月山湖大道景觀橋方案設(shè)計(jì)

危玉蓉,熊 誠(chéng),李 靜,陳玉龍,梁慶學(xué)

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,湖北 武漢 430010)

1 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,城市建筑在滿足功能性需求的同時(shí)也有審美上的要求。在景觀橋梁設(shè)計(jì)中,需遵循橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)需結(jié)合自然環(huán)境、人文環(huán)境,制定最合理的城市景觀橋梁設(shè)計(jì)方案[1]。以月山湖大道景觀橋梁方案設(shè)計(jì)為例,從梧桐湖新區(qū)總體目標(biāo)出發(fā),結(jié)合區(qū)域的旅游主題定位,考慮到橋梁跨徑、橋位受高壓鐵塔的影響、項(xiàng)目周邊要發(fā)展為旅游水鄉(xiāng)小鎮(zhèn)等因素,選擇梁式橋和拱橋作為本方案主要備選橋型。對(duì)連拱橋及空心板裝飾拱橋作方案比選,月山湖一號(hào)橋選擇了九孔實(shí)腹式連拱橋作為推薦方案。本橋型方案打造了具有強(qiáng)烈識(shí)別性的景觀節(jié)點(diǎn),融入了城市濱水綠道、水鄉(xiāng)小鎮(zhèn)的自然景觀。

2 工程概述

梧桐湖新區(qū)作為武鄂黃城市帶上重要的戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn),在承接武漢市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移方面具有得天獨(dú)厚的地理和交通區(qū)位優(yōu)勢(shì)。武漢城市圈發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)為梧桐湖新區(qū)帶來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇。

梧桐湖新區(qū)的總體目標(biāo)為打造全國(guó)知名旅游度假勝地。梧桐湖新城的旅游主題定位為“雙湖連城,動(dòng)靜相宜”——塑造大武漢的生態(tài)魅力后花園和城市的活力游賞網(wǎng)絡(luò)。

梧桐湖新區(qū)市場(chǎng)定位如下:

國(guó)際認(rèn)知——偶發(fā)型旅游目的地,依托以武漢為首的周邊城市群,結(jié)合國(guó)際交流、會(huì)議展示、城市訪問(wèn)和度假休閑等,吸引高端商務(wù)人士、文化使者、創(chuàng)意一族和跨國(guó)游客。

國(guó)內(nèi)知名——國(guó)家5A級(jí)風(fēng)景區(qū),吸引全國(guó)度假休閑客游賞,吸引湖泊、濕地等環(huán)保組織和相關(guān)機(jī)構(gòu)到訪考察。

區(qū)域亮點(diǎn)——多次重游目的地,重點(diǎn)鎖定新生代的水上運(yùn)動(dòng)和時(shí)尚休閑客群,以及區(qū)域各地的體驗(yàn)游客。

本地?zé)狳c(diǎn)——面對(duì)創(chuàng)意旅游城的高知就業(yè)者和本地居民,塑造為眾人喜愛(ài)的日常漫步、運(yùn)動(dòng)休閑和觀景綠網(wǎng)。

梧桐湖新區(qū)水系資源豐富,中心為基于現(xiàn)狀月山湖規(guī)劃建成的主要人工景觀湖,周圍為連接城市內(nèi)部各個(gè)水域的城市河流。月山湖大道為梧桐湖新區(qū)總體規(guī)劃中確定的城市主干路,與鳳凰大道形成環(huán)形的主干道路網(wǎng),作為新區(qū)內(nèi)主要的交通干道,對(duì)于整個(gè)新區(qū)的交通聯(lián)系起著非常重要的作用。按照《湖北梧桐湖新區(qū)市政工程規(guī)劃》,月山湖一號(hào)橋橋位見(jiàn)圖1。

圖1 月山湖一號(hào)橋橋位圖(資料來(lái)源:1123新城用地布局規(guī)劃圖)

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 橋型選擇

在充分理解方案征集要求的基礎(chǔ)上,根據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)域特點(diǎn),推薦選擇梁式橋和拱橋作為本方案主要備選橋型,理由如下。

(1)懸索橋、斜拉橋、大跨徑鋼管拱橋不適合本次方案設(shè)計(jì)。

從橋型方案選擇上看,設(shè)計(jì)橋型主要在懸索橋、斜拉橋、拱橋、梁式橋之間選擇。

懸索橋使用歷史悠久,具有跨越能力大、造型美觀等特點(diǎn),是跨度1 000 m以上最具有競(jìng)爭(zhēng)力的橋梁結(jié)構(gòu)型式[2],但其造價(jià)高,施工技術(shù)要求高、難度大。

斜拉橋型是近60余年發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)體系,根據(jù)主梁、拉索的不同受力特點(diǎn),可分為普通斜拉橋和部分斜拉橋。對(duì)于普通斜拉橋而言,其經(jīng)濟(jì)跨度一般在200 m以上,故本次設(shè)計(jì)不研究懸索橋和普通斜拉橋方案。

鋼管拱橋、部分斜拉橋和連續(xù)剛構(gòu):單跨跨徑在100～200 m級(jí)別的橋梁中,此類橋型可供選擇。部分斜拉橋兼顧連續(xù)剛構(gòu)和普通斜拉橋的受力特點(diǎn),同時(shí)具有普通斜拉橋的挺拔造型,實(shí)用又美觀,但亦存在斜拉索后期養(yǎng)護(hù)和景觀要素沖突問(wèn)題,故不推薦部分斜拉橋結(jié)構(gòu)在本橋中使用。

月山湖一號(hào)橋橋位南側(cè)離高壓線距離較近,由于受跨徑及高壓線的限制,因此不宜在此做斜拉橋、懸索橋、中承、下承式拱橋及上部空間有造型的橋梁。

(2)梁式橋特點(diǎn)。

梁式橋具有外觀簡(jiǎn)潔、技術(shù)成熟、施工方便、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),是中小跨度橋梁中采用頻率最高的一種結(jié)構(gòu)型式。根據(jù)其受力情況的差異,可分簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)。

簡(jiǎn)支梁適用于小跨度,可考慮在引橋使用,簡(jiǎn)支梁根據(jù)主梁橫斷面不同,又可分為簡(jiǎn)支T梁、簡(jiǎn)支小箱梁、簡(jiǎn)支空心板、簡(jiǎn)支I型梁等。其中I型梁橋跨越能力稍差,特別是I型梁橋一般為組合橋面,后期維護(hù)困難,因此,不推薦在本項(xiàng)目中使用I型梁。

簡(jiǎn)支T梁與小箱梁在城市橋梁中使用較為廣泛,跨越能力較空心板大,設(shè)計(jì)中亦可考慮先簡(jiǎn)支吊裝,安裝后通過(guò)設(shè)置現(xiàn)澆連續(xù)段形成結(jié)構(gòu)連續(xù),增加行車的舒適度;連續(xù)梁橋跨越能力較簡(jiǎn)支梁好,主梁斷面基本上以箱形斷面為主,施工主要以滿布支架現(xiàn)澆或采用移動(dòng)模架法現(xiàn)澆施工,造價(jià)稍高,結(jié)合橋位區(qū)域特點(diǎn),空心板、簡(jiǎn)支T梁、小箱梁、連續(xù)梁橋均可在本項(xiàng)目中考慮使用。

與連續(xù)梁相比,連續(xù)剛構(gòu)一般可以節(jié)省支座費(fèi)用,梁高在同等跨度下較連續(xù)梁低,適用于墩高較高的情況,但由于溫度力等縱向水平力對(duì)墩身推力等作用,下部結(jié)構(gòu)的造價(jià)一般會(huì)有大幅增加。在墩高較低的情況下,可考慮采用中小跨度的連續(xù)梁,以減少水平力對(duì)基礎(chǔ)的影響。由于橋型方案需滿足景觀要求,與城市濱水綠道、水鄉(xiāng)小鎮(zhèn)的自然景觀相協(xié)調(diào),故在本次方案設(shè)計(jì)中亦不考慮中小跨徑的連續(xù)梁橋。

(3)拱橋的特點(diǎn)。

中國(guó)的拱橋始建于東漢中后期,已有1 800余年的歷史。它是由伸臂木石梁橋、撐架橋等逐步發(fā)展而成的。由于在形成和發(fā)展過(guò)程中的外形都是彎曲的,所以古時(shí)常稱為曲橋。拱橋造型優(yōu)美,曲線圓潤(rùn),富有動(dòng)態(tài)感。單拱的如北京頤和園玉帶橋,拱券呈拋物線形,橋身用漢白玉,橋形如垂虹臥波。多孔拱橋適于跨度較大的寬廣水面,常見(jiàn)的多為三、五、七孔。多孔橋孔數(shù)以奇數(shù)為多,偶數(shù)較少。多孔拱橋,當(dāng)某孔拱圈受荷時(shí),能通過(guò)橋墩的變形或拱上結(jié)構(gòu)的作用將荷載由近及遠(yuǎn)地傳遞到其他孔拱圈上去,這樣的拱橋稱為連拱橋。一般是中孔最大,兩邊孔徑依次按比例遞減,橋墩纖薄輕巧,全橋協(xié)調(diào)勻稱,如著名的頤和園十七孔橋。

拱橋的橋型優(yōu)雅而流暢,觀賞效果好,如美麗彩虹浮現(xiàn)于城市山水之間,極具觀賞效果,拱肋在夜間配上彩色的燈光效果,可成為城市中一道靚麗的風(fēng)景線。從結(jié)構(gòu)技術(shù)上看,拱橋受力合理、明確、跨越能力大和承載潛力大,由于墩、拱剛性連接,無(wú)需昂貴的大噸位支座,免去其養(yǎng)護(hù)、更換的麻煩,在我國(guó)城市景觀橋型中的使用頻率較高,尤其多見(jiàn)于江南水鄉(xiāng)。因此,拱橋可作為本方案的主要備選橋型。

3.2 方案設(shè)計(jì)

在適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀四原則和諧統(tǒng)一的指導(dǎo)思想下,對(duì)適宜的橋型方案進(jìn)行對(duì)比分析。

月山湖大道一號(hào)橋北瞰月山灣旅游服務(wù)中心,南臨水鄉(xiāng)小鎮(zhèn)特色度假區(qū),位于月山湖和水鄉(xiāng)小鎮(zhèn)的銜接處,湖水沿岸是生態(tài)濕地,整體空間效果圖見(jiàn)圖2。

圖2 整體空間效果圖

(1)方案一(推薦方案):九孔連拱橋,方案一立面圖見(jiàn)圖3。

圖3 月山湖大道一號(hào)橋方案一立面圖

橋長(zhǎng)148.4 m,主拱為75 cm厚的鋼筋混凝土板拱,最大孔徑16 m,兩邊孔徑依次為15、13、11、10 m,常水位時(shí),拱圈頂至常水位高度依次為8、7.6、6.4、5.2、4.5 m。橋面標(biāo)高擬定為24.36 m,橋臺(tái)標(biāo)高為19.702 m。

橋拱掩藏于濱水濕地綠蔭之中,濕地綠化與拱橋外觀色彩對(duì)比鮮明,但協(xié)調(diào)統(tǒng)一。橋梁體態(tài)多姿、線條流暢,橋下碧波蕩漾、倒影成環(huán)。采用鋼制鑄造石復(fù)合欄桿,窗格設(shè)計(jì),將古典及現(xiàn)代材料有機(jī)融合。整橋欄桿簡(jiǎn)潔、大方、綠色環(huán)保。橋梁側(cè)面采用石材干掛式的裝飾,將古典與現(xiàn)代風(fēng)格完美地融合在一起。“水鄉(xiāng)小鎮(zhèn)拱橋行,一傘恰若黑穹星。月夜荷塘展畫(huà)卷,夢(mèng)境伴唱是蛙鳴?！睒蛄赫w與水鄉(xiāng)小鎮(zhèn)渾然一體,恰似一幅淡雅的水墨畫(huà)卷。

(2)方案二:七孔空心板裝飾拱橋,方案二立面圖見(jiàn)圖4。

圖4 月山湖大道一號(hào)橋方案二立面圖

橋長(zhǎng)148.4 m,為7跨20 m空心板外裝飾拱橋,梁底至常水位高度依次為4、3.87、3.47、2.97 m。橋面標(biāo)高擬定為24.36 m,橋臺(tái)標(biāo)高為22.61 m。

橋梁縱坡較緩,更利于行車。橋型簡(jiǎn)潔明快、質(zhì)樸清新、富有動(dòng)感,為水鄉(xiāng)添上了一抹絢麗的色彩。坐游船徜徉水上,領(lǐng)略水鄉(xiāng)秀麗風(fēng)光,頗有“如在鏡中游”之趣。

(3)方案三:五孔連拱橋,方案三立面圖見(jiàn)圖5。

圖5 月山湖大道一號(hào)橋方案三立面圖

橋長(zhǎng)148.4 m,最大孔徑30 m,兩邊孔徑依次為25 m、20 m,拱圈距常水位高度依次為7.7、6.97、5.3 m。橋面標(biāo)高擬定為24.36 m,橋臺(tái)標(biāo)高為19.702 m。

該方案橋梁線型優(yōu)美,拱圈跨徑大,視野通透。主拱上增設(shè)腹拱,既減輕自重,又能增加景觀效果。

(4)月山湖大道一號(hào)橋方案比選,詳見(jiàn)表1。

表1 月山湖大道一號(hào)橋方案比選

4 月山湖大道推薦方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 上部結(jié)構(gòu)

月山湖一號(hào)橋?yàn)榫趴讓?shí)腹式連拱橋,橋?qū)?2 m,凈跨徑布置為:10+11+13+15+16+15+13+11+10=113 m,橋型立面圖見(jiàn)圖6。主拱為鋼筋混凝土半圓拱,拱圈半徑為500～800 cm,拱圈厚度為65～80 cm,側(cè)墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),頂部寬為75 cm,外側(cè)為大理石鑲面。拱腳處設(shè)有C15片石混凝土護(hù)拱,厚約1.5～3.0 m,上面鋪設(shè)一層防水層,再上面為50 cm厚的卵石導(dǎo)濾層,中間為二灰土填料。

圖6 月山湖大道一號(hào)橋橋型立面圖(單位:cm)

4.2 下部結(jié)構(gòu)

橋墩下部構(gòu)造為拱座、承臺(tái)接樁基礎(chǔ);U型橋臺(tái),拱座、承臺(tái)接樁基礎(chǔ)。橋墩承臺(tái)厚度為2.5 m,A類承臺(tái)寬為3.55 m,基礎(chǔ)為一排7根Φ1.5 m的鉆孔灌注樁;B類承臺(tái)寬為5.7 m,基礎(chǔ)為兩排7根Φ1.2 m的鉆孔灌注樁。橋臺(tái)承臺(tái)厚度為2.2 m,橋臺(tái)基礎(chǔ)為兩排7根Φ1.2 m的鉆孔灌注樁。

5 橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

采用同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的橋梁有限元分析軟件《橋梁博士》進(jìn)行靜力分析。拱圈采用無(wú)鉸拱,建立模型、劃分單元,有限元模型如圖7所示。

圖7 有限元模型圖

5.1 承載能力極限狀態(tài)強(qiáng)度驗(yàn)算

圖8為承載能力組合Ⅰ最大抗力與最大抗力對(duì)應(yīng)內(nèi)力圖,圖9為承載能力組合Ⅰ最小抗力與最小抗力對(duì)應(yīng)內(nèi)力圖,主拱圈承載能力極限狀態(tài)下的正截面抗彎強(qiáng)度滿足要求。

圖8 最大抗力與最大抗力對(duì)應(yīng)內(nèi)力圖(單位:kN·m)

圖9 最小抗力與最小抗力對(duì)應(yīng)內(nèi)力圖(單位:kN·m)

5.2 裂縫驗(yàn)算

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)第6.4.1規(guī)定,鋼筋混凝土構(gòu)件和B類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,應(yīng)按作用頻遇組合并考慮長(zhǎng)期效應(yīng)的影響驗(yàn)算裂縫寬度。圖10為正常使用組合Ⅰ下緣裂縫圖,可以看出,主拱圈裂縫均<0.2 mm,滿足規(guī)范要求。

圖10 下緣裂縫圖(單位:mm)

5.3 撓度驗(yàn)算

依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)第6.5.3條規(guī)定,主拱圈正常使用極限狀態(tài)(頻遇組合)計(jì)算結(jié)果為最大位移=6.1 mm,小于計(jì)算跨徑的1/600,16 000/600=26.7 mm,滿足要求。

5.4 橫向穩(wěn)定性驗(yàn)算

該橋?qū)捒绫?1/20,橫向穩(wěn)定性可以不進(jìn)行驗(yàn)算。

經(jīng)計(jì)算,上部結(jié)構(gòu)拱圈各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

“景觀橋梁的最大特點(diǎn)是景觀橋梁因地制宜,與其周圍環(huán)境相互適應(yīng),有機(jī)結(jié)合成為一個(gè)整體”[3]。路、橋、水、船、環(huán)境要渾然一體,整個(gè)區(qū)域要給人以美的享受,它的美要表現(xiàn)在整體上,構(gòu)成一幅獨(dú)特的風(fēng)景畫(huà)卷。本方案設(shè)計(jì)結(jié)合梧桐湖新區(qū)總體規(guī)劃及區(qū)域的旅游主題定位,從“與環(huán)境協(xié)調(diào)”的角度出發(fā),通過(guò)景觀橋、濱水步道形成豐富的交通系統(tǒng),打造獨(dú)一無(wú)二的濱水藝術(shù)景觀。對(duì)推薦的連拱橋方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算,計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。綜上所述,景觀橋方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮融合自然環(huán)境、地域文化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求,兼顧結(jié)構(gòu)受力特性,體現(xiàn)功能與景觀的統(tǒng)一。