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高层建筑中大跨度空中钢桁架连桥的 优化设计 邹晓康 张毅 摘要: 应用先进的优化技术及方法对香港儿童医院项目中两座空中连桥在方案设计阶段、初步设计阶段、 详细设计阶段到施工图阶段进行了方案优化、杆件数目优化、杆件尺寸优化、模板优化以及支撑数目及位 置优化。经过反复的振動分析与比较，取消了原振动設計增加阻尼器的方案，避免了因此所引致的一系列 费用、困难、时间、风险等问题。本项目還采用二次非线性分析，对两座鋼桁架连桥进行了补充计算与分 析，结果表明整体结构是安全的，特别是有较大长细比的重要杆件同樣是安全的。综上所述，优化设计、 振动分析、二次非线性分析等一系列工作、研究与努力，已使这两座连桥呈现出更合理更有效的结构，从 而降低施工难度，加快工程进度。更重要的是，可为日后同类工程设计与施工提供有价值的参考和借鉴。 关键词： 钢桁架； 人行桥； 优化； 橡胶支座；共振；振动响应；加速度；二次非线性分析 1 概述 本工程项目为拟建中的香港第一家儿童专科治疗中心-香港儿童医院，它将成为亚洲最 先进的儿童专科治疗中心之一。如图一所示，该儿童医院位于香港九龙城区启德原南停机坪， 2 2 占地21,684m ，建筑面积约为152,700m ，主要包括两层地库以及两座各楼高十一层的独立 塔楼。如图二、三所示，一座单层步行连桥（以下简称EW1 ）、一座双层步行连桥（以下 简称EW2 ）分别设在第九层、第三层及第二层，这两座桥把两座塔楼连接起来，使人流与 物流有效地流通与传递，以满足医院功能需要，同时也提供了更好的空间感受。 目前钢结构在国内外的工程建设中得到了越来越广泛的应用,尤其是在大跨度、大空间 结构以及超高层结构的设计中更是必然的选择。单层连桥EW1 跨度为63.1 米，高4.7 米， 宽5.3 米；双层连桥EW2 跨度为43.4 米，高9.8 米，宽7.4 米。EW2 桥顶层种植花草，以 体现绿色环保的理念。相对而言，这两座行人连桥属于长跨结构，因此它们的重力荷载效应 将起到最主要的影响。基于设计规范要求，遵循最小化结构杆件尺寸、最小化结构杆件数目 的准则，采用华伦式钢桁架 （Warren Truss ）作为桥的主体，而桥面板采用混凝土板。在两 座高层塔楼之间建立两座钢桥与之相连，特别对于EW2, 两层连桥合二为一，形成一个钢 桁架，这在国内外高層建築中不多见到。 另外，两塔楼之间所有内部的连接设备管线都是通过这两座步行桥连接在一起，而有维 修及清洁通道设置在桥两边。桥两边由玻璃幕墙包围，见图四。在塔楼与钢桥之间设置变形 缝（Movement Joint ），以考虑塔楼与桥的不同水平方向位移的影响以及竖向沉降的影响。 桥顶设有排水系统，及时收集与排除雨水，以减轻对桥面的影响。 该项目采用工程总承包方式，即设计-建造（Design-Build ） 模式，集设计与施工方式 于一体，承担全部的设计和施工任务，以保证工程质量和进度，提高投资效益。按期完工即 时间效益是必须考虑的首要问题。该钢桥在设计与施工过程中，遵循以下原则： 最小结构杆件尺寸与数目； 最小化桥重量，以致减小基础桩的数目； 1 为加速施工进程，部分杆件在现场制造； 钢桁架的施工中，将模板的需要将至最少； 最小化干扰地面层活动； 在工厂制造钢桁架主体，以减少对环境的影响。 本文阐述及总结了这两座桥的优化结构设计，研究了振动响应相关的问题，比较了传统 分析设计与二次非线性分析的结果，翼对日后相关工程提供有价值的参考和借鉴。通过结构 优化，改善了结构受力系统，有效地节约材料，降低施工难度与施工风险，从而加快施工进 程。简而言之，采用先进的优化技术与概念改进设计施工，使之简化，使之快捷，使之有效。 图一 香港儿童医院建筑效果图 图二 两座桥的空间效果图与立面图 图三 两座桥的横截面图 （左为EW1 ，左为EW2 ） 2 结构优化设计 2.1 四个阶段的优化设计 如下图所示，这两座钢桥EW1、EW2 经历了（I ）方案设计时间、（II ）初步设计时间、 （III ）详细设计时间以（IV ）及施工图设计时间。从图九、图十可以看出，在方案阶段到 初步设计时间，设计方案进行了较大的改动，即进行了方案优化；而从初