新加坡螺旋桥客流量分析

项目概述
这座3.5公里长的螺旋人行天桥，以其优美的曲线和四个悬臂式观景舱，成为新加坡滨海湾开发区的一大亮点。其设计灵感源自DNA的双螺旋结构，极具创新性，开创了桥梁结构的全新分类。

单螺旋结构在受力时会解开，而双螺旋结构则可以通过反向延伸并通过一系列支撑杆和拉杆相互连接，形成一座桥梁——这让人联想到DNA的双螺旋结构及其基础化学桥。支撑杆将两个螺旋连接在一起，同时保持螺旋之间的恒定距离。这赋予了桥梁结构强度和刚度，使其成为一座理想的桥梁结构。

从一开始，项目概要就提出了几项设计挑战：桥梁需要采用曲线设计，以便与两侧的滨海步道无缝连接；桥梁需要轻量化，以便与相邻的6车道汽车桥形成视觉对比；它必须能够遮荫，抵御阳光直射和暴雨。这些因素，加上打造地标性建筑的愿望，促使澳大利亚考克斯集团和新加坡 Architects 61 建筑事务所设计出新颖独特的建筑，并向奥雅纳的结构工程师们展示了一个引人入胜的项目。

项目中应用的软件




This case study was published in Volume 95 of the Structural Engineer, you can read the article online.


Structural Engineer Magazine 2017
Oasys 如何证明其价值
振动分析
低阻尼结构（例如人行天桥）的共振对人流量极其敏感。设计阶段的主要担忧之一是横向同步振动 (LSV) 的风险——这种现象是伦敦千禧桥在通车当天感受到的过度振动的罪魁祸首。当 LSV 发生时，行人在桥上行走时，在试图保持横向平衡时，步伐会逐渐同步。这会导致桥面振动累积，并产生振动水平随时间增加的现象。奥雅纳公司 (Arup) 就此问题进行了大量研究，并建议横向模态的基频至少为 1.5Hz。

这座桥上还设有一系列卵形悬臂式观景“舱”，每个可容纳约 100 人，这些舱体向港湾一侧延伸，为水上活动和烟花表演营造出“环边”观景体验。因此，人流量和振动分析必须考虑桥梁拥挤不堪、所有观景舱都悬挂一侧的重载情况。其他项目具体考虑因素包括数千名马拉松运动员快速连续过桥、新加坡步行活动，以及桥梁被划分为跑步和步行道。

桥梁的动态特性经过计算机模拟，并通过现场物理试验进行验证，以确保动态特性和产生的响应符合已公布的可接受标准。

桩周围的土壤主要为极软的海洋黏土，因此桩与桥梁结构一起采用 Strand 7 有限元分析进行建模，以考虑土-结构相互作用的影响。
模态测试
模态测试确定了桥梁的动态特性，并计算了临界阻尼比。这些测试还研究了小群人跳跃时产生的振动水平——例如，在桥上举行庆祝活动的欢腾人群的行为。两个机械振动台利用统计上不相关的随机信号，在桥跨和悬臂吊舱区域的不同位置产生振动。

人流量分析
人流量分析使用 Oasys GSA 软件进行。GSA 人流量分析假设采用单人（体重 76 公斤）激励方法。单人激励方法比较了单人以最临界人流量行走时引起的预测振动水平。许多规范明确将此作为其规范检查的基础，并且在过去 50 年中，这种方法通常能够确保外部人行天桥具有足够的垂直动态性能。基于最关键脚步频率下的单人激励计算结果令人满意，因为多人以完全相同的速度、脚步频率和相位行走的概率极低。

用于衡量人体舒适度的步行振动通常使用响应因子（R 因子）来衡量，即产生的振动加速度与几乎无法察觉的振动阈值之间的比率。例如，如果响应因子为 2，则振动是几乎无法察觉的振动水平的两倍。由于人类感知对特定频率范围更为敏感，因此通常还会对加速度应用加权因子（来自 BS 68414）。

GSA 分析输出结果以 R 因子的形式表示。
动态响应

数值研究确定了桥梁的动态性能，重点关注单人行走时的竖向响应。上方图片滑块（原编号为6）显示了GSA在桥面任意一点处单人行走引起的竖向振动响应因子的等值线图。

预计人行天桥主桥面的最大响应为R = 29。该响应仅预测在较小引桥跨度的中心。预计人行天桥主桥面的响应较低，不会超过R = 10。

在观景台上，人们不可能走超过20步；因此，只能达到最大稳态响应的一部分。上方图片滑块（原编号为7）显示了GSA预测的吊舱响应。观景台侧边的最大预期响应为R = 32。

桥梁的实测振动水平与预测值相似，但引桥的表现优于预测值。

这项关于行人交通振动的“真实”研究，邀请了约280名来自陆路交通管理局的志愿者，他们按顺序进行步行、跑步、慢跑和跳跃等运动。

总体而言，测量结果与桥梁的预测响应高度吻合。此外，测量结果还表明，根据最新的国际规范，测得的动态响应水平是可以接受的。新加坡螺旋桥已成为滨海湾一道备受赞誉、使用频繁且令人赏心悦目的景观。

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