金叔陽
(上海城建市政工程(集團)有限公司,上海市 200065)
雙跨曲線鋼桁架海鷗橋的結構與美學分析
金叔陽
(上海城建市政工程(集團)有限公司,上海市 200065)
海鷗橋為人行景觀鋼桁架橋,跨徑組合為70+50 m。結合海鷗橋的設計全過程,主要介紹了總體設計思路、景觀美學與結構受力融合分析,有關經(jīng)驗可供相關專業(yè)人員參考。
景觀橋梁;鋼桁架橋;美學
隨著城市的不斷發(fā)展,人類對于城市的生活品質要求也逐步增高,而橋梁作為城市或景區(qū)中的公共建筑,其“景觀主體”和“景觀載體”的功能也會越來越凸顯出來。人行景觀橋梁,作為城市或景區(qū)內通濟利涉的公共建筑品,在力學規(guī)律和美學法則的支配下,通過精心設計和精心施工而成,是人文科學、工程技術和藝術三位一體的產(chǎn)物[1]。在不同的環(huán)境、不同結構跨度和不同的承載要求下,其景觀設計需借助適宜的美學景觀造型和獨特的橋梁造型來出現(xiàn)地表現(xiàn)藝術與力學互相融合的空間魅力。
膠州灣產(chǎn)業(yè)新區(qū)地處青島擁灣發(fā)展核心圈層,是青島“環(huán)灣保護、擁灣發(fā)展”重點規(guī)劃、率先啟動的四大片區(qū)之一,也是青島市產(chǎn)業(yè)升級和城市拓展的重要平臺。
本工程位于青島膠州灣產(chǎn)業(yè)新區(qū),擬建人行橋位于躍進河上如意湖與躍進河交接區(qū)域。本工程人行橋跨徑布置為70 m+50 m,總長120 m,橋寬7.9 m,臺后設置摩阻板,兩岸道路與橋梁順接。
(1)氣象
青島地區(qū)歷年最高氣溫37.5℃,最低氣溫-16.4℃,歷年平均氣溫12.2℃;歷年相對濕度73%;瞬間最大風速44.2 m/s,累年平均風速5.5 m/s,年平均受臺風侵襲或外圍影響13次。
(2)地質條件
根據(jù)野外鉆探揭露、靜探資料及室內土工試驗,勘察場地地層除1層素填土外,其下地層均由第四紀海陸相沉積的淤泥質土、粉質粘土、粘土及砂土構成。擬建橋梁采用鉆孔灌注樁基礎,選用4層粘土作為樁端持力層。
(3)主要技術標準
a.荷載標準:設計人行荷載為5 kN/m2。
b.通航標準:按游船凈空控制,通航凈高不小于2.2 m,凈寬不小于15 m。
c.橋梁標準橫斷面布置:0.45 m(人行欄桿)+7.0 m(人行道)+0.45 m(人行欄桿)=7.9 m。
d.抗震設防烈度:6度,設計基本地震動加速度峰值:0.05g;抗震措施:7度。
e.設計基準期:50 a。
人行橋作為城市的重要人造景觀,力求造型美觀、結構新穎、形式多樣[2]。擬建景觀橋橋位處,河道規(guī)劃寬度為115 m。根據(jù)景區(qū)規(guī)劃及業(yè)主要求,河道有游船通行的要求,橋梁方案需采用單跨或兩跨方案,盡量減少水中落墩。
青島臨海,銀鷗和黑尾鷗常駐于此;同時每年10月,青島都會迎來南遷的紅嘴鷗。成群的海鷗在天空中自由翱翔,時而追逐魚群,時而追逐嬉鬧,時常呈現(xiàn)出萬鷗齊飛的景象。經(jīng)過方案比選,橋型方案中融入海鷗的概念,突出人造景觀與自然景觀的融合,橋梁方案考慮采用兩跨方案,外形采用“海鷗”形的半開口式桁架結構體系。主題結構顏色采用中國紅,在碧水藍天之間勾勒出橋梁的線形美感,見圖1。
圖1 海鷗橋實景照片
(1)總體布置
海鷗橋為人行鋼桁架橋,跨徑組合為70 m+50 m,橋面寬度為0.45 m(欄桿)+7.0 m(人行道)+0.45 m(欄桿)=7.9 m;桁架采用變高截面,曲線非規(guī)則變化。橋型總體立面布置見圖2。
圖2 海鷗橋總體布置圖(單位:mm)
(2)上部結構設計
拱肋為多條圓弧順接的擬合曲線,兩跨拱結構形成海鷗飛翔造型。
桁架上、下弦桿均采用焊接T型斷面。上弦桿梁高500 mm,翼板寬450 mm,翼緣與腹板厚均為30 mm;下弦桿標準段梁高同上弦桿,在墩臺位置梁高局部漸變加高至700 mm,翼緣的厚度與寬度、腹板的厚度均不變。
內、外斜腹桿均采用型號為L200×20的單角鋼,角鋼直接與上、下弦桿的腹板焊接。外斜腹桿與內斜腹桿相交位置采用厚度為30 mm的節(jié)點板焊接。
豎向斜撐采用型號為L200×20的單角鋼,端部與內斜腹桿通過厚度為12 mm的節(jié)點板焊接;豎向斜撐相交點也通過厚度為12 mm的節(jié)點板焊接相連。
上橫桿采用焊接異形工字鋼斷面。翼板、腹板厚度均采用12 mm。下翼板與腹板垂直相交,上翼板根據(jù)橋面順橋向變化與腹板形成一定夾角。上橫桿內按400 mm間距設置數(shù)道厚度為8 mm的加勁肋。上橫桿端部與內斜腹桿之間采用熔透焊連接。
下橫桿采用型號為L200×20的雙角鋼,雙角鋼之間填板厚度采用10 mm。下橫桿端部直接與下弦桿的翼板焊接。
下橫桿水平斜撐采用型號為L200×20的單角鋼,端部與下弦桿的翼板通過厚度為12 mm的節(jié)點板焊接;下橫桿水平斜撐相交點也通過厚度為12 mm的節(jié)點板焊接相連。
橋面縱梁采用型號為I 16的工字鋼,縱梁底面與上橫桿上翼板焊接相連。橋面縱梁上鋪設防腐木材橋面板,形成橋面體系。
上部結構材料均選用Q345。
(3)下部結構設計
下部結構橋臺采用重力式橋臺,基礎采用鉆孔灌注樁,樁基直徑為800 mm。橋墩采用一字型橋墩,基礎采用鉆孔灌注樁,樁基直徑為1 000 mm。
(4)邊界處理
橋墩、橋臺采用預埋鋼板,桁架在支撐處設置節(jié)點板及加勁板,桁架主體結構利用節(jié)點板將外力傳遞至基礎上。
(5)橋面鋪裝
橋面鋪裝采用5 cm厚菠蘿格防腐木。
(6)人行欄桿
本橋欄桿設置鋼立柱,設置不銹鋼拉索,形成人行欄桿防護系統(tǒng)。
本橋利用MIDAS/Civil 7.8.0對上部結構進行建模計算,全橋采用梁單元,建立三維空間有限元模型。其中桁架構件均采用空間梁單元模擬。全橋共有726個節(jié)點,1 417個單元。荷載考慮了自重、二期恒載、人群荷載、整體溫差、基礎變位。全橋計算模型見圖3。
圖3 全橋三維模型
(1)靜力分析
考慮不利工況的組合,全橋上、下弦桿最大拉應力為180.1 MPa,最大壓應力為184.2 MPa;斜腹桿最大拉應力為166.2 MPa,最大壓應力為149.6 MPa;斜撐的最大拉應力為101.3 MPa,最大壓應力為78.7 MPa。各構件應力滿足規(guī)范要求。
(2)特征值分析
本鋼桁架橋豎向整體剛度較橫向剛度大,且抗扭剛度較小。橋梁一階自振模態(tài)為大跨跨中橫向彎扭,一階橫向彎扭自振頻率為2.59 Hz;一階豎彎自振頻率為6.80 Hz,滿足規(guī)范要求。
(3)穩(wěn)定性分析
考慮結構自重、二期恒載、人群荷載下的整體穩(wěn)定性分析,一階整體穩(wěn)定系數(shù)為11.6,表現(xiàn)為大跨段上弦桿面外失穩(wěn),滿足規(guī)范要求。
斜腹桿分位于上下弦桿腹板內外兩側,內、外斜腹桿通過節(jié)點板相連,由此控制構件的面內長細比。內、外斜腹桿平面內最大長細比為60.1,平面外最大長細比為97.6。滿足規(guī)范要求。
橋梁結構之美在于獨特的造型,合理的比例尺度,生動的韻律和色調、明暗與裝飾的適當匹配,其中應把橋梁結構的造型和諧與良好的比例放在首位,使之具有秩序感和韻律感[3]。本橋突出景觀性與整體受力合理性的融合,在保證結構受力合理性的前提下,盡可能使得橋梁景觀突出。主要總結為以下四個方面:
(1)橋梁整體線形與結構受力狀態(tài)的匹配。大跨連續(xù)梁橋結構中支點剪力較大,跨中正彎矩較大。本橋利用連續(xù)梁橋結構特性,將梁高施以大膽的曲線變化比例,增大中支點梁高,同時減少兩跨跨中梁高,借此展現(xiàn)出了海鷗飛翔的曲線形狀,將結構景觀融合進當?shù)氐淖匀?、文化背景中;同時配以合理、大膽的比例,加以中國紅的色彩,使得橋梁整體個性張揚卻不失美感。
(2)整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性與景觀融合。本工程為大跨景觀鋼桁架橋,結構組合方式卻有別于常規(guī)的車行鋼桁架橋。本橋整體梁高較高,斜腹桿互為交叉,整體穩(wěn)定性較好;同時,本橋斜腹桿采用豎向交叉型式連接,但同時又互為三等分,有效減少了面內長細比,局部穩(wěn)定性得到滿足。從橋梁整體立面上看,斜腹桿錯落有致,韻律協(xié)調,景觀效果良好。
(3)“大體型”與“少用鋼量”的結合。全橋鋼材重量為162.85 t,每平方米橋面鋼材用量指標為171 kg,結構整體輕巧;同時,全橋總長120 m,凈寬7 m,最大梁高約9 m;橋梁整體壯闊,但各構件簡潔輕巧,由此盡顯結構的簡潔美。人行橋的輕盈雅致也通過合理的結構比例體現(xiàn)地淋漓盡致。
全橋大部分構件均采用成品型鋼。型鋼的優(yōu)勢在于不需再增設加勁肋,且可從廠家統(tǒng)一采購,構件質量可得到充分保障。
(4)結構主受力構件與附屬結構的融合。本橋除了各構件受力得到盡可能優(yōu)化之外,也利用上弦桿與互為交叉的斜腹桿,形成橋梁欄桿輪廓及外立面,將主受力構件與附屬結構融為一體,更加凸顯結構的簡潔美。
(1)人行景觀橋由于荷載相對較小,可設計出風格迥異的景觀。設計師需要結合當?shù)氐娜宋沫h(huán)境、地域特色,將文化融于橋梁結構中,達到人造橋景與地域特色的統(tǒng)一。
(2)橋梁景觀與結構受力盡可能互相融合,在繁復中體現(xiàn)簡潔,不失為一種景觀人行橋梁的設計思路。
[1]楊士金,唐虎翔.景觀橋梁設計[M].上海:同濟大學出版社,2003.
[2]陳艾榮,盛勇,錢鋒.橋梁造型[M].北京:人民交通出版社,2005.
[3]鞏春領,陶海.人行橋造型設計藝術與構思[J].城市道橋與防洪,2005(5):1-5.
U448.21+1
B
1009-7716(2016)06-0098-03
2016-02-25
金叔陽(1986-),男,浙江義烏人,工程師,從事橋梁設計工作。