線調(diào)整及標高調(diào)整，軸線調(diào)整采用全站儀測量調(diào)整中軸線，標高調(diào)整采用水準儀測量，在拉索張拉過程中對于整個頂棚同步監(jiān)測控制，確保軸線及標高準確，以保證線型符合設計效果。

4 結語

本文提出了一種建筑工程結構小單元的分析思路，并以廈門市某景觀橋鋼頂棚作為實例，通過設計與施工上結構小單元的具體運用分析，可以得到如下結論。

1）通過將大型結構根據(jù)傳力路徑與受力體系拆解為能夠獨立承受荷載的結構小單元，可以有效地化整為零、化繁為簡，為工程設計與施工提供指導。

2）工程設計方面，結構小單元可以作為結構受力分析的起點，通過分析小單元內(nèi)部的荷載傳遞及小單元間的耦合作用實現(xiàn)傳力路徑。

3）工程施工方面，結構小單元可以作為鋼結構分解與拼裝的組元，將完整結構化整為零拆分成可獨立承受荷載的結構小單元或小單元組，對于施工分段或施工分節(jié)有重要意義。Q