城市景觀人行空間異形拱橋總體設(shè)計

曹杰楨

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 前言

隨著城市建設(shè)的逐步推進，市政基礎(chǔ)設(shè)施在滿足交通和地方發(fā)展需求的同時，越來越多地被賦予城市地標及景觀構(gòu)筑物的功能。城市人行橋梁的基本功能在于滿足區(qū)域間人群出行的需求，因其往往建設(shè)在城市標志性內(nèi)湖、內(nèi)河、重點商圈或潛力地塊，加之本身承受的荷載較小，容易采用富有特色的造型設(shè)計來表達景觀訴求。近年來，城市景觀人行橋梁逐步成為橋梁設(shè)計師一塊重要的設(shè)計領(lǐng)域。如何將橋梁功能性、藝術(shù)性及與環(huán)境相互協(xié)調(diào)等問題有機地統(tǒng)一起來，是景觀橋梁設(shè)計的重中之重，而專供人群出行的景觀人行橋梁設(shè)計更在綜合以上因素之外還需考慮以人為本以期獲得舒適良好的使用體驗。

1 工程背景

某城市新區(qū)為進一步深化開發(fā)，增強地區(qū)競爭力，提升地區(qū)城市形象，對轄區(qū)內(nèi)河道景觀、水系防洪工程、沿岸道路橋梁及綜合管網(wǎng)等市政基礎(chǔ)設(shè)施進行了綜合整治改造設(shè)計。根據(jù)路網(wǎng)規(guī)劃，主河道沿線布設(shè)多座橋梁以加強地區(qū)交通，由于沿河兩岸均規(guī)劃為生態(tài)綠地，對跨河橋梁方案提出了較高的景觀設(shè)計要求。由于三叉河口處主河道呈彎曲走向，兩岸沿線均規(guī)劃有城市道路，從平面線形來看，道路和水系均呈現(xiàn)為流動性曲線，故在方案設(shè)計階段，考慮對新增橋梁的平面設(shè)計宜同樣采用曲線形式，以保持區(qū)域地塊地形地物平面線條的整體性及協(xié)調(diào)性。主河道此處河口寬約60 m，根據(jù)總體景觀設(shè)計，河口附近除主河道凹岸處設(shè)有景觀塔樓外，其余均為低矮建筑小品設(shè)計，視野開闊，橋梁方案可考慮在橋面以上采用構(gòu)筑物以增加視覺焦點，豐富空間層次感。根據(jù)橋址周圍地塊開發(fā)規(guī)劃，兩岸將建成多座新興小區(qū)并配套商業(yè)設(shè)施，整體風貌設(shè)計為現(xiàn)代、閑適的生活娛樂中心。在橋型方案的選擇上著重從現(xiàn)代感、視覺沖擊力及簡約風格等入手，拋棄以附加裝飾為手段的橋梁景觀設(shè)計思路，依靠結(jié)構(gòu)本身的建筑美學(xué)達到融入環(huán)境又突出于環(huán)境的效果。

基于以上思路，通過多輪比選，最終選用了空間異形拱橋方案，見圖1。

2 景觀方案

本工程實例建設(shè)地點位于兩條內(nèi)河斜向交匯形成三叉河口的節(jié)點位置，為了將河口沿岸空間有機聯(lián)系起來，總體景觀設(shè)計在此規(guī)劃建設(shè)一座景觀人行橋梁以連通被河道分割成三塊的區(qū)域。

圖1 橋梁方案效果圖

該方案中橋梁平面線形設(shè)計采用兩段圓弧曲線（R=69.5 m、R=102 m）相接，在主河道凹岸與景觀塔樓水中平臺平交，分為主、引橋兩部分，其中主橋采用外傾異形拱+單索面+曲線鋼梁。主、引橋及水中平臺步道均采用統(tǒng)一材質(zhì)的木材鋪地，從視覺上形成連貫主體，主拱與平面的曲梁相互呼應(yīng)，線條簡潔、流暢大方。

3 技術(shù)標準

安全等級：城市專用人行橋，按二級設(shè)計；

橋梁設(shè)計基準期：100 a；

環(huán)境類別：Ⅰ類；

橋梁設(shè)計荷載：按《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》人群荷載規(guī)定取值；

地震烈度：抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，設(shè)計基本地震動加速度值為0.05 g；

通航要求：無；

設(shè)計水位：常水位35 m（1985國家高程基準），50 a一遇最高洪水位37.643 m。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

主橋設(shè)計為空間異型拱橋，橋面中心線位于R=69.5 m的圓曲線上，跨徑布置為：24.7 m+72 m+24.7 m=121.4 m。橫斷面總寬為5.5 m，橫向布置為：1 m（鋼欄桿）+3.5 m（人行道）+1 m（鋼欄桿）=5.5 m，見圖2。

主拱拱肋平面與水平面夾角為70°，拱肋平面內(nèi)拱軸線采用二次拋物線，矢高26.6 m，矢跨比為1/2.6，見圖3。主梁斷面采用非對稱的單懸臂鋼箱梁結(jié)構(gòu)，主梁沿曲線內(nèi)側(cè)通過15根吊桿與主拱連接。吊桿采用兩端叉耳式GJ15型環(huán)氧噴涂鋼絞線整束擠壓型成品索，見圖4。

橋址處地質(zhì)條件較好，淺層以粉質(zhì)粘土、礫砂為主，埋深7～8 m見微風化花崗巖巖面。主墩基礎(chǔ)采用平面尺寸為12 m×8 m，高7.3 m的沉井結(jié)構(gòu)，以便于施工并能有效地平衡主拱推力。

圖2 橋梁立面布置（單位：m）

圖3 橋梁平面布置（單位：m）

圖4 橋梁跨中斷面布置（單位：m）

拱肋斷面采用外輪廓尺寸為1.8 m×2.4 m的鉆石形鋼箱斷面，鋼板壁厚采用25 mm。吊耳處設(shè)加勁橫隔板，壁厚采用16 mm。為便于施工吊裝，全拱劃分為7個節(jié)段，其中包括兩端與混凝土拱座相接的鋼混凝土結(jié)合段，見圖5。

圖5 鋼拱肋吊桿處橫斷面（單位：mm）

曲線主梁采用單懸臂鋼箱梁斷面，梁高1.4 m，寬4.75 m；其中，外側(cè)懸臂寬2.45 m，箱梁頂寬2.3 m。標準斷面頂?shù)装?、腹板厚度均采?2 mm，中支點附近局部加厚至16～20 mm。全橋每隔2.25 m設(shè)一道橫隔板，沿曲線內(nèi)側(cè)在吊桿位置設(shè)耳板以供吊桿連接。梁端兩側(cè)6 m范圍內(nèi)進行局部壓重，見圖6。

圖6 主梁吊桿處橫斷面（單位：mm）

主拱與主梁之間通過15根GJ15型環(huán)氧噴涂鋼絞線整束擠壓型成品索相連接，兩端均為叉耳式。根據(jù)成橋索力，采用了GJ15-5CR、GJ15-9CR兩種規(guī)格，設(shè)計安全系數(shù)不小于2.5。外傾主拱與曲線主梁之間理論錨點位置為完全空間關(guān)系，對全橋吊桿、耳板進行了空間放樣以確定合理的構(gòu)造處理，見圖7、圖8。

圖7 主拱耳板構(gòu)造大樣（單位：mm）

圖8 主拱肋及吊桿、叉耳結(jié)構(gòu)三維示意圖

拱腳設(shè)鋼混凝土結(jié)合段錨固于混凝土拱座內(nèi)，四周設(shè)剪力釘及槽形鋼筋以增加握裹力。拱座順拱肋空間形態(tài)呈不規(guī)則外形，靠主梁側(cè)放置主墩定制球鋼支座。

主墩基礎(chǔ)采用了平面尺寸為12 m×8 m的沉井結(jié)構(gòu)，井壁厚度為1m，內(nèi)隔墻厚度為0.5 m，分為四個井室，推力方向外側(cè)兩個井室填充C15片石混凝土。封底混凝土厚度為2.5 m，見圖9。

圖9 沉井平面布置（單位：m）

主橋邊支點采用了柱式墩及輕型橋臺接D1.0 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

5 結(jié)構(gòu)分析

對主橋建立Midas Civil空間有限元模型進行總體靜力計算及動力特性分析、屈曲穩(wěn)定性分析，見圖10。

圖10 主橋有限元計算模型

5.1 總體靜力計算

主梁在使用階段最大拉應(yīng)力為117 MPa，最大壓應(yīng)力為102 MPa。主拱在使用階段最大拉應(yīng)力77 MPa，最大壓應(yīng)力為102 MPa，考慮穩(wěn)定折減后應(yīng)力狀況滿足規(guī)范要求，見圖11、圖12。

圖11 主梁荷載標準值組合下正應(yīng)力

圖12 主拱荷載標準值組合下正應(yīng)力

5.2 動力特性分析與屈曲穩(wěn)定性分析

結(jié)構(gòu)豎向振動出現(xiàn)在第一階，自振頻率為3.0 Hz。

第一階失穩(wěn)模態(tài)為主梁面內(nèi)失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為 526，見圖13。

圖13 結(jié)構(gòu)第一階失穩(wěn)模態(tài)

5.3 基礎(chǔ)計算

對沉井結(jié)構(gòu)考慮如下計算工況：

（1）按整體基礎(chǔ)進行基底承載力及穩(wěn)定性驗算；

（2）下沉及封底驗算，包括封底混凝土厚度驗算、沉井上浮驗算及井壁抗剪驗算；

（3）蓋板受力驗算。

沉井持力層為微風化花崗巖，地基承載力容許值[fa0]=4.5 MPa，屬較完整的較硬巖。

最不利荷載組合工況下基礎(chǔ)驗算見表1。

表1 最不利荷載組合工況下基礎(chǔ)驗算

封底混凝土厚度根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》第6.3.5條規(guī)定按四邊簡支矩形雙向板進行驗算：

板厚 t=（6×β0×q0×B2/[σwl]）1/2＜2.5 m

6 結(jié)語

本工程實例作為城市景觀人行橋梁，突破常規(guī)拱橋方案構(gòu)思，結(jié)構(gòu)形式新穎，景觀效果佳，建成后使用體驗良好，并已成為當?shù)亟ㄖ貥?，見圖14。

圖14 橋梁實景圖