長沙梅溪湖節(jié)慶島浮橋結構設計

曾令權，李 磊，周 濤

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶 401121)

梅溪湖國際新城是湘江新區(qū)開發(fā)的重點片區(qū)，長沙梅溪湖節(jié)慶島浮橋位于梅溪湖旅游觀光區(qū)內(nèi)，連接南側中央綠軸廣場與湖中節(jié)慶島。北岸為商業(yè)用地，音樂噴泉、文化藝術中心，均已投入使用；南側是居住用地，南岸行人到達北側環(huán)湖路的通道只有通過梅溪湖大橋繞行，距離較遠。為能將南側地塊與節(jié)慶島連通，與既有1#人行橋一并構成貫穿湖岸南北側的快速人行通道，節(jié)慶島橋的建設迫在眉睫。

1 浮橋總體布置

梅溪湖節(jié)慶島橋位所在湖區(qū)內(nèi)水質(zhì)現(xiàn)狀良好，傳統(tǒng)水下基礎施工方式對周邊水質(zhì)影響較大；湖面開闊，濱江步道及船行對視角有較高的景觀需求，橋位兩側為人行步道，施工機械進出困難；綜合周邊環(huán)境品質(zhì)、景觀和施工影響考慮，本橋湖面主要區(qū)域均采用浮橋結構[1-3]，同時考慮游船通航需求，在近北岸側設置混凝土剛架通航孔，建成后整體鳥瞰圖如圖1所示。

圖1 建成后實景

根據(jù)岸側連接點折線布置，主浮橋長276.58 m，通航孔長23.6 m，南岸側靠近廣場區(qū)設置綠植平臺和游船碼頭區(qū)，主橋橋面寬度為0.2 m(欄桿)+6 m(人行道)+0.2 m(欄桿)=6.4 m。主浮橋、綠植平臺、游船碼頭區(qū)采用浮橋支撐+鋼縱橫梁體系，縱向間隔約40 m橋面橫向兩側設置預制混凝土定位方樁，通航孔采用混凝土剛架結構，主梁采用混凝土板槽型斷面，標準斷面兩側高60 cm，根部斷面處橫向兩側高80 cm，中間高度統(tǒng)一為30 cm的混凝土板。浮箱、橋面系設計年限為25年；定位樁等主體結構按50年設計年限考慮，橋梁平面總體布置如圖2所示。

圖2 浮橋總體布置

2 浮箱結構設計

浮箱為浮橋主要承重結構，采用玻璃鋼復合材料(FRP)，具有自重輕、抗拉強度高、耐腐蝕性強等特點[4-6]。構件理化性能要求：抗紫外線照射和長期水泡環(huán)境下的老化壽命不低于30年，且30年內(nèi)的力學性能衰減比例不大于15%，浮箱批量加工前需通過不少于24 h的密閉性和抗壓性能試驗。

浮箱采用半圓柱形狀，其結構組成如圖3所示。內(nèi)壁設置隔板及加勁肋增強箱壁剛度，內(nèi)部隔板間完全封閉并獨立設置注水孔，保證箱體注水對成橋線形的平衡控制，同時即使局部漏水發(fā)生時，整個箱體也不至于發(fā)生破壞下沉。浮箱頂設置矩形空心型鋼焊接制作的框架，其將橋面荷載分布至浮箱的箱壁和隔板，框架頂面設置4對帶銷孔的基座用來與橋面系連接?？蚣芘c箱體間加設隔水板，使鋼框架與箱體內(nèi)用于調(diào)節(jié)重量的水體隔開，增強鋼框架防腐性能。箱體頂部由玻璃鋼蓋板將框架及浮箱主體扣為一體。箱體半圓柱形半徑為1.2 m，寬度6.2 m，縱向長度2.6 m，2個浮箱間縱向留10 cm空隙，適應箱體變形。

注：1—箱體蓋板；2—鋼框架；3—隔水蓋板；4—浮箱主體。

3 浮橋橋面系設計

3.1 橋面縱橫梁體系

浮箱自身為柔性結構，為提高其整體剛度，浮橋橋面系采用成品矩形鋼管焊接組裝形成縱橫梁體系，且全部采用定型鋼制構件，并通過螺栓或焊接連接固定，整體剛度加大，人行舒適度極佳。每個主浮箱頂設置1道橫梁，通過預埋基座將橫梁與浮箱固定。橫梁采用200 mm×100 mm×8 mm成品矩形鋼管，每道橫梁上設置6道160 mm×160 mm×8 mm成品矩形鋼管縱梁，縱橫梁間用焊接加勁板與M20螺栓連為一體。橋面系平面布置如圖4所示。

單位：mm

根據(jù)橋面整體受力與變形，將鋼縱梁分為若干聯(lián)，聯(lián)與聯(lián)之間設置特殊鉸接裝置,如圖5所示。該構造裝置既將橋面系連為整體，又能在受力不均的情況下適應橋面變形[7-8]。分聯(lián)處縱梁端部兩側各自不對稱焊接16 mm、24 mm、8 mm、16 mm鋼板，鋼板上開設直徑為36 mm的銷孔，安裝就位后采用直徑為32 mm銷棒連接固定。

(a)橋面系鉸接裝置剖視圖

考慮橋面系長期臨近湖面水體，鋼構件涂裝體系按環(huán)境C5-M選用，其中外涂裝采用熱噴鋁+環(huán)氧封閉漆+環(huán)氧云鐵漆+聚硅氧烷面漆，總涂層厚度為370 μm，內(nèi)涂裝為環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵漆+環(huán)氧(厚漿)漆，總涂層厚度為260 μm。鉸接用連接螺栓表面進行鋅鎳滲層，滲層厚度≥80 μm，中性鹽霧試驗普通鋼筋防腐≥3 000 h，增加構件防腐性能。

3.2 浮橋與岸側過渡聯(lián)系梁設計

水域中浮橋為柔性構件，將隨水位的變化、人群荷載的作用而變位，而岸側基礎為剛性結構。為保證岸側與浮橋的有效貫通，同時實現(xiàn)兩者間的有效過渡，需設置聯(lián)系梁構件使其連接以供通行。目前應用較多的是在岸側設置成品斜坡鋼梯連接水域浮橋和陸域岸側，該做法具有較好的通行性，但水位變化適應性及景觀融入性較差[9]。

(a)過渡聯(lián)系梁整體布置

4 定位樁設計

浮橋豎向支撐采用浮箱結構，為增強主橋結構的橫向穩(wěn)定性和限制浮橋橫向變形，縱橋向約40 m設置一組鋼筋混凝土預制定位方樁，其尺寸為500 mm×500 mm。工廠預制完成后，現(xiàn)場利用打樁船依序定位實施。定位樁上設置鋼套箍，并與鋼橫梁懸臂部分焊為一體，鋼套箍與定位樁間各側留80 mm間隙，適應在風、波浪力等作用下的橫向變位。定位樁構造設計如圖7所示。

(a)橫斷面布置

5 浮橋施工方案

為減少施工對現(xiàn)場水質(zhì)環(huán)境的污染，浮橋結構所有構件采用工廠預制，主要施工流程如下：1)混凝土定位樁工廠預制后運至橋位處，利用打樁船依序定位施工；2)工廠完成浮箱箱體、橋面系縱橫梁加工，運至現(xiàn)場后分聯(lián)將縱橫梁與浮箱連為一體，利用浮箱自身浮力，將一聯(lián)結構運至橋位處定位架設；3)現(xiàn)場在浮箱結構上鋪設橋面FRP人行道板及欄桿等附屬構件。該方法極大地提高了施工效率，降低了現(xiàn)場施工污染，減少了大型吊裝及運輸機械的投入。

6 浮橋結構計算

6.1 整體計算

利用有限元軟件Midas Civil 2015對浮橋鋼縱橫梁結構建立空間梁單元模型，定位樁作為橫向約束，浮箱作為豎向彈性支撐，縱梁分聯(lián)處鉸接連接[10-11]。計算荷載含橋面恒載、人群荷載、整體升降溫、波浪力、風荷載；其中人群荷載取4 kN/m2，整體升降溫為25 ℃，波浪力為2 kN/m2，風荷載為0.38 kN/m2。

計算結果如下：1)鋼主梁承載能力組合下，鋼梁最大應力為δ=209.5 MPa<[δ]=275 MPa；2)人群荷載作用下浮橋縱橫梁最大位移為500 mm，成橋狀態(tài)時浮箱頂距水面600 mm；3)浮橋結構應力、位移滿足規(guī)范及使用要求[12-13]；4)通過結構動力特性分析，第1階豎向自振頻率為1.01 Hz，未在人行荷載激勵下固有頻率的臨界范圍1.25 Hz≤Fi≤2.3 Hz內(nèi)，不會發(fā)生使人產(chǎn)生不舒適的豎向振動現(xiàn)象[14-15]，經(jīng)過1年多的開放通行，人行舒適度良好。

6.2 浮箱計算

浮箱為FRP材料，具有強度高、彈性模量及層間剪切強度低的特性，采用有限元軟件ANSYS 12.0對FRP浮箱進行分析計算，計算荷載工況包括成橋狀態(tài)和最不利人群荷載作用下2種，并對浮箱的強度、變形等指標進行驗算，浮箱采用shell63單元模擬，限于篇幅，僅列出最不利人群荷載作用下的計算結果，如圖8所示。

(a)約束及荷載(最不利人群荷載作用下)

計算結果如下：

1)成橋時，最大位移為1.248 mm，相對變形量為1.248/2 400=0.05%<0.5%；最大應力為3.92 MPa；強度安全系數(shù)為100/3.92=25.51>10；穩(wěn)定性安全系數(shù)為12.6>2.5。以上各參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

2)最不利人群荷載作用下，最大豎向位移為6.288 mm，相對變形量為6.288/2 400=0.262%<0.5%；最大應力為9.953 MPa；強度安全系數(shù)為100/9.953=10.05>10；穩(wěn)定性安全系數(shù)為5.02>2.5。以上各參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

7 結束語

1)在既有內(nèi)湖景區(qū)內(nèi)，水位變化不明顯，實施人行通道建設時，為避免對湖內(nèi)水質(zhì)環(huán)境造成污染，橋梁所有構件采用預制建造非常必要，且施工效率高、污染小。

2)本橋首次提出采用的FRP浮箱質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕性好，其結構設計在成橋狀態(tài)和最不利人群荷載作用下，其最大應力和相對變形、強度安全系數(shù)和穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3)浮橋橋面系采用縱橫梁體系，整體剛度大，人行舒適性好。

4)定位樁采用預制混凝土方樁，工廠預制，現(xiàn)場打樁船實施，無施工污染產(chǎn)生。

5)該浮橋組合體系的應用，具有較好推廣優(yōu)勢。