库里尔帕桥——世界首座张拉整体桥
项目概述
澳大利亚昆士兰州政府为州首府布里斯班的一座新桥制定了一份设计概要和极具挑战性的“不得超支”预算，旨在“连接南岸区的昆士兰现代美术馆 (GoMA) 和中央商务区的坦克街”。目标是打造一座地标性的人行及自行车桥——“建筑风格引人注目”，并与其优越的地理位置相得益彰。

项目中应用的软件

承包商Baulderstone、工程师Arup和建筑师Cox Rayner组成的创意团队，共同打造了430米长的张拉整体结构库里尔帕桥（原住民语意为“水鼠栖息之地”），大胆融合了艺术与科学，以引人注目的桅杆、缆索和飞扬的钢桁梁阵列，赢得了设计竞赛。评委会的最终决定基于以下因素：雕塑般的质感、与纽约现代艺术博物馆（GoMA）的美学“契合度”、“视觉上的轻盈”、“结构效率”以及设计的创新性。

几十年来，“张拉整体”（该术语由巴克敏斯特·富勒创造）在大型结构中的运用一直是世界各地建筑师和工程师们梦寐以求的理念，而库里尔帕桥的成功竣工则代表着一项真正的世界首创。
主要数据
桥面长430米，扶手间净宽6.5米
混凝土500立方米，钢材500吨
近7公里高强度钢缆
项目概述
概念设计
团队考虑了各种可能的形式和材料，以符合场地、净空和无障碍通道的严格几何限制。最终确定的最大桥面高度和最小桥底高度有效地将结构深度限制在1米以内。

确定的潜在解决方案包括斜拉桥、拱桥、悬索桥、管状结构以及张拉整体桅杆索结构。由于靠近纽约古根海姆博物馆（GoMA），且地面条件恶劣，不适合采用拱桥和悬索桥，斜拉桥所需的大型桅杆在视觉上过于突出。管状结构方案很有前景，因为它避免了这些问题，并且可以整合连续遮阳篷的要求，但在水深湍急的河流上建造可能存在困难。

受巴克敏斯特·富勒和雕塑家肯尼斯·斯内尔森作品的启发，奥雅纳构思的张拉整体解决方案满足了对视觉上轻盈、浅薄且易于建造的形式的需求，它既能与纽约古根海姆博物馆相得益彰，又兼具创新性、奇特性、随意性，并且与常规方案截然不同。
上部结构形式与细节
库里尔帕桥总体由三个主要部分组成：120米长的库里尔帕点引桥、张拉整体桥本身（三个跨度分别为58米、128米和45米）以及82米长的坦克街引桥。引桥与中央张拉整体桥之间通过伸缩缝和支座隔开，使三个主要部分能够分别伸缩。

张拉整体桥由钢混组合桥面结构、一系列钢桅杆和缆索以及集成排列的钢系杆、飞杆（桁杆）和钢框架张拉整体雨棚组成。

整体结构近似平衡，无需设置大型桥台，并可采用平衡悬臂法施工。这使得外端设置了非常巧妙的系紧点，以平衡中央跨度以及紧凑纤细的支撑。

预制桥面板采用现场混凝土缝接连接，并由轧制工字钢截面支撑，并与工字钢截面共同作用。边梁与桥面板分离，采用预制钢箱型截面。其外表面设有弧形钢板整流罩，以确保在所有运营风速和极限设计风速下均具有气动稳定性。

主跨两侧的主支撑墩上分别悬挂着一对斜置的管状钢主桅杆，它们共同决定了一组大致共面的次级桅杆的位置。主桅杆和次级桅杆在纵向和横向上均偏离垂线，从而既能防止缆索/桅杆或缆索/缆索之间的碰撞，又能提供标志性的“随机性”，同时又不会显著降低结构效率。连接到飞杆的次级缆索本身是纯张拉整体单元（仅由缆索支撑），为桅杆提供侧向约束。
悬停在甲板上方和侧面的张拉整体式飞杆和缆索阵列发挥着三个关键作用：

  • 它悬挂着顶篷，使其能够在没有明显支撑的情况下漂浮在甲板上方。
  • 它横向约束所有桅杆的顶部，防止它们在甲板悬挂产生的荷载以及横向力和地震力的作用下侧向弯曲。

  • 它与所有桅杆和缆索协同作用，抵抗甲板上的局部荷载（例如人群）、风和地震引起的扭曲和横向力。

各种张拉整体桥梁构件如下：

桅杆：预制管状钢结构，长度可达30米，截面直径为610-905毫米
主桅缆：高强度螺旋缠绕镀锌钢丝绳，直径为30-80毫米
桅杆：圆形空心截面，长度可达23米，截面直径为457-508毫米
桅杆缆：高强度螺旋缠绕不锈钢缆，直径为19-32毫米
Oasys 如何证明其价值
对于横跨主要河流和道路走廊的桥梁来说，一个关键因素是结构需要在架设的各个阶段都能够支撑自身，而无需临时支架。奥雅纳团队与承包商紧密合作，将桥梁设计为从两个主要河流桥墩分别悬臂伸出，有效地利用了永久性结构进行自身建造。

上部结构的架设必须以极高的精度进行规划，以确保当数千个预制构件用螺栓连接在一起时，桥梁能够呈现出理论上正确的几何形状。众所周知，缆索的挠度很难准确预测，尤其是在缆索张力较小的情况下——低张力缆索的有效伸长量较大，而高应力缆索的有效伸长量较小。非线性轴向刚度可以通过想象来理解：拉动下垂的绳索很容易移动其末端，而拉动绷紧的绳索几乎不会产生任何移动。

在架设大型复杂结构时，可以采取两种基本方法来确保最终项目具有正确的几何形状。第一种是在施工过程中持续监测结构位置，并随时进行调整。第二种是精确预制所有组件，然后通过情景规划和精密分析，确保无需调整即可将组件连接在一起，最终获得可接受的几何形状。对于库里尔帕桥而言，由于结构的复杂性和时间限制，最终选择了第二种方案，承包商不得不依赖设计师预测的准确性。奥雅纳使用专门编写的软件实现了这一目标，该软件通过 COM 接口连接到 GSA，从而可以运行和检查数千个施工阶段分析。

正如 GSA 分析所预测的那样，桥梁的两半在跨中点精确交汇，证明了模型的准确性。
补充信息

库里尔帕桥施工顺序的初步分析已使用 GSA 的分期模块完成。这使得设计团队能够轻松修改和调整最终结构的模型参数，而无需手动更新施工模型。该模块允许团队叠加各个阶段的结果，从而清晰地显示结构的应力发展和挠度。

在项目后期，当需要更精确的分析且最终结构最终确定时，奥雅纳开始为每个施工阶段使用单独的 GSA 分析模型。分析模型从最终模型中解构出来，并使用 GSA 的动态松弛求解器进行非线性分析。这使得团队能够利用桥梁构件的施工长度公差进行广泛的失拟分析，并确定施工期间桥梁位置的包络线。这有助于实时监控施工进度，并在不确定的结构中产生不可接受的应力之前发现潜在问题。

失拟分析使用 GSA COM 接口生成，该接口允许通过 Microsoft Excel 接口修改 GSA 模型。恒载分析确定了关键的压缩和拉伸单元，这使我们能够在施工分析模型中创建正负失拟荷载工况。失拟分析对施工过程中构件荷载分布的影响通过荷载组合进行检验，即从失拟结果中减去理想结构结果。Arup 评估了应力分布的变化，并确定了施工期间桥梁位置的合理范围。

施工阶段的构件检查由 Microsoft Excel 电子表格驱动，该电子表格使用宏直接输出每个 GSA 模型的构件力和弯矩结果。这允许自动计算构件利用率并识别施工过程中的关键阶段。

使用由 Excel 表格驱动的 GSA Com 接口完成了对完整结构的失拟研究。
结构动力学
这座桥相对较轻，但主跨相对较长，并且桅杆和缆索排列复杂。所有这些，加上其独特的设计，意味着它可能受到异常的动力学或空气动力学效应的影响，这些效应是史无前例的，也没有“经验法则”可循。因此，需要进行大量的风洞、动力学和疲劳分析，以全面调查和解决所有潜在的动力学现象。
动态特性

进行了线性模态分析，有限元模型包含混凝土桥面、桥墩、桥台以及小振幅位移基础刚度的详细建模。由于几何形状的原因，支撑结构中的多条缆索应力相对较低，并仔细考虑了缆索的有效刚度，以考虑缆索垂度。

由于桥面上方结构自重（桅杆、缆索、桁杆和顶篷）的比例较大，动态行为较为复杂。这导致了许多横向扭转模态，并且桅杆和桥面运动之间存在显著的耦合。

横向模态对支撑主桅杆的桥墩的横向刚度较为敏感，因此进行了敏感性研究以确定横向刚度的界限，其中考虑了土壤刚度的变化以及基础周围未来可能出现的冲刷。桥梁结构竣工后，利用环境振动进行了模态识别试验，以确定关键模态的频率，结果发现与GSA分析结果具有良好的相关性。
桥面气动弹性稳定性

气动弹性涵盖了钝体气动动力学中的一系列效应，即结构运动与引起运动的流体流动相互作用。例如，在设计大跨度桥面时需要考虑经典的颤振、驰振和涡旋脱落等。库里尔帕桥的桥面非常浅，并且具有间距紧密的低频竖向和扭转模态。这导致人们担心，当风速低于最终设计风速时，桥面可能会出现气动不稳定，因此对这方面的设计进行了研究。虽然这对于大型大跨度公路桥来说是正常的，但对于短跨度桥梁来说通常并非必需。

专门委托了风洞研究来考察拟建截面的气动弹性稳定性，同时进行了分段风洞试验，试验采用了弹簧支撑的桥梁模型，该模型的质量和刚度经过调整，以代表GSA分析得出的临界振动模态。这些测试促成了圆鼻整流罩的采用，它既具有可接受的气动性能，又提升了美观度。

桅杆和翼梁的涡旋脱落激励

当流体流动时，涡旋会从钝体两侧交替脱落，从而产生振荡力。如果结构的固有频率接近该力的频率，则可能发生共振；如果不加以控制，涡旋脱落会导致明显的响应和/或疲劳问题。根据当地风速、固有频率和元件直径，激励可能在不同时间发生在不同的元件上。
敏感性评估

库里尔帕大桥桅杆在涡旋脱落下的气动弹性稳定性进行了评估。桅杆部分固定在底座上，其连接处的几何形状可能对疲劳损伤敏感。

维克里-巴苏法（Vickery-Basu method）已被纳入多项规范和标准（最明确的是新版欧洲规范1），用于评估涡旋脱落响应。该方法将预测的“负气动阻尼”与结构的固有结构阻尼进行比较；当后者超过前者时，该构件被认为是稳定的。由于桅杆大多采用焊接连接（螺栓连接处处于压缩状态），固有阻尼较低，可能开始接近材料阻尼水平，仅为临界阻尼的0.10-0.15%。

涡旋脱落敏感性计算基于0.24%临界结构阻尼（符合欧洲规范1），此外还考虑了由结构其余部分运动引起的任何正气动阻尼，但考虑到较低阻尼水平的可能性，提出了一个2的失稳安全系数。

模态特性取自桥梁GSA模型，并考虑了250种结构模态——涵盖了所有可能受到涡旋脱落激励影响的模态。主桅杆稳定，但次桅杆可能不稳定。

设计方案

已采取措施降低次桅杆过度涡旋脱落响应的风险以及潜在的结构损坏。螺旋列板、增加桅杆附加质量或增加阻尼均被认为是控制涡旋脱落响应的方法。附加阻尼是首选方案，因为它对美观度和拟建结构的影响最小。

由于桅杆倾斜，无法使用悬挂链式阻尼器，因此使用了外部环形冲击阻尼器。TMD 也曾考虑过，但由于难以根据每个桅杆频率进行调整，因此并不实用。环形阻尼器是与建筑师密切协商后设计的，旨在最大程度地减少对美观和照明的影响，并便于日后维护或更换。每个阻尼器都有一个钢环，重 100 至 250 公斤（取决于桅杆尺寸和频率），由桅杆一半以上的三根钢缆支撑，并可相对于桅杆移动。桅杆和环之间的撞击会耗散涡旋脱落激励赋予桅杆的能量，而粘弹性垫则可以吸收能量、降低噪音，从而减轻冲击。
行人引起的振动
根据现行国际最佳实践，并满足 AS5100.2 2004 标准的要求，桥梁在动态行人荷载作用下的竖向和横向响应在 GSA 进行了校核。为确保桥梁的正常使用性能，设计考虑了以下场景：

  • 单人行走，步频为 1.0-2.6Hz
  • 连续人流和密集步行人群（每平方米最多 1.7 人）
  • 最多 10 人的小型慢跑群体。              

除人群负载造成的潜在同步横向激励 (SLE) 外，预计桥梁的响应是可以接受的。
同步横向激励的背景

同步横向激励是指行人可能“锁定”于桥面横向摆动，从而导致显著横向运动的现象。同步横向激励往往发生在低频横向模态的桥梁上，这些模态与行走产生的横向力频率直接一致。

实验测量了行人横向力输入，发现其随桥面速度线性增加，从而有效地在运动方程中引入了一个负阻尼项。因此，如果在每个振动周期中人群输入的能量超过结构中阻尼可以消散的能量，桥梁就会变得横向不稳定。当走过的人群达到临界数量时，就会发生这种情况。

目前仍在研究“锁定”的确切机制和行人横向荷载建模，但伦敦千禧桥修复工程后提出的设计方法已被证明在评估桥梁对同步横向激励的敏感性和设计缓解方案方面是有效的。
易感性评估

由于库里尔帕桥是一座重要的城市人行天桥，在公共活动期间可能会遭遇密集人群，因此设计人流密度选定为1.7人/平方米（5000名以上行人）（超过此密度，行走将变得困难）。

对库里尔帕桥所有频率低于1.5赫兹的横向模态进行SLE敏感性测试，并计算每种情况下会导致桥梁横向不稳定的临界人流密度。如果预测密度大于1.7人/平方米，则不会发生SLE；如果密度高于1.7人/平方米，则认为可能发生SLE。

随后，研究人员研究了补救措施，要么将模态强度提高到可关注范围之外，要么将临界人流密度提高到1.7人/平方米以上。计算假设结构阻尼水平为0.7%的临界值。由于支撑结构的性质，这高于钢框架桥梁通常假设的 0.5% 临界阻尼，但在对已完成的结构进行测量后得到了证实。
设计方案

为了降低对SLE的影响，我们考虑了增加江桥墩横向刚度和横向模态结构阻尼的方法。横向调谐质量阻尼器 (TMD) 被选为最经济且视觉冲击最小的解决方案。在主跨中心桥面下方设计了三个3.2吨的横向TMD，当根据测量的横向模态频率进行调整时，能够在设计过程中预测的桥墩横向刚度范围内为所有模态提供足够的附加阻尼。设计中考虑到，TMD对模态质量较高的模态增加的阻尼较小，但由于需要更多人员来引起不稳定，因此在这些模态中所需的阻尼也较小。

结论
库里尔帕桥是一个地标性项目，其建筑风格引人注目，同时又与其显著的地理位置相得益彰。这座桥不仅满足了业主的要求，不影响伦敦艺术博物馆（GoMA）的形象，本身也被认为是一件精美的城市雕塑作品。

这座桥按时、按预算建成通车，并首次在大型桥梁中采用张拉整体结构，开创了先河。重要的是，该设计没有遮挡河景，反而增强了河景的美感、可达性和连接性。行人和骑行者可以享受到充满活力的体验，突出的桥面不仅提供了壮丽的景色，还创造了引人入胜的城市空间。

2011年1月，昆士兰州南部和中部遭受了灾难性的洪灾，布里斯班也遭遇了特大洪灾。河流流域的暴雨和涨潮导致布里斯班河水位超过百年一遇洪水位约1米。洪水对建筑物和基础设施造成了前所未有的破坏，并造成了多人死亡。然而，库里尔帕桥并未被洪水损坏，水位退去后立即重新向公众开放。