城市公園景觀拱橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)

■龍 剛 ■1．西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068;2．長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064

1 工程概況

西寧市西郊樂園景觀拱橋位于西寧市海湖新區(qū)植物園內(nèi)，跨越公園內(nèi)人工湖。工程總投資約60萬元，于2012年建成，實(shí)景如圖1所示。工程總體布置如圖2;圖3。

圖1 西郊樂園橋建成實(shí)景圖

圖2 西郊樂園橋立面圖(單位:cm)

圖3 西郊樂園橋橫斷面圖(單位:cm)

橋梁主要參數(shù):主拱凈跨徑8．0m，輔拱凈跨徑4．5m，拱圈均采用半圓曲線鋼筋混凝土板拱，拱軸線底部附加0．5m高直線段;橋?qū)?．2m，凈寬3．4m;橋梁下部采用變階擴(kuò)大基礎(chǔ)。

2 橋梁建設(shè)條件及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2．1 地形地質(zhì)

工程場地為城市景觀公園，地面高程介于2253．7～2253．9m，較平坦。據(jù)地勘報(bào)告［1］，在控制深度內(nèi)，地基土自上而下依次第四系雜填土(Qml4)、卵石(Qal+pl4)、泥巖(N1X)。

2．2 氣象水文

西寧地區(qū)位于青藏高原東部，屬高原半干旱氣候，特點(diǎn)干燥多風(fēng)，夏季涼爽，冬季寒冷，降水量少，蒸發(fā)量大，太陽輻射強(qiáng)和晝夜溫差大。據(jù)青海氣象臺多年觀測資料，年平均氣溫5．9℃;最低氣溫-26．6℃，最高氣溫38℃。年平均降水量379mm，平均相對濕度55%，最小相對濕度0%。橋址處人工湖為靜水湖，規(guī)劃蓄水深度0．6m，常水位2251．830m，湖底高程為2251．230m。

2．3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

人群荷載集度4．0kN/m2;橋面最大縱坡1∶3;地震參數(shù):場地類別屬Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度屬7度區(qū)第三組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0．10g，設(shè)計(jì)特征周期為0．45s，不存在液化土層，場地屬建(構(gòu))筑抗震一般地段;標(biāo)準(zhǔn)凍深1．23m。

3 概念設(shè)計(jì)要點(diǎn)

作為一座城市公園景觀橋梁，概念設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮公園景區(qū)的現(xiàn)狀、規(guī)劃及定位，遵循如下全局性設(shè)計(jì)理念和原則:

3．1 設(shè)計(jì)理念

橋梁定位和功能應(yīng)服務(wù)于公園景區(qū)整體定位和功能，橋梁應(yīng)融入環(huán)境并提升環(huán)境。西郊樂園系西寧市湟水國家濕地公園濕地保護(hù)建設(shè)工程的一部分，西寧市為湟水景觀帶提升付出長久努力。據(jù)網(wǎng)絡(luò)公開資料顯示，濕地保護(hù)工程整體定位和功能是通過工程實(shí)施來保護(hù)和恢復(fù)湟水河流域濕地，恢復(fù)濕地植物及其生態(tài)環(huán)境，改善河灘濕地景觀，為遷徙鳥類提供適宜棲息環(huán)境;使湟水河流域濕地生態(tài)系統(tǒng)改善小氣候功能不斷增強(qiáng);改善并恢復(fù)河灘濕地多樣性景觀，促進(jìn)西寧宜居城市建設(shè)步伐加快。

綜上可看出濕地景觀整體定位和功能多集中反映人文、自然、宜居等方面，作為這一大背景下一座小型景觀橋，不應(yīng)現(xiàn)代、高調(diào)、突兀，而應(yīng)古典、淡雅，精致?；谶@一理念，西郊樂園橋方案設(shè)計(jì)選擇圖1所示3孔古典實(shí)腹式拱橋。

3．2 設(shè)計(jì)原則

基于前述設(shè)計(jì)理念所提出的3孔古典實(shí)腹式拱橋方案在具體設(shè)計(jì)時(shí)尚應(yīng)綜合考慮橋梁專業(yè)自身設(shè)計(jì)原則［2］:技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟(jì)合理、美觀環(huán)保。在設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)下遵循一定設(shè)計(jì)原則，其主要作用在于使橋梁在融入環(huán)境前提下確保結(jié)構(gòu)自身合理性、節(jié)約投資。西郊樂園拱橋建成后不僅景觀和結(jié)構(gòu)上獲得市民一致好評，其建成核算總投資亦低于建設(shè)方原定投資預(yù)算(60萬元)，取得經(jīng)濟(jì)上成功。

4 總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4．1 橋長

常規(guī)來看橋長取決于造價(jià)控制目標(biāo)和功能目標(biāo)。簡而言之，因橋梁造價(jià)高于路基造價(jià)，橋梁長度一般盡量可能短，足夠跨越既定地形即可。但作為公園景觀橋梁，它連同人工湖一起均為人造景觀，就有必要協(xié)調(diào)兩者關(guān)系:既不能橋長過短，也不宜過度浪費(fèi)投資，同時(shí)還要兼顧美觀性。從美觀上講橋長占湖面全寬一定比例，橋臺順接一定路基并予以山石、綠化點(diǎn)綴，較全部采用橋梁跨越人工湖水面方案景觀效果更好。

基于上述造價(jià)、功能及美觀三方面考慮，西郊樂園拱橋橋長定為26．3m，約占湖面全寬(83m左右)32%，路基長度約占全寬68%，路-橋比例較接近黃金分割率。

4．2 橋面高度、縱斷

西郊樂園拱橋橋面高度和縱斷設(shè)計(jì)主要考慮三方面因素:(1)人性化:橋面過高將導(dǎo)致行人通行勞累。橋長一定情況下橋面過高則橋面坡度較陡，不利西寧這類寒冷地區(qū)冬季行人通行安全。反之橋面過低則橋梁景觀效果較差，不利于觀景行人獲取一定高度視角。(2)景觀效果:作為景觀橋其整體高度應(yīng)與周邊景物相適應(yīng)。如周邊景物較低，橋面過高將致使橋梁自身有突兀之感，反之則使橋梁過于隱形，缺乏景觀點(diǎn)亮功能。就西郊樂園拱橋而言，其周邊樹木高約10～15m，橋高約5m，亦接近黃金比例。(3)立面效果:合理縱斷設(shè)計(jì)是保證橋梁立面效果及通行舒適性關(guān)鍵。上、下橋坡度決定踏步舒適性，西郊樂園拱橋上下坡率1∶3，系總結(jié)城市天橋踏步舒適性經(jīng)驗(yàn)的結(jié)果:城市人行天橋踏步比例一般1∶2～1∶4間，1∶3是相對舒適臺階比例。

上述三點(diǎn)不是獨(dú)立的，橋長確定后，橋面高度與縱斷設(shè)計(jì)相關(guān)，實(shí)際操作時(shí)應(yīng)注意兩者協(xié)調(diào)和平衡。

4．3 拱圈線形、跨徑、矢跨比

4．3．1 主拱線形

拱圈線形一般有圓曲線、圓曲線結(jié)合直線組成圓端曲線、橢圓曲線及懸鏈線等，其中懸鏈線形拱軸線多用于大型拱橋，在小型拱橋中不多見;豎向長軸橢圓曲線及圓端曲線多用于橋面距離水面較高且橋長較短的情形;豎向短軸橢圓曲線或坦圓弧曲線多用于橋面距離水面較低且橋長較長，沒有通航需求的情況。西郊樂園拱橋在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合橋高、橋長、水位等幾方面因素，最終采用半圓弧線拱軸線底部附加0．5m直線段拱軸線。底部0．5m高直線段在正常情況下隱于常水位以下，其主要作用在于降低基礎(chǔ)底面高度，使其落至有利持力層并防止枯水時(shí)基礎(chǔ)頂面外露過多，影響景觀效果。

4．3．2 主拱跨徑、矢跨比

在橋面設(shè)計(jì)高度、橋長及拱圈線形已基本確定的前提下，跨徑和矢跨比的確定可按如下思路進(jìn)行:(1)確定主拱拱頂最小側(cè)墻高度:作為景觀橋，可按拱頂填料分層壓實(shí)厚度來確定拱頂最小側(cè)墻高度，這樣可以獲得最大的通透性。按填料種類的不同，規(guī)范［3］對其分層壓實(shí)厚度有不同的建議值。西郊樂園拱橋填料為灰土，設(shè)計(jì)取拱頂灰土最小厚度30cm;(2)根據(jù)橋長確定主拱跨徑:拱頂最小側(cè)墻高度確定后，可根據(jù)主拱占全橋長度的適當(dāng)比例及拱圈總數(shù)來確定主拱跨徑。特別的是，當(dāng)拱圈為圓曲線形時(shí)，拱圈高度即決定了其跨度。西郊樂園拱橋即由拱圈最大高度取凈跨為8m;(3)根據(jù)跨徑和橋面高度決定矢跨比:主拱跨徑初步選定后，逐漸加大矢跨比可以改善拱圈受力，減小拱座水平推力。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可以拱頂最小填料厚度為極限，采用選定跨徑對應(yīng)的最大矢跨比。如若此方法得到的拱軸線仍過坦，可以調(diào)整跨徑或拱圈數(shù)量，重復(fù)這一過程，直至得到合理的矢跨比和較好的景觀效果。

4．3．3 副拱跨徑

副拱跨徑的確定主要考慮兩點(diǎn):(1)平衡主拱推力:從這一角度來說，副拱跨徑不宜過小，否則中墩水平推力將較大;(2)與主拱跨徑匹配:這是一個(gè)美觀上的要求，目的是為了獲得由主到次，跨徑由大到小漸變的效果。西郊樂園拱橋副拱凈跨徑為4．5m，亦接近主拱的黃金分割比例。

4．3．4 副拱線形、矢跨比

副拱的線形和矢跨比應(yīng)盡量與主拱一致，保持全橋風(fēng)格統(tǒng)一。

4．4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

由2．1節(jié)可知西郊樂園拱橋地質(zhì)良好，具有承載力較高的卵石層且其深度適宜。故設(shè)計(jì)時(shí)未考慮樁基礎(chǔ)而是直接采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。擴(kuò)大基礎(chǔ)的構(gòu)造設(shè)計(jì)有幾個(gè)方面需要注意:(1)臺階應(yīng)采用斜坡變階以避免枯水期將基礎(chǔ)較大頂面及其直棱角露出，影響景觀效果;(2)基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)各墩水平力情況，沿橋縱向設(shè)置合理偏心，使上部結(jié)構(gòu)合力盡量作用于基礎(chǔ)底面中心;(3)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)使各墩、臺基礎(chǔ)抗沉降安全系數(shù)趨于一致，避免產(chǎn)生不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)帶來不利影響;(4)基礎(chǔ)埋置深度除計(jì)算要求外，尚應(yīng)置于凍脹深度以下，防止基礎(chǔ)底部地下水凍結(jié)、鼓脹，對結(jié)構(gòu)造成破壞。

4．5 附屬結(jié)構(gòu)

4．5．1 拱上填料

拱上填料種類很多，為方便施工，簡化填料內(nèi)部防、排水設(shè)計(jì)，西郊樂園拱橋拱上填料直接采用3∶7灰土，分層夯實(shí)后加鋪表面鋼筋混凝土墊層及踏步。

4．5．2 拱內(nèi)排水

為防止拱上3∶7灰土填料在施工期間或板結(jié)前雨水滲入拱腳凹槽等低點(diǎn)，拱肋頂面預(yù)先設(shè)置素混凝土調(diào)坡層，調(diào)坡層以拱肋中心為高點(diǎn)向外成雙向1．5%橫坡(見圖3)。雨水沿此橫坡排至側(cè)墻墻腳時(shí)再通過預(yù)埋于側(cè)墻內(nèi)的Φ50mm帶篩孔鋼管穿出側(cè)墻排至人工湖。

4．5．3 外立面裝修

拱橋主體結(jié)構(gòu)施工完成后，外立面裝修是一般公園小拱橋完善景觀效果的最后一道工序，也是最關(guān)鍵工序之一。作為上承式實(shí)腹拱橋，其運(yùn)營過程中變形和振動較小，一般石材貼面工藝即可用于其外立面裝修。西郊樂園拱橋采用大理石石材，古典石材欄桿等外部裝飾后，景觀效果得到較大提升。

5 結(jié)語

(1)城市橋梁特別是城市景觀橋梁設(shè)計(jì)是項(xiàng)自理念到細(xì)部系統(tǒng)工作，除結(jié)構(gòu)本身外，它還牽涉管線、規(guī)劃、美學(xué)、環(huán)保等多層次、多領(lǐng)域問題。國內(nèi)鮮見關(guān)于城市橋梁設(shè)計(jì)方面權(quán)威專著，新版城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［4］雖有提及設(shè)計(jì)應(yīng)符合規(guī)劃等要求，但它更多關(guān)注的還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面問題。本文在城市景觀小拱橋設(shè)計(jì)方面論述純屬拋磚引玉，其設(shè)計(jì)體系完善尚需業(yè)內(nèi)同行共同努力。(2)從西郊公園拱橋建成后效果看，雖結(jié)構(gòu)簡單但景觀效果卻不輸于片區(qū)內(nèi)造價(jià)更高的其他橋型。這提示我們廣大橋梁設(shè)計(jì)人員，工程投資和橋梁建成后功能、景觀效果間投入產(chǎn)出關(guān)系也是值得深思問題。

［1］西寧市湟水河二期綠化景觀工程三孔橋工程地質(zhì)勘查報(bào)告(詳勘階段)［R］．青海九零六工程勘察設(shè)計(jì)院，2012(09)．

［2］JTGD60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2004(1)．

［3］JGJ79-2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2013(11)．

［4］CJJ11-2011，城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011(7)．