漫步云端！同济设计世界首例高空无背索斜拉弧形玻璃桥又获大奖！
好消息！
近日，
2019世界结构大奖获奖名单揭晓，
同济大学土木工程学院张其林教授
主持设计并监造完成的
世界首例无背索斜拉弧形玻璃桥
——潭溪山高空玻璃桥
获“行人桥梁奖”。
潭溪山风景区
位于山东淄博市，
该风景区是
国家AAAA级旅游区、
国家森林公园、
国家水利风景区。
潭溪山顶部是一高约100米的
内凹形悬崖峭壁，
峭壁两端突出山体相距100多米。
在这样特殊的地形上
兴建一座具有外凸形桥面板的
人行玻璃景观桥，
可使桥面上的行人远眺
能欣赏整个潭溪山的自然风景、
俯瞰则具有危险和刺激的悬空体验！
同济团队做到了！
历时两年建设，潭溪山高空玻璃桥于2017年盛夏时节建成，向游客开放。建于潭溪山顶海拔700米的崖壁之上，桥面跨度117米、宽2.45米，外弧最大半径90米，悬空高度101米，最大承载量3.5吨/平方米，总承载可达900吨，单次承重1万人。它被誉为“齐鲁空中走廊”，与山崖风格浑然一体。晴天时，蓝天和白云的倒影铺满玻璃桥面，有踏云而行的快感；云雾天气，玻璃桥则在雾中若隐若现，宛如海市蜃楼。
结构体系
景观桥为单侧悬挂式拱梁体系，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度，拱截面φ2000×30，拱脚处放大为φ2000~4000×30长圆形；桥面截面为1m高钢箱梁，箱型梁中心为圆弧，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。
结构平面图
结构立面图
结构侧视图
桥面梁截面
创新性设计技术
设计方面要解决的难点之一是岩体的稳定性问题。设计中应用了三维激光扫描定位技术，设置了6个扫描站点悬崖岩体全貌进行了扫描，通过点云拼接、去噪处理，构建了崖体、桥墩及基础的三维数值计算模型，通过数值计算与分析，确保了悬崖岩体的稳定性。
三维激光扫描还同时解决了桥墩定位、桩基及桩体定位、桥面与支承拱架制作尺寸的精确性问题。
桥梁和岩体三维模型
设计方面要解决的难点之二是设计目标的可实现性问题。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。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600mm左右，在人行荷载下，桥面不产生向下的挠度。这样的设计理念，避免了在桥面上布置张拉工装、进行危险的高空作业。
创新性施工技术和装置
（1）平移和旋转施工方案
景区运输条件很差，桥面和拱架只能小段工厂制作、运输到现场安装。但现场场地狭小，采用自悬崖底部搭设脚手架或支撑柱的方案，或者悬崖底部拼接、整体提升的方案，代价极大、危险性较高。而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。而只有将桥面和拱架放置在其夹角小于120度的位置上，才能连接无应力的长度为原长的斜拉索。综合以上因素，采用旋转桥面和拱架的安装方法就自然形成。
因为施工现场场地狭小，拱架拼接时在悬崖顶部附近的台阶处搭设了支承胎架。桥面矢高小于拱架，因无场地同时搭设桥面的支承胎架，实际施工时是设置了滑移轨道、将桥面置于拱架上部拼接、然后将桥面整体平移至其位置后旋转。
桥梁梁旋转（1）
桥梁梁旋转（2）
桥梁梁旋转（3）
桥梁梁旋转（4）
整体旋转（1）
整体旋转（2）
整体旋转（3）
整体旋转（4）
叠合拼装、滑移、旋转施工的现场施工照片
（2）临时旋转铰接节点构造
桥面与拱架的拱脚设计均为刚接连接，为了实现旋转施工，必须设置临时的旋转铰接节点，旋转到位后再固定和封装节点。临时铰接节点采用简单的销轴连接方式，两拱脚处销轴位于拱脚连线上，销轴节点必须满足大角度旋转的要求。
桥面临时旋转铰接节点
拱架临时旋转铰接节点
（3）拱推力主动平衡装置
拱在水平位置拱脚无推力，而拱在旋转过程中，拱脚会产生随与地面夹角变化的推力。这一推力会使临时旋转节点上的钢板抵紧而产生摩擦力，当摩擦力很大时会使拱无法旋转。所以，必须设置抵抗拱脚推力的平衡装置。当然可以设置连接两个拱脚的拉索来被动地抵抗拱脚推力，但长度109m的水平索拉力事实上仅取决于垂度、基本为定值，无法平衡变化的拱脚推力。实际施工时，在平衡索的两端各设置了一套张拉工装，通过液压千斤顶输入相应的数值、产生相应的所需的平衡力，实现了拱脚水平力的主动平衡。千斤顶输入数值根据施工过程的数值计算随拱旋转角度输入。
桥面梁和主拱施工平衡索及其工装
（4）摇摆柱子及爬升装置
为拱的旋转提供推力是旋转施工实施的关键。在跨度的1/3处两个位置各设置一根摇摆柱，摇摆柱的基础为铰接连接、可以360度旋转。摇摆柱中设置爬升装置，爬升装置由一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、停止爬升后可予以定位。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。
当桥面拱旋转角度小于90度时，摇摆柱承受压力。当桥面拱旋转至90度附近时，摇摆柱轴力会产生由压至拉的很大的变化，在设计摇摆柱基础时必须考虑最大的拉压力。
摇摆柱示意及其内力
运维全过程的控制与监测技术
运行过程中的舒适度是景观人行桥必须考虑的问题。计算分析表明，谭溪山景观人行桥的舒适度为CL4不可接受类别。工程中，设置了10个TMD，使桥梁舒适度达到了CL1最好类别。施工完成后、TMD安装前后的人行现场实测证明了数值计算与分析的正确性。
TMD布置及现场实测照片
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。对每根索布置了EM索力传感器，在桥面上布置了三个三向加速度仪。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。
传感器和健康监测系统
迄今，谭溪山景观人行桥已经安全运营了两年半。
景观桥远眺
世界首创！
结构工程专家们对这座桥的结构设计给予高度评价：“这座玻璃桥是结构成就建筑之美，结构特别轻巧，从力学上说非常合理，是一种新的结构形式。” “潭溪山无背索斜拉弧形玻璃桥，填补了中国景观桥梁的一个空白。它的设计新颖独特，结构稳定合理，工程难度大，尤其是采用的施工方法，更是前所未有、世界首创，体现了我国桥梁建设的最高水平。”
世界结构大奖（The Structural Awards） 由结构工程师协会（Institution of Structural Engineers）发起，对全球范围内的基础设施以及建筑项目的结构设计进行表彰，挑选出卓越的兼具创意、美感、可持续性和价值的项目。50多年的历史里，包括悉尼歌剧院、法国巴黎蓬皮杜中心、英国威尔士塞文桥等伟大的结构设计都曾经获得相应的结构奖项。
世界结构大奖根据项目的结构特点而不是结构类型，设置了12个主要奖项：高耸或细长结构奖、大跨度结构奖、交通桥梁奖、行人桥梁奖、小型项目奖（建筑成本低于300万英镑)、极端条件设计奖、传承结构奖、改造/扩建项目奖、建造创新奖、结构技艺奖（建筑物类）、结构技艺奖(非建筑类）、可持续发展奖。此外，The Structural Awards 还设置最卓越工程奖，从上述的12个获奖名单中选出。
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整理来源：同济大学土木工程学院