石林峡观景台位于北京市平谷区石林峡景区, 坐落在景区海拔627m的主峰上。目前项目已完工并开始对外正常营业。项目实景照片如图1所示。

　　 观景台主要由主拱、环形玻璃观景平台、直线玻璃通道以及高强度预应力拉索组成。主拱 (图2, 3) 矢高24m, 宽27.6m, 由于地形原因, 两个拱脚的标高并不相同, 一侧为-10.000m, 一侧为-16.000m;环形玻璃观景平台 (图4) 外环直径为25.450m, 环宽度为3.5m, 主拱内侧的直线玻璃通道长17.4m, 宽4.8m;环形观景平台和直线玻璃通道地面材料均为30mm厚防弹钢化玻璃;通过设置拉索系统来实现环形观景台的大跨度悬空 (图5, 6) 。

　　 与目前世界各地普遍采用的悬挑实腹梁式观景台不同, 本项目首次采用了斜拉方式, 目的在于能够实现更大尺度的悬空, 给游客带来更加震撼的观景感受。此观景台结构由主拱+平面井字形结构+预应力拉索组成, 观景台结构体系如图7所示。

　　 主拱:主拱由两根矩形钢管组成, 其间设有腹杆, 两根矩形钢管向上逐渐靠近, 在顶部投影长度约10m范围内合二为一, 变成一根单管;在主拱±0.000相对标高处设置双榀桁架弦杆, 在桁架弦杆间同样设有腹杆, 形成上下两层水平桁架, 以抵抗预应力拉索通过主梁传递过来的一部分水平力。

　　 平台和通道结构:主拱外侧的观景台主结构为井字形平面结构, 此前尝试过其他一些平面布置方案, 但经综合比较, 这种井字形方式传力更明确, 布置更简洁, 同时能够最大限度地减小结构构件对游客的视觉影响, 深得建筑方认可。井字形结构中两根H型钢主梁间距4.8m, 总长度约32m;主梁两侧为双悬挑大梁, 悬挑长度约10m;内侧直线通道主结构为两根H型钢梁, 跨度为17.4m;为减小大跨度H型钢梁的平面外弯矩并加强双梁的整体性, 各部分双梁间均设有间距3m左右的的次梁, 次梁与主梁的连接采用刚接方式。在主结构上方通过16个支点安放以钛合金为主材料制成的环形平台 (属附加二次结构, 不在本文中详细叙述) 。

　　 预应力拉索:在距外侧观景台结构主梁梁端4.9, 15.4m处各设有2根拉索拉至主拱, 后侧对应部位设4根拉索拉至山体, 观景台结构下方设4根平衡索拉至山体。

　　 使用荷载:根据业主要求, 使用荷载控制在1.5kN/m², 通过在运营管理时严格控制参观人数来保证。温度荷载:根据当地气象资料及施工条件, 控制合拢温度为15±5℃, 计算温差为±34℃。雪荷载:本工程所在地50年一遇的基本雪压为0.40kN/m², 其值小于活荷载, 不起控制作用。

　　 风荷载:由于本项目未做风洞试验, 考虑到项目所处地形较为复杂, 且结构对风荷载也较为敏感, 因此在风荷载计算时适当提高结构的安全储备, 基本风压按100年一遇取0.5kN/m², 根据山峰距地面的实际高度确定风压高度变化系数并考虑地形条件的修正^[1], 其值取为4.0, 观景台的体型系数按2.0考虑。地震作用:抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.20g, 地震设计分组为第一组, 场地土类别为Ⅱ类, 同时考虑水平地震作用和竖向地震作用。

　　 后续计算显示, 由于风荷载输入较大, 风荷载为主要控制荷载。

　　 本工程结构较为复杂, 索内初始预拉力的设置对结构影响较大, 不同位置的拉索对结构整体的影响程度不同, 索内初始预拉力的设定不仅影响观景台井字形结构主梁的初始变形和内力, 也影响了主拱的初始变形和内力, 同时不仅要保证正常使用情况下观景台的变形要求, 还要保证各索在任意荷载组合下均处于张紧状态。通过不断试算和调整, 最终确定主索的初始预拉力为1 000kN, 平衡索初始预拉力为600kN, 各索初始预拉力示意图见图8。

　　 主拱采用矩形钢管, 其余构件大部分采用H型钢, 钢构件材质均为Q345B;拉索选用1 670MPa热挤聚乙烯高强钢丝拉索^[2]。具体构件截面和拉索规格如表1, 2所示。

　　 分析软件采用MIDAS/Gen, 提取了结构前8阶振型进行分析, 自振周期及振型描述如表3所示, 图9为各阶振型示意图。

　　 由上述分析结果可以看出, 由于拉索的设置, 结构X向的刚度较大, 前几阶振型主要为Y向平动, 另外竖向振动自第7阶振型才开始出现, 可见由于拉索的作用, 平台的竖向刚度也比较理想, 有利于抵御竖向地震作用。

　　 本工程结构中设有拉索, 属柔索结构, 作为一种“柔性结构”, 柔索结构在荷载作用下会产生较大的变形, 因而计算中必须要考虑几何非线性问题。本工程不考虑材料非线性因素, 只考虑几何非线性的影响。主要分析结果如下。

　　 计算分析表明, 结构变形以竖向变形为主, 同时水平变形由风荷载控制, 具体计算结果见图10～16。

　　 从图10, 11可以看出, 在恒荷载和初始预拉力的共同作用下, 平台主梁基本呈水平状态, 符合最初的设想, 悬挑大梁端部向下的变形约为38mm;加入活荷载后, 除悬挑大梁端部变形增加明显外, 其余部位竖向变形变化不大, 此时悬挑大梁端部的最大竖向变形约为60mm, 施工时可对悬挑大梁进行预起拱以抵消部分变形。

　　 从图12, 13可以看出, 正X向风荷载作用下, 拉索拉点附近平台的水平变形约为12mm, 水平变形最大处发生在悬挑大梁端部, 约为25mm;负X向风荷载作用下, 拉索拉点附近平台的水平变形约为7mm, 水平变形最大处发生在悬挑大梁端部, 约为9mm。正负X向风荷载作用下结构变形的差异正是由索结构的非线性变形导致的。

　　 从图14可以看出, 在Y向风荷载作用下, 结构变形主要发生在平台井字形结构部分, 平台中心变形大约为50mm, 前端最大水平变形约为78mm, 考虑到整个平台悬出尺度, 相对变形并不算大。下部平衡索在控制平台Y向变形时起了较大作用。

　　 从图15, 16可以看出, 在正Z向风荷载作用下, 平台向上的变形不大, 大约在30mm左右, 悬挑大梁端部变形最大, 约为70mm;下部平衡索对控制平台向上的竖向变形很有帮助。负Z向风荷载作用下, 平台中心向下的变形大约在10mm左右, 悬挑大梁端部变形最大, 约为55mm。

　　 分析结果显示, 拉索在各种荷载组合状态下均能处于张紧状态, 因而主索和平衡索联合起来能够有效地控制平台在各个方向的变形, 这也说明了本工程拉索初始预拉力设定的合理性。合理地设定拉索预拉力能够避免结构某一方向变形过大从而导致个别索松弛退出工作的现象。

　　 拉索在各种荷载组合下的最大拉力和最小拉力包络值分别如图17, 18所示。从图17, 18可以看出, 上部各拉索的最大拉力较为接近, 约为1 200kN, 小于PES 5-109的最大允许设计索力1 430kN;下部平衡索的最大拉力约为730kN, 小于PES 5-073的最大允许设计索力957kN。拉索规格的选择较为合理。

　　 如图19所示, 大部分钢构件应力比均控制在0.8以下, 主拱弦杆最大应力比为0.73, 位置为拱间桁架上方的弦杆, 主拱腹杆最大应力比为0.84。拱间桁架弦杆最大应力比为0.67, 拱间桁架腹杆最大应力比为0.62。平台主梁最大应力比为0.73, 发生在靠近拱间桁架一侧的根部。平台悬挑大梁最大应力比为0.75。

　　 主拱在本结构中是非常重要的竖向构件, 上部4根重要的预应力拉索均拉在主拱顶部, 主拱顶部承受着拉索传递的较大竖向荷载, 为了确保主拱的稳定性, 对主拱进行荷载-位移全过程分析, 分析考虑几何非线性。

　　 计算模型只保留主拱及拱间桁架, 去除平台、拉索等构件, 以考察主拱的稳定承载力, 计算简图如图20所示。由于主拱顶部受力较为简单, 主要承受拉索内力的垂直分量, 因此仅自定义一种荷载工况, 在拱顶施加两个单位力, 通过绘制荷载-位移曲线, 找出结构失稳点, 确定非线性屈曲的临界荷载^[3]。

　　 图21为主拱的荷载-拱顶位移曲线, 可以看到随着荷载的增大, 拱顶位移增加 (位移值为负值, 代表位移方向与Z轴正向相反) , 当结构发生屈曲时, 其刚度矩阵出现奇异, 计算结果不再收敛, 即荷载不再增加而位移无限增大, 从图21可以看出, 集中荷载最大值为26 292kN。由此可知, 主拱非线性屈曲的临界荷载约为26 300kN, 根据此前分析得到的拉索最大拉力, 主拱承受的垂直荷载约为2 000kN, 因此屈曲特征值系数约为13.15, 主拱的稳定承载力比较理想。

　　 (1) 本工程结构方案简洁合理, 最大限度地实现了建筑师的设想, 给游人带来了震撼的观景感受和前所未有的现场体验。

　　 (2) 本工程采用了拉索结构, 拉索的重要性不言而喻, 通过对结构的细致分析, 合理地确定拉索的布置方式及初始预拉力大小, 并根据计算结果选择合适的索类型及截面。分析结果表明拉索布置和初始预拉力设定合理, 能够有效地保证结构的安全性和舒适性。

　　 (3) 通过细致分析, 合理确定主拱的结构方案和截面尺寸, 既满足了建筑效果的需求, 同时也具有较好的刚度和稳定性, 保证了整个结构的可靠性。