平潭竹嶼湖大橋初步設(shè)計(jì)方案比選探討

凌建林

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東深圳 518029)

0 引言

在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)過程中，方案比選是一項(xiàng)十分重要的工作。橋梁結(jié)構(gòu)安全、功能舒適、成本經(jīng)濟(jì)、外型美觀是進(jìn)行方案比選的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其中以安全與經(jīng)濟(jì)為重，至于橋梁美觀，要視經(jīng)濟(jì)與環(huán)境條件而定[1]。在現(xiàn)代橋梁方案設(shè)計(jì)中，還需注意以下3條原則：(1)注重方案的可行性、建設(shè)可操作性和管理養(yǎng)護(hù)的方便性；(2)積極采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝，既要確保工程建設(shè)與使用過程中的安全，也要盡可能提高項(xiàng)目的科技含量；(3)充分體現(xiàn)“以人為本”與“可持續(xù)發(fā)展”的設(shè)計(jì)理念，提倡生態(tài)建設(shè)?；?，本文通過分析影響橋梁建設(shè)的多種因素，介紹了橋梁設(shè)計(jì)方案比選的主要過程。

1 工程概況

平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)位于福建省東部沿海，東瀕臺(tái)灣海峽與臺(tái)灣隔海相望，距臺(tái)灣新竹68海里，是祖國(guó)大陸距臺(tái)灣最近的海島。其特殊的地理位置可充分發(fā)揮連接兩岸的作用，促進(jìn)海峽兩岸交流合作向更廣范圍、更大規(guī)模、更高層次邁進(jìn)，推動(dòng)兩岸關(guān)系和平發(fā)展。

竹嶼湖大橋位于實(shí)驗(yàn)區(qū)最具活力的文化金融高端產(chǎn)業(yè)聚集的核心區(qū)，同時(shí)依托現(xiàn)狀竹嶼湖，以文化、會(huì)議會(huì)展、商務(wù)為主題，高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)竹嶼湖濱水景觀。大橋南側(cè)緊鄰湖心區(qū)標(biāo)志性建筑平潭藝術(shù)博物館，如圖1所示。博物館建筑本身恍如一座隨時(shí)要游離的島中之島，由一座微微起伏的棧橋連接著大陸，連接著人工與自然，城市與文化，歷史與未來，它是一件具有持久感的水中大地景觀，仿佛向人們重述這座海島在遠(yuǎn)古的誕生。因此，竹嶼湖大橋的設(shè)計(jì)范疇不能僅僅局限于造“一座橋”的簡(jiǎn)單概念，而應(yīng)在滿足交通功能的同時(shí)，處理好橋梁與環(huán)境、人文、商業(yè)、歷史和審美的關(guān)系，使橋梁景觀設(shè)計(jì)的內(nèi)涵成為城市設(shè)計(jì)的重要組成部分。

圖1 竹嶼湖大橋周邊環(huán)境

2 橋位概況

竹嶼湖大橋位于平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)萬北路段中部，連通整個(gè)中心商務(wù)區(qū)，是萬北路的節(jié)點(diǎn)控制工程。為滿足橋下通行小型游船凈空(3.5m)及橋下親水步道通行凈空(2.5m)的需要，橋梁中心位置橋面標(biāo)高需達(dá)到8.037m，道路縱坡由橋梁中心向兩側(cè)按2.5%降坡。

竹嶼湖大橋路橋連接段的地質(zhì)條件較差，從上到下分別是中砂、淤泥、強(qiáng)風(fēng)化巖和中、微風(fēng)化巖。上部土體含水率較高，孔隙比較大，地基承載力極低，容易產(chǎn)生沉降變形。據(jù)道路勘察資料顯示，中砂揭露深度5.5 m ～15.9m，淤泥揭露深度2.2 m ～26.7m。為解決地基不穩(wěn)定的問題，綜合考慮工程投資和施工工期，推薦采用水泥攪拌樁作為臺(tái)后軟基處理實(shí)施方案[2-3]。

3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

竹嶼湖大橋道路等級(jí)為城市次干路；設(shè)計(jì)車速50km/h；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年；設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1；環(huán)境類別為II類；汽車荷載為城-A級(jí)；人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11-2011)計(jì)算取值；橋梁設(shè)計(jì)水位采用50年一遇洪水位+2.39m；抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為丁類；抗震設(shè)防烈度采用7度以及地震動(dòng)加速度峰值為0.10g；通航凈空為3.5m滿足小型游船同行。

4 橋梁方案設(shè)計(jì)

4.1 橋梁選型總體目標(biāo)和要求

本文橋型選取總體目標(biāo)是打造一座提升城市形象品質(zhì)，展示區(qū)域歷史文化，實(shí)現(xiàn)景觀環(huán)境融合和愉悅通行者心情的景觀橋梁。結(jié)合總體目標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)條件要求，對(duì)橋梁方案提出以下三方面的要求：

(1)大橋處于人工湖區(qū)，跨越水域距離約200m，水流平緩，可選橋型以中小跨徑常用的拱式橋或梁式橋?yàn)橹鱗1]。

(2)橋位處地質(zhì)淺層覆蓋一定厚度的軟弱地基，橋梁選型應(yīng)適當(dāng)考慮該因素，選擇少支架結(jié)構(gòu)或預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，降低施工難度。

(3)竹嶼湖大橋原設(shè)計(jì)按30年一遇 +1.93m洪水位考慮，根據(jù)最新的防洪防潮水位規(guī)劃要求，現(xiàn)大橋設(shè)計(jì)水位提高到50年一遇 +2.39m。為滿足橋下最小通航凈高(大于3.5m)和洪水其間最小凈空要求，橋面標(biāo)高需要調(diào)高。選擇拱形連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，有利于降低結(jié)構(gòu)建筑高度，減少由于道路高程抬高帶來的路基、邊坡等項(xiàng)目造價(jià)增加的影響。

4.2 橋型方案比選

根據(jù)該橋選型總體目標(biāo)和要求，并結(jié)合平潭藝術(shù)博物館以及該區(qū)域的定位等實(shí)際情況，綜合考慮安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性和造型美觀等要求，共擬定了3個(gè)方案。

4.2.1方案一(預(yù)應(yīng)力混凝土拱形連續(xù)梁橋)

橋梁上部采用預(yù)應(yīng)力混凝土拱形連續(xù)梁橋，跨徑布置20m+7×30m+20m，全橋長(zhǎng)254.2m。方案效果圖立面圖和斷面圖分別如圖2(a)和(b)所示。上部結(jié)構(gòu)采用變高度的預(yù)應(yīng)力混凝土拱形連續(xù)梁，其中梁高從梁拱結(jié)合處最高為5.5m、最低為3.75m，跨中梁高1.1m。拱上主梁采用實(shí)心板(厚0.8m～0.9m)；箱梁頂板(厚0.28m～0.45m)和底板(厚0.22m～0.55m)也采用實(shí)心板；腹板厚0.6m～0.9m。箱梁底板邊線按圓曲線變化。下部結(jié)構(gòu)采用橋墩、承臺(tái)固結(jié)，下設(shè)直徑1.5m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。上部結(jié)構(gòu)主梁采用支架施工，下部結(jié)構(gòu)墩柱現(xiàn)澆施工，須筑島圍堰。

該方案提取了“海浪”作為設(shè)計(jì)元素，橋身整體采用白色利用外墻凹凸漆噴涂成”魚鱗”狀，結(jié)合輕巧的拱形，像海浪般極具動(dòng)感；如同魚鱗狀的拱形及表面裝飾紋理代表著竹嶼湖海水養(yǎng)殖的歷史。同時(shí)采用拱梁結(jié)構(gòu)能夠營(yíng)造出在寧靜的湖面“落霞與孤鶩齊飛，秋水共長(zhǎng)天一色”的景觀效果，大橋在湖面上平躺靜臥，不擾亂它的平靜。拱上實(shí)腹段至拱腳適當(dāng)開腹孔，增加立面變化。該橋圓形拱有韻律地起伏開展，靜臥于湖面，恰如微風(fēng)吹來激起的細(xì)浪，泛起漣漪。

(a)橋型總體布置立面圖(b)結(jié)構(gòu)斷面圖圖2 方案一效果圖

4.2.2方案二(V型墩-先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)制箱梁橋)

該方案為先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)制箱梁橋，橋梁由V型墩、墩頂系梁、支座以及先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)制小箱梁組成。跨徑布置32m+5×40m+32m，橋梁全長(zhǎng)269.0m，該方案效果立面圖和斷面圖分別見圖3(a)和(b)。上部主梁采用等高度預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，預(yù)制梁高1.4m。全橋分25m和15m預(yù)制梁段。主橋下部橋墩為順橋向V型，張角100°。橋墩橫橋向上寬下窄，墩頂設(shè)系桿，每幅橫橋向4個(gè)。橋墩、承臺(tái)固結(jié)，下設(shè)直徑1.2m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。承臺(tái)采用C30海工混凝土，承臺(tái)下設(shè)15cm厚度C15素砼墊層，墊層每側(cè)寬出承臺(tái)20cm。上部結(jié)構(gòu)主梁預(yù)制吊裝施工，下部結(jié)構(gòu)V墩采用支架法，現(xiàn)澆施工，須筑島圍堰。

該方案提取了“魚骨”作為設(shè)計(jì)元素，橋身整體采用白色涂裝，結(jié)構(gòu)仿照“魚骨”的排列，體現(xiàn)著近海的“魚”文化，直接裸露的橋梁結(jié)構(gòu)，極具韻律感。以飛鳥形狀的V型橋墩配合綿延的水岸和 “波明起鷗鷺”的原生態(tài)美景為前提，體現(xiàn)出大橋的韻律美。 V型墩、墩頂系梁構(gòu)成獨(dú)立的承重和傳力構(gòu)件。墩頂系桿完全置于小箱梁肋板之間，且全橋不單設(shè)分聯(lián)墩，增強(qiáng)形式與內(nèi)容的統(tǒng)一性，在給人一種現(xiàn)代與傳統(tǒng)相結(jié)合美感的同時(shí)，使之真正成為區(qū)域標(biāo)志性的景觀構(gòu)筑物之一。由于主梁與V型墩通過支座連接，結(jié)構(gòu)溫度次內(nèi)力、收縮徐變次內(nèi)力問題得以解決。主梁結(jié)構(gòu)采用預(yù)制小箱梁，先簡(jiǎn)支后連續(xù)的施工工藝，可縮短施工周期并降低工程造價(jià)。

(a)橋型總體布置立面圖(b)結(jié)構(gòu)斷面圖圖3 方案二效果圖

4.2.3方案三(變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋)

橋梁上部采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑布置20m+7×30m+20m，全橋長(zhǎng)254.2m，方案效果立面圖和斷面圖分別見圖4(a)和(b)。中支點(diǎn)梁高從邊跨往中跨3.2m、3.9m、4.5m 、4.8m，跨中梁高1.2m。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用方墩，承臺(tái)下接直徑1.8m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。上部結(jié)構(gòu)主梁采用有支架法，現(xiàn)澆施工，下部結(jié)構(gòu)橋墩位于水中，須筑島圍堰施工。

圓弧狀梁體造型取材于翻滾的波浪變化的白色線條，藍(lán)色的扇形裝飾面象征著平潭島獨(dú)有的“藍(lán)眼淚”奇觀。梁底采用圓弧曲線，側(cè)面帶凹凸的與主梁澆筑呈一體的立面裝飾線條。

(a)橋型總體布置立面圖(b)結(jié)構(gòu)斷面圖圖4 方案三效果圖

根據(jù)上述初步設(shè)計(jì)所擬3個(gè)方案，本文從橋型、跨徑布置、技術(shù)難度、景觀效果、施工周期、后期養(yǎng)護(hù)、總投資等角度對(duì)平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)竹嶼湖大橋進(jìn)行綜合比較，比較結(jié)果如表1所示。

表1 平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)竹嶼湖大橋方案比較表

首先，就橋梁造型與環(huán)境關(guān)系方面，3個(gè)方案橋梁造型簡(jiǎn)潔，均可與竹嶼湖融為一體，體現(xiàn)力與美的融合，對(duì)湖區(qū)標(biāo)志性景觀——平潭藝術(shù)博物館起到很好的烘托作用。

其次，就主跨跨徑方面，方案二采用V形支撐，可以有效減少計(jì)算跨度，兩V墩間最近的V撐距離可由40m降為25m，從而大大降低主梁彎矩，有效地避兔處于負(fù)彎矩區(qū)的橋面板開裂，從而降低主梁高度和自重，可在一定程度上節(jié)約材料用量，減少投資。

接著，就設(shè)計(jì)及施工難度方面，方案二采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)吊裝的施工方式，減少了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的工作量，可有效保證產(chǎn)品質(zhì)量。方案一和方案三均采用支架現(xiàn)澆的施工方式，施工難度較大，且施工周期較長(zhǎng)。除此之外，對(duì)于方案三采用變截面箱梁，設(shè)計(jì)難度較大，施工精度要求高，現(xiàn)場(chǎng)控制要求高[4]。

另外，就工程經(jīng)濟(jì)性方面，3個(gè)方案均采用混凝土為主材料，其中方案二采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系，施工難度較低，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)理想。方案一和方案三采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，施工難度較大，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)明顯增大。從該角度進(jìn)行考慮，方案二工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理，方案一及方案三次之。

最后，就結(jié)構(gòu)耐久性及養(yǎng)護(hù)方面，在設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量保證的前提下，方案一和方案二后期養(yǎng)護(hù)工作量較少，方案三由于采用變截面的結(jié)構(gòu)形式，后期管養(yǎng)工作量較大。

結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)總目標(biāo)，從景觀、設(shè)計(jì)施工難度、造價(jià)以及后期管養(yǎng)等方面進(jìn)行綜合考慮，竹嶼湖大橋推薦采用方案二，即V型墩-先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)制箱梁橋作為實(shí)施方案。

5 結(jié)論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)特別是城市橋梁的審美要求也日益增加。本文通過對(duì)平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)竹嶼湖大橋初步設(shè)計(jì)方案比選和論述，并結(jié)合以往設(shè)計(jì)項(xiàng)目的方案比選，得出如下幾點(diǎn)體會(huì)：

(1)城市橋梁橋型選擇需綜合考慮環(huán)境、施工工藝、造價(jià)等多種因素，選擇適合的橋型對(duì)烘托城市文化和景觀具有重大的意義。

(2)對(duì)于縱坡設(shè)置較小、河道較寬或橋梁凈空較小的城市橋梁，V型墩-連續(xù)梁結(jié)構(gòu)相對(duì)于其它V型墩梁式結(jié)構(gòu)受力更加合理，橋梁景觀效果更佳。

(3) 簡(jiǎn)潔纖細(xì)、流暢明快應(yīng)當(dāng)作為現(xiàn)代橋梁美學(xué)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)原則，同時(shí)橋梁的方案比選設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二者缺一不可，更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到更好的造型效果。