世界上最长的弧形单侧悬索人行桥-和美桥

Word文档世界上最长的弧形单侧悬索人行桥——和美桥通过一条长达23公里的山海健康步道，让厦门的居民和游客不需远行就可以近距离接触大自然，这是城市与设计师供应给大众的便利。"山海健康步道'大部分属于高架的步道，为家庭出游以及不受干扰地跑步和徒步供应了绝佳的机会，是厦门新增的一项特殊的基础设施。厦门的人口密度（15000人/平方公里）比香港（7150人/平方公里）和新加坡（7800人/平方公里）还要大，需要建设一些特殊的公共交通方式。如厦门快速公交系统（BRT）便是其中一种，它是公交车专用的70公里长的桥梁线路网络，2021年投入使用时，是中国首个此类型的公共交通方式。2021年，厦门又新增了另一项引人注目且屡获殊荣的基础设施，也就是厦门空中自行车道，这条8公里长的高架人行和自行车道掩盖了厦门市的五个主要居民区和三个商业中心，其大部分路段沿着BRT系统或在BRT系统下方运行，与山海健康步道一样，该空中自行车道均由丹麦建筑师事务所Dissing+Weilling设计。

整体来说，山海健康步道是一条高架的步道，但在地理和建筑环境允许的状况下，步道考虑降低至地面，更为贴近自然。步道结构的构件截面在设计上会依据四周环境而有所不同，在市区段采纳封合的空心箱型截面，而在自然环境中则可以采纳开放式的横截面，允许雨水等直接从桥面进入自然，行人也可以透过桥面空隙看到桥下自然景致；在步道有连续支座的状况下采纳这两种截面都可能实现20m的跨度。但在某些位置，如要跨越下方的街道、交叉路口或20米跨度的自然地形是不行能的，必需采纳更大跨度的桥梁才能实现。山海健康步道上的设计采纳的桥梁与步道本身重复和简洁的外观截然不同，从建筑和工程的角度来看，这些桥梁通过使用一系列不同的结构体系，将桥梁从重复和简洁的步道中跳动出来。这些桥梁包括：

1号桥：30m高的圆柱状景观塔，悬挑的步道沿桥塔螺旋状回旋而上；

2号桥：V型塔单侧悬挂曲线型悬索桥，主跨220m；

3号桥：单侧悬挂曲线型提篮式拱桥，主跨90m；

4号桥：双跨梁桥，主跨40m；

5号桥：单塔悬索桥，主跨70m；

6号桥：下承式悬索桥，主跨85m；

7号桥：下承式桁架桥，主跨90m

竞赛阶段之后，sbp施莱希公司对2号、3号和6号桥梁进行了可行性讨论以支持Dissing+Weilling建筑师事务所的工作。由于工程进展快速，业主打算托付三家结构工程单位加入大跨度桥梁的设计，sbp施莱希公司负责设计2号和3号桥梁。其中2号桥梁名为"和美桥'，它是世界上最长的弧形单侧悬索人行桥，也是山海健康步道沿线桥梁中结构方案最大胆的一座，sbp施莱希公司与厦门市的结构工程单位-厦门市市政工程设计院有限公司合作完成了该项目。和美桥已顺当竣工，它作为健康步道的一部分已经向公众开放。本文将深化介绍这座标志性桥梁的设计和施工过程。

竞赛阶段提出的桥梁方案与最终实施方案之间最大的不同是桥塔的外形。在早期设计阶段，桥梁采纳了单独一根70米高的桥塔。这种设计在结构上是最直接的解决方案，但这个具有独桥塔在视觉上呈现较为锋利的视觉冲击，在高度上和风水方面都引起了各方的关切和担忧，所以需要进行调整。调整后的设计采纳52米高的V形桥塔的方案，从而被业主选为最终实施方案。

用V形桥塔代替单桥塔对桥梁的外观有很大的影响，而对力的传递和结构效率的影响很小。对桥梁结构效率影响最大的是桥塔顶标高，由于该参数打算了主缆中力的大小。索力减小意味着索的直径也会减小，相应地，较小的索力就意味着降低成本，以及削减主缆锚固支座结构的体量。在这方面需要理解的最重要的关系是，桥塔的高度与桥面到塔顶之间的水平距离是相关的，塔顶越高，塔顶与桥面之间的水平距离就越大。为了更好地理解这种相关性，有必要理解桥梁的整体受力分析。

作用于桥梁的力很大一部分来自桥面的恒荷载和超静载（下图中的FG）。常规悬索桥有竖向悬索，但弧形桥面的悬索桥不能这样做，由于主缆必需沿着桥面的弧度，假如只有（来自竖向悬索的）竖向力作用在桥面上，则不能实现这种弧度，因此，对于桥面具有明显弧度的悬索桥，悬索只能倾斜布置。

由于悬索偏心和倾斜布置，恒荷载FG会产生倾覆弯矩（MDeck）和水平力（FDeck），且二者都只能通过桥面传递到桥台支座上。在直线型桥面上，该倾覆弯矩会产生一个扭矩且扭矩会沿着桥台方向而增大。弧形桥面则与其不同，倾覆弯矩分解为一对力偶（FTOP和FBOTTOM）作用其上。

假如将力偶作用力示意在桥梁的平面视图上，那么该作用力是如何传递到桥台就能表达得很清晰了。取力偶作用于悬索轴上的平面示意图，结构体系的工作原理类似于压力罐，上部水平向力（FTOP）在桥面上翼缘产生恒定的压力，下部的力（FBOTTOM）在桥面下翼缘产生恒定的拉力。基于这一理解，采纳封闭的空心箱型截面在结构上并不是必需的，同样可以采纳开口式的截面具备受力清楚的上部受压环与下部受拉环的结构体系。位于美国Greenville市的自由桥是sbp的一个采纳该设计思路的实施项目案例，它是一座弧形桥面同时采纳开口截面的悬索桥。

在厦门的和美桥项目上，我们采纳了封闭式的箱形截面，这在多方面是有益的。首先，它遵循了山海健康步道沿线桥梁系列中的桥形设定以及建筑师的设计意图，即当步道是城市景观的一部分时，采纳封闭的截面，当远离城市景观而处在自然环境中时则采纳开口式截面；其次，封闭式截面显著改善了桥梁的动力性能，并进一步减小了桥梁在非对称荷载作用下的变形。

如前文所述，依据桥梁几何和结构受力原理，弧形桥面的悬索桥其悬索应当倾斜布置，倾斜度取决于塔顶和主缆锚固点的位置，后者的位置通常状况下已经确定，主要对于结构性能会产生影响。对于塔顶的位置，应通过优化设计过程来确定。在合理的范围内，较高的塔顶能够减小主缆中的力，由于较高的塔顶会增加抛物线形的主缆在立面上的垂度。但是，假如塔顶与桥面在平面上的距离不变，则不应转变桥塔的高度，由于主缆中的力是两抛物线组合作用的结果。悬索中竖向力和水平力重量通过竖向和水平向抛物线传递，且两向分力通过同一根索传递，主缆的外形是竖向和水平向抛物线叠加的三维几何。同时优化两条抛物线将确定平面中塔顶和桥面之间的最佳距离，该距离也是确定桥塔高度的其中一个函数。通过这种优化过程确定塔顶位置，就可以确定桥塔高度下主缆中所产生的最小索力。

总体上讲，将单塔改为双桥塔对桥梁结构的受力和效率影响不大。但是，只有当悬索在平面中保持径向排列，并且部分悬索与两个塔顶之间的索相互贯穿连接时，这种结论才成立。基于该原理而设计出的桥梁的最终外观在美学上并不如人意，我们调整了悬索的排布，使悬索并不与两个塔顶之间的连接索相连。在最终的设计方案中，悬索更能强调桥塔的V形外形，使桥梁整体外观在视觉上是协调的，也是让人愉悦的。

设计完成后，项目最具挑战性的部分开头了：建筑它。究竟，它是中国同类型桥梁结构中第一座如此大跨度的桥梁，也是目前世界上最长的弧形单侧悬索人行桥。

对桥梁开展了充分的风洞试验，从而确保其能够抵挡风速高达300km/h的台风。为了改善桥梁在恶劣风荷载作用下的性能，我们对桥梁的横截面进行了修改，沿桥梁外侧增设了一道600mm长的折流板，起到了分风的作用并能大大改善桥梁的空气动力性能。通过折流板将作用于桥梁横断面的水平力进行分流，减弱风直接于下翼缘的作用力，使风荷载作用面更为对称，从而进一步减小了风荷载作用。由于这一变化使横截面的重心进一步远离悬索节点，因此必需细心设计这种调整，以平衡空气动力优势和由此产生的结构劣势。虽然这两种措施都改善了桥梁的空气动力性能，但由此产生的风荷载仍旧很高。桥塔上的基本风压高达8.20kN/m，桥面上的风吸力高达1.75kN/m。

由于以前从未设计实现类似的桥梁，当地政府部门和其他一些有关方必需确保这样一座桥梁是可建筑的和平安的。

也由于之前从未建筑过类似的桥梁，负责计算和施工挨次监督的相关方以及施工方对拟定的施工挨次是否可行产生了很多疑问，经过多次的会议沟通和各单位的共同努力，这些问题都逐一得到了解决。

毫无疑问，施加预应力是桥