支撐式懸挑結(jié)構(gòu)在山野型綠道中的設(shè)計和應(yīng)用

許紹先

(福建省建筑設(shè)計研究院有限公司 福建福州 35001)

0 引言

“綠道”是一種線形的綠色開敞空間，通常沿著河濱、溪谷、城鎮(zhèn)、山地等空氣、風(fēng)景俱佳的地帶延展，并且連接主要公園、自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、歷史古跡等重要空間節(jié)點，可供游人及騎行者徜徉其間，吸引民眾綠色出行，是群眾休閑旅游健身的重要載體與紐帶，承載著自然生態(tài)與城市文化的聯(lián)系循環(huán)。

城市綠道建設(shè)是一項“有利于生態(tài)環(huán)保、增進(jìn)民眾健康、推動節(jié)能減排、強化生態(tài)宜居” 的綠色工程。綠道可分為城鎮(zhèn)型、田園型、山野型等。由于福建多山地形，福建多數(shù)地市處于河谷盆地，綠色廊道建設(shè)緊靠山坡穿行是常見情形。對于高陡山地路段，采用棧橋方案是一種有效途徑，但造價高昂的同時，常因開建施工便道帶來沿線植被較大破壞且恢復(fù)困難，不符合綠道建設(shè)原則。

本文借助陡峭山區(qū)公路擋墻設(shè)計技術(shù)方法，結(jié)合建筑框架梁+樓面板結(jié)構(gòu)，在因地制宜、經(jīng)濟(jì)適用且安全可靠的前提下，分析論述一種支撐式懸挑結(jié)構(gòu)，如圖1所示。用以補足道路欠寬的同時，最大限度地保護(hù)原始生態(tài)植被。該法在三明市區(qū)城市綠道建設(shè)中得到成功的實踐應(yīng)用，獲得良好的建設(shè)效果和經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益，具有一定的技術(shù)推廣價值。

1 工程實例

三明市區(qū)城市綠道為山野型綠道，全線沿山而建，最大特色在于可從山林中俯眺城市風(fēng)光。設(shè)計在保護(hù)山林地貌，尊重原生植被、生物、生態(tài)環(huán)境的多樣性基礎(chǔ)上，以人為本，把當(dāng)?shù)氐臍v史文化、自然生態(tài)與綠道設(shè)計有機結(jié)合，塑造怡人的空間，給人們提供了新型的休憩方式，倡導(dǎo)“綠色出行、低碳生活”。項目建設(shè)北起梅列區(qū)小溪農(nóng)場，南至三元區(qū)富興堡，總長度約20km，分為3期建設(shè)，平面最小半徑R=12m，最大縱坡≤8%，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)寬度5.0m，人群荷載按5kPa，汽車荷載按應(yīng)急救援小車專用道路考慮。

2 總體設(shè)計構(gòu)思

借助陡峭山區(qū)公路擋墻設(shè)計技術(shù)方法，結(jié)合建筑縱橫框架梁+樓面板結(jié)構(gòu)，提出施工便捷、技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)實用的懸挑式設(shè)計結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可最大限度不破壞山體，保護(hù)了原生自然生態(tài)環(huán)境，充分利用已確認(rèn)的路基范圍內(nèi)設(shè)計廊道空間，杜絕內(nèi)側(cè)高挖，外側(cè)高填，降低植被破壞，盡可能地回歸植被空間，同時經(jīng)濟(jì)造價合理適中，工程施工便捷，難度較小，且建成后使用壽命較長[2]。

3 具體設(shè)計方法

整體式懸挑設(shè)計具體方法設(shè)計圖如圖1～圖3所示。

圖1 懸挑橫斷面示意圖

圖2 懸挑平面設(shè)計圖

圖3 懸挑梁尺寸及配筋設(shè)計圖

(1)綠道路基邊緣內(nèi)退后，在穩(wěn)定邊坡上人工挖基澆筑外側(cè)混凝土支撐擋墻。

(2)在靠山側(cè)人工挖基，貼地縱向澆筑內(nèi)側(cè)砼條形基礎(chǔ)。

(3)用透水性粒料充填擋墻墻背，并采用小型機具人工搗實。

(4)澆筑鋼筋砼縱、橫向梁：縱向梁沿著擋墻墻頂及條形基礎(chǔ)上澆筑。橫向梁垂直于路線走向，支撐在擋墻上并向外懸挑澆筑。

(5)上述縱梁、橫梁均通過框架鋼筋剛性聯(lián)結(jié)，以使懸挑端任何一點荷載作用均由縱、橫梁的整體框架結(jié)構(gòu)共同抵抗。內(nèi)側(cè)縱梁與砼條形基礎(chǔ)再通過連接鋼筋聯(lián)結(jié)為一體，作為整體配重以抵抗懸挑端傾覆(必要情形還可通過錨桿將砼條形基礎(chǔ)與基巖連為一體)。

(6)澆筑鋼筋混凝土面板。

(7)完成瀝青路面結(jié)構(gòu)鋪筑和其余鋪裝。

4 受力分析與計算

懸挑梁板的受力分析計算主要分為：支撐擋墻的穩(wěn)定性驗算(包括抗滑移、抗傾覆、基底強度、截面強度、整體穩(wěn)定性等)；整體式懸挑梁抗彎、抗剪、抗裂縫等配筋受力計算；懸挑梁板抗傾覆受力穩(wěn)定計算。

4.1 支撐擋墻穩(wěn)定性驗算

參照公路，采用理正巖土計算6.0版，計算結(jié)果最不利情形為組合II，整體穩(wěn)定安全系數(shù)1.42，大于最小值1.3，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

4.2 懸挑梁結(jié)構(gòu)受力計算[1]

材料重度：鋼筋混凝土取25kN/m3，路面鋪筑取24kN/m3。

參數(shù)說明：q為線荷載，P為集中力，M為彎矩，L為力臂。

4.2.1恒載及其內(nèi)力

4.2.1.1每一根懸臂梁上的恒載

(1)鋪裝

q1：24×0.07×2.5=4.2kN/m

M1：4.2×1.5×1.5/2=4.73kN·m

(2)板重

q2：25×0.1×(2.5-0.25)=5.63kN/m

M2：5.63×1.25×1.25/2=4.40kN·m

(3)外邊梁重

p3：25×0.25×0.22×2.5=3.44kN

M3：3.44×(1.5-0.25/2)=4.73kN·m

(4)懸臂梁自重

① 矩形部分

p4：25×0.25×0.22×1.25=1.72kN

M4：1.72×(1.25/2)=1.08kN·m

② 三角部分

p5：25×0.25×0.18×0.5=0.56kN

M5：0.56×(1.25/3)=0.23kN·m

(5)欄桿重

p6：2.0kN

M6：2.0×(1.5-0.25/2)=2.75kN·m

4.2.1.2恒載內(nèi)力

(1)彎矩

MAg=4.73+4.40+4.73+(1.08+0.23)+2.75=17.92kN·m

(2)剪力

PAg=4.2×1.5+5.63×1.25+3.44+(1.72+0.56)+2.0= 21.06kN

4.2.2活載及其內(nèi)力

(1)人群荷載

q人：5.0kPa

M人：5.0×(1.25×1.25/2)×2.5=9.77kN·m

P人：5.0×2.5×1.25=15.63kN

(2)汽車荷載

按車輛荷載P=70kN×0.5=35kN

(根據(jù)規(guī)范，小型車專用道路車輛荷載效應(yīng)折減系數(shù)取0.5)：

M車=1.3×35×1.05=47.78kN·m

P車=1.3×35=45.5kN

(注：1.3為汽車沖擊系數(shù),1.05m為力臂)

4.2.3結(jié)構(gòu)驗算

(1)抗彎計算

MA=1.2×MAg+1.4×M車=

1.2×17.92+1.4×47.78=88.40kN·m

砼標(biāo)號為C25砼，則fcd=11.5MPa；

構(gòu)件有效高度：h0=350 mm。

根據(jù)規(guī)范JTG D62-2004第5.2.3條：

≤ξbh0= 0.56×350=196mm

(γc為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，取1.0)

綜上，結(jié)構(gòu)截面抗彎驗算通過。

(2)抗剪計算

PA= 1.2×PAg+1.4×P車=

1.2×21.06+1.4×45.5=88.97kN

根據(jù)規(guī)范JTG D62-2004第5.2.7條：

Vcs=α1α2α30.45×10-3×b×h0×

0.9×1.0×1.1×0.45×10-3×250×300×

106.0kN

其中：

P=100ρ=100×(380.1×3/(25×35))=1.3

ρsv=ASV/SV×b=2×50.3/(150×250)=

2.68×10-3

根據(jù)規(guī)范JTG D62-2004第5.2.9條：

0.51×10-3× ×250×300=191.25kN

(γ0為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，取1.0)

綜上，結(jié)構(gòu)斜截面抗剪驗算通過。

(3)裂縫計算：

受力彎矩：Msa=MAg+M車=

17.92+35×1.05×0.7=43.65kN·m

根據(jù)規(guī)范JTG D62-2004第6.4.3條:

系數(shù)C2取1.5，其余為1.0。

經(jīng)計算,裂縫寬度：

Wfk=0.132mm≤ 0.15mm。

綜上，結(jié)構(gòu)截面抗裂縫驗算通過。

4.3 懸挑梁抗傾覆計算[3]

4.3.1懸臂段彎矩

由本文“二、懸挑梁結(jié)構(gòu)受力計算”中可知：

恒載彎矩為17.92kN·m。

動載彎矩為：

(1)人群荷載彎矩9.77kN·m。

(2)汽車荷載由于作用重心在配重段內(nèi)，故汽車荷載在懸臂段彎矩為0。

MA=1.2×MAg+1.4×M人=

1.2×17.92+1.4×9.77=35.18kN·m

4.3.2配重段彎矩

4.3.2.1恒載受力

(1)鋪裝

q1：24×0.07×2.5=4.2kN/m

M1：4.2×3.5×3.5/2=25.73kN·m

(2)板重

q2：25×0.1×(2.5-0.25)=5.63kN/m

M2： 5.63×3.2×3.2/2=28.83kN·m

(3)懸臂梁重

p3：25×0.25×0.3×2.9=5.44kN

M3：5.44×(2.9/2)=7.89kN·m

(4)內(nèi)邊梁重

p4：25×0.3×0.4×2.5=7.5kN

M4： 7.5×3.2=24.0kN·m

(5)內(nèi)邊梁砼基礎(chǔ)重

p5：25×(0.6×0.6+0.15×0.47)×2.5=26.90kN

M5：26.90×3.2=86.08kN·m

4.3.2.2配重段恒載內(nèi)力彎矩

MAg=25.73+28.83+7.89+24.0+86.08=172.53kN·m

綜上，配重段彎矩在不考慮活載情形下，其恒載彎矩已遠(yuǎn)大于懸臂段彎矩，抗傾覆系數(shù)K=172.53/35.18=4.9>1.5，滿足抗傾覆要求。

上述計算模型中，是假定單個懸挑梁板情形作為計算單元，且水平走向為直線進(jìn)行分析計算，但在實際應(yīng)用中，由于綠道走向常沿等高線伸展，存在急彎位置和縱向坡度(或為臺階梯度)的情形，其受力情形更加復(fù)雜，主要為以下情形：

(1)平曲內(nèi)凹情形：配重端內(nèi)邊梁及砼基礎(chǔ)長度增長、扇形區(qū)梁板及鋪裝面積增大；懸挑端外邊梁長度縮短、扇形區(qū)梁板及鋪裝面積減小。根據(jù)傾覆計算，其整體傾覆穩(wěn)定有利。

(2)平曲外凸情形：配重端內(nèi)邊梁及砼基礎(chǔ)長度縮短、扇形區(qū)梁板及鋪裝面積減??；懸挑端外邊梁長度增長、扇形區(qū)梁板及鋪裝面積增大。根據(jù)傾覆計算，其整體傾覆穩(wěn)定不利。因此，在必要情形下須進(jìn)行單獨分析計算，其計算原理與上述相同。

(3)縱向情形：由于產(chǎn)生縱向荷載的水平分力，若挑梁下部為立柱式支撐，需要單獨分析立柱的水平抵抗力。

在該設(shè)計中，綠道平曲最小半徑R=12m，最大縱坡≤8%，懸挑梁布置按支撐位置間距2.5m且垂直于道路中線扇形布設(shè)施工。

由于該設(shè)計挑梁下部支撐為剛度很大的整體式澆筑擋墻，對傳遞的豎向荷載具有較強的分散適應(yīng)能力，可忽略縱向力的影響不予計算。

特別需要說明的是，該設(shè)計懸挑梁縱、橫梁剛性聯(lián)結(jié)，懸挑端任何一點荷載作用均可由縱、橫梁整體框架結(jié)構(gòu)共同抵抗，具有較強的荷載分散和減低作用密集度的效果，對整體穩(wěn)定的作用效應(yīng)十分顯著[2]。

5 實踐效果

該項目于2013 年 3月動工建設(shè)，如圖4所示，該綠道串起了自然生態(tài)景觀與人文歷史景觀，獲得廣大市民和各級領(lǐng)導(dǎo)好評，成為三明城市的標(biāo)志性建筑和城市名片、為城市增添了一道亮麗風(fēng)景，為市民營建了一個休憩健身的好場所，如圖5所示。

圖4 施工現(xiàn)場

圖5 建成后效果圖

目前一期、二期均已建成，三期(畔嶺至碧桂園段)也于2017年6月竣工投入使用，其余段落還在繼續(xù)建設(shè)中。本懸挑結(jié)構(gòu)濃縮了公路擋墻設(shè)計、建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計等方法，在三明綠道一期工程中初次嘗試使用，在二、三期工程中大力推廣使用，其建成后經(jīng)濟(jì)適用的同時，又具有棧橋廊道的景觀效果，在經(jīng)濟(jì)環(huán)保、生態(tài)植被保護(hù)回歸及建成后使用壽命等方面均起到了較好的效果。

6 結(jié)語

山野綠道建設(shè)應(yīng)注重實際，因地制宜，盡量避免山體破壞，減少植被恢復(fù)的負(fù)擔(dān)。在充分考慮和利用現(xiàn)狀地形地勢做好選線工作的基礎(chǔ)上，還需要研究探索相應(yīng)的技術(shù)設(shè)計方案，盡可能地回歸植被空間。

支撐懸挑式設(shè)計方案，可有效減少綠道建設(shè)對自然山體的開挖破壞，同時解決棧橋設(shè)計投資過大、建設(shè)期間便道開建破環(huán)生態(tài)，建成后維護(hù)困難等問題，實現(xiàn)建設(shè)費用和使用質(zhì)量和諧統(tǒng)一，產(chǎn)生最大的社會效益和景觀效果，在類似的擬建項目中，值得推廣應(yīng)用，并可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索創(chuàng)新。

[1] JTG D62-2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].2004.

[2] 阿旺曲覺,周志祥,范亮.整體式懸挑結(jié)構(gòu)拓寬山區(qū)道路的新技術(shù)探索[J].西藏科技，2008(04)：53-57.

[3] 吳廣彬,葛召深.懸挑支撐結(jié)構(gòu)的傾覆計算[J].建筑科學(xué)，2013(05):64-66.