梅溪湖梅岭公园跨龙王港河步行桥,因独特造型又被称为中国结步行桥(见图1)。被美国CNN评选为“世界最性感建筑”。该桥由荷兰Next建筑事务所设计,相互交织而又蜿蜒盘旋的设计灵感源于经典的魔比斯环和民间艺术中国结。钢桥造型独特,通过龙王港河有3条步行道。步行桥设立4个节点,可以满足从梅岭公园至银杏公园跨支路九、跨龙王港河、跨梅溪湖路的人行联系交通需求,同时成为片区标志性景观建筑物。

梅溪湖梅岭公园跨龙王港河步行桥高24m,长183.95m。跨河部分约69m,桥面坡度最大30°。步行桥为方管格构式桁架结构。格构式桁架由两侧空间桁架通过两桁架下弦间拉接杆件连接构成。

步行桥在梅岭公园、龙王港两岸及银杏公园4处桥墩处,桁架下部通过支撑体系作为下部承重结构。钢桁架弦杆中心线为空间样条曲线,上弦杆、下弦杆及腹杆截面均为箱形截面。支座处向上伸展部位及跨越龙王港下拱的桁架上、下弦杆均为B□300×16箱形杆件、跨越龙王港位于支座侧上拱桁架上弦杆为B□300×16,B□300×25,B□300×30,B□300×36等;其余桁架上,下弦杆均为B□300×8;两侧桁架下弦间的拉接杆件为□200×8,□200×10;桁架支撑腹杆为B□250×8,□200×8,B□250×16,B□250×18,B□250×20;桥体扭曲交接处为B□1 000×600×30,B□1 000×30,B□820×300×12。钢柱为拼焊箱体,截面为B□300×16,B□200×16。

钢桥为大跨度桁架结构,形式多样;3条步行道相互交错,钢结构三向扭曲,横跨公路及河道。周边为景观、绿化等。按常规桥梁施工,在河道中打桩设置支承体系以辅助安装。而龙王港河为景观河道,打桩船舶无法进入,且河道内不允许打桩施工。采取的应对措施为:书面向总承包业主申报,要求施工路段在施工期间封闭。采用大型起重机(350t履带式起重机)站位于河道两侧进行钢结构吊装。通过计算机模拟工况,合理分段,规划布置起重机行走路线与起重机站位。分段在地面胎架拼装,交底验收合格后采用大型履带式起重机吊装,以减少高空散装和高空焊接作业。

钢桥桁架截面达3m×6m,无法在工厂组装成分段后运输至现场安装,只能在现场散件拼装。因此,现场拼装场地的需求及吊装机械投入均较大。采取的应对措施为:根据业主进度计划,合理布置拼装场地;现场设置6处拼装胎架同时拼装;设置12台汽车式起重机用于拼装作业;设置1台汽车式起重机、2台平板车用于现场卸车及倒运材料。

曲线形桁架的安装测量、校正和定位不同于其他结构,选择测量控制点较困难。采取的应对措施为:选择合理、可靠的高精度测量技术,包括基准控制网的设置、测量仪器的选用、测点布置、数据传递和多系统校核等,确保钢结构安装施工质量。

在施工荷载、风荷载等作用下,结构在施工阶段的稳定性亦是关键问题之一。采取应对措施为:确定合理的吊装顺序和设置有效的支撑系统。

钢结构安装高度约18m,施工人员高空作业的安全防护是钢结构施工的重中之重。采取的应对措施为:设计合理的安全操作系统,包括垂直登高、水平通道、作业平台和防坠隔离措施等。除安全可靠外,须兼顾周转方便,校正、焊接等设备的放置,高空作业中改善人员心理状态视觉屏障的设立及防风防雨措施等。

对于在结构自重荷载、温度荷载、风荷载作用下的结构变形和安全问题,采取的应对措施为:对各施工过程进行结构验算和分析,用以指导和控制施工。为确保结构在施工阶段全面受控,建立贯穿施工全过程的施工控制系统,以信息化施工为主要控制手段,并根据结构验算和分析结果,对结构温度、应力和变形的特征点进行施工监测,且施工监测与结构的健康监测相结合。

钢结构构件材质大量采用了低合金高强度钢Q345B,如何确保现场焊接质量亦是钢结构现场施工的重点。采取的应对措施为:对材质进行充分的焊接性分析和焊接工艺评定,选择合理的焊接手段、工艺参数和焊接工艺;确定合理的焊接顺序以控制结构变形。

钢桥整体建模后,根据安装方案并结合临时支撑的位置及起重机械额定起重能力,对钢桥主体桁架钢结构进行初步分段划分。根据初步划分分段的重心位置计算分析起重机吊装半径,并随时调整至满足吊装要求,确定最终吊装分段位置。

根据计算机模拟吊装仿真计算,钢桥吊装共划分为24个吊装分段。如图2所示。

现场拼装场地主要是利用周边公路。为保证构件组装精度,防止构件在组装过程中由于胎架的不均匀沉降导致拼装误差及为保护公路路面不受损坏,在公路路面上铺设路基板。为便于现场吊装,现场分段拼装均采取立拼。根据分段吊装的先后次序来确定分段的最佳拼装位置。

起重机站位均在钢桥西侧,避免分段拼装位置错误致使部分钢桥分段吊装完成后起重机无法抓吊钢桥东侧的拼装分段,在拼装前详细绘制拼装胎架布置(见图3),向施工人员进行详细技术交底。

胎架设置时应先根据分段坐标转化后的x,y方向投影点铺设钢路基箱板,相互连接形成刚性平台。平台铺设后,进行x,y方向的投影线、放标高线、检验线及支点位置的放线工作,形成控制网,并提交交底验收,竖立胎架直杆,根据支点处的标高设置胎架模板及斜撑。胎架设置应与相应的屋盖设计、分段质量及高度进行全方位优化选择,另外胎架高度最低处应能满足全位置焊接所需高度,胎架搭设后不得有明显晃动状,并经验收合格后方可使用。为防止刚性平台沉降引起胎架变形,胎架旁应建立胎架沉降观察点。施工过程中结构质量全部负荷于路基板时,观察标高有无变化,如有变化应及时调整,待沉降稳定后方可焊接。

拼装前,对拼装胎架的总长度、宽度和高度等进行全方位测量校正,并对杆件搁置位置建立控制网格及对各点的空间位置进行测量放线,设置好杆件放置的限位块。复核、交底验收合格后进行分段拼装。拼装流程为:下弦杆定位→下弦杆间联系杆安装→直腹杆、斜腹杆定位→上弦杆安装→交底验收→焊接→交底验收→等待吊装。

步行桥从梅岭公园至银杏公园跨越支路九、龙王港河、梅溪湖路。本桥为3跨连续钢桁架桥,安装需跨公路和河道。按常规桥梁施工,在河道中打桩设置支承体系辅助安装。因龙王港河为景观河道,打桩船舶无法进入,且河道内不允许打桩施工。

根据现场环境条件结合钢桥结构进行综合研究,钢桥安装采用350t履带式起重机以分段形式进行吊装。履带式起重机主要站位于龙王港河道南北两岸。钢结构施工主要按龙王港北岸为界分为2个施工分区。先施工A区,A区吊装完成后,履带式起重机转场至B区吊装。钢结构施工分区及施工次序如图4所示。

钢桥安装为分段吊装,达到受力状态前,需临时布置辅助支撑。根据钢桥结构特点及安装方案,临时支撑共设置14榀1.5m×1.5m格构式支撑(见图5)。

步行桥主体钢结构安装前,钢桥支座承台预埋件安装及承台混凝土浇筑均要完成。临时支撑根据施工状态相应竖立。

安装A区梅岭公园侧承台1,2及龙王港河北岸承台3等部位的钢柱及柱间钢梁等钢结构,使之形成局部整体结构。竖立临时支撑,350t履带式起重机采用塔式工况(主臂30m+塔臂42m)依次安装下侧部分分段A-1,A-2,A-3,A-4;再依次吊装分段A-5,A-7;最后安装分段A-6。25t汽车式起重机辅助安装局部嵌补杆件。分段安装过程中,局部完整结构体系完成后,按“分散、对称”的焊接工艺进行焊接。A区钢结构主体安装完成后,350t履带式起重机拆卸转场至龙王港河南侧的施工B区,并重新组装。A区钢结构吊装分段如图6a所示。

安装B区龙王港河北岸承台4及梅溪湖路银杏公园侧承台5等部位的钢柱及柱间钢梁等钢结构,使之形成局部整体结构。竖立临时支撑,350t履带式起重机采用塔式带超起工况(主臂36m+塔臂36m)安装横跨梅溪湖路部分钢桥分段。安装次序为:B-1a,B-2,B-3及B-4a,B-6,B-8,B-7a分段;并按“分散、对称”的焊接工艺进行焊接。随后依次安装分段B-5,B-10,B-9并焊接;最后依次安装分段B-11,B-12a。25t汽车式起重机辅助安装局部嵌补杆件。B区钢结构吊装分段如图6b所示。

步行桥为空间桁架结构体系,在大跨度结构施工分析中,运用有限元法计算程序中将“死”单元(不参与整体结构分析的构件)逐次激活的技术,对钢结构整个施工过程进行分析,模拟整个施工过程中刚度和强度的变化情况。整个施工过程模拟分析分为12个安装步骤和2个卸载步骤,分别计算出每个步骤下的结构变形、应力变化等情况,找出施工和卸载过程中潜在的不利部位,在实际施工中预先做好针对性防范措施。由模拟结果可知,该施工次序合理可行,所有施工步骤的结构变形、应力及支撑反力均满足设计要求,处于可控范围内。

梅溪湖梅岭公园跨龙王港河中国结步行桥,造型独特,横跨公路及河道。周边为景观、绿化等。龙王港河为景观河道,打桩船舶无法进入且河道内不允许打桩施工。针对现场诸多不利环境条件的制约,运用计算机仿真技术进行模拟分析后,通过合理划分吊装分段,规划布置起重机行走路线与起重机站位,采用“现场分段拼装+高空原位吊装”的方案,解决了工厂制作运输难、现场环境影响安装难的问题。梅溪湖梅岭公园跨龙王港河中国结步行桥成功安装方案是一种全新安装思路,为类似钢桥的安装提供了借鉴。