曹 陽(yáng),錢(qián) 盈,曾向往
(湖北省城建設(shè)計(jì)院股份有限公司,湖北 武漢 430051)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、審美水平的提高與橋梁技術(shù)的不斷進(jìn)步,人們要求具有交通功能的橋梁建筑不僅只具有安全性和實(shí)用性,還要求其具有美觀性和獨(dú)特性。為適應(yīng)這樣的市場(chǎng)需求,橋梁設(shè)計(jì)者們通過(guò)創(chuàng)新手段設(shè)計(jì)出多樣化的橋梁建筑形式,不僅滿足了人們的審美需求,還美化了城市的形象,在城市的建設(shè)發(fā)展過(guò)程中起到了積極的作用。本文以新疆雙河紅星之門(mén)景觀人行橋?yàn)槔U述城市景觀人行橋的設(shè)計(jì)[1-3]。
紅星之門(mén)景觀人行橋位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第五師雙河市,是雙河城市中軸水系景觀工程中跨越主干道光明路銜接兩側(cè)綠道的一座人行景觀橋。該橋跨徑布置為3×32 m+(32+32+26)m+3×30 m,橋梁總長(zhǎng)282.08 m,橋梁全寬為5 m,橋梁的上部結(jié)構(gòu)為鋼箱梁加空間拱造型、橋墩為花瓶墩接承臺(tái)樁基。
如圖1所示,項(xiàng)目所在地位于雙河市的星河水系,結(jié)合城市設(shè)計(jì),以“絲路文化”為主題,打造一個(gè)絲路新驛站。紅星之門(mén)景觀人行橋位于星河景觀主軸帶的中部,是景觀帶的制高點(diǎn)。橋梁的美學(xué)設(shè)計(jì)既要滿足慢行交通的功能要求,還要融合濱水藝術(shù)區(qū)的藝術(shù)文化特點(diǎn),成為星河景區(qū)的藝術(shù)地標(biāo)。俯視景區(qū),紅星之門(mén)景觀人行橋像一條舞動(dòng)的絲帶,與潺潺的流水相得益彰,彰顯了雙河市絲路文化的地域特色。側(cè)面看來(lái),紅星之門(mén)景觀人行橋像一只展翅高飛的雄鷹,預(yù)示著雙河市欣欣向榮,高速發(fā)展!
圖1 紅星之門(mén)景觀人行橋效果圖
該橋的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):
(1)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期:100 a;
(2)設(shè)計(jì)使用年限:100 a;,
(3)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí):一級(jí);
(4)橋下機(jī)動(dòng)車(chē)道凈高不小于4.5 m,非機(jī)動(dòng)車(chē)道凈高不小于2.5 m,人行道凈高不小于2.5 m;
(5)人群荷載:約4.2 kN/m2(根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69-95)計(jì)算);
(6)設(shè)計(jì)基本風(fēng)速:51 m/s;
(7)溫度變化:-43℃~46℃;
(8)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn):地震動(dòng)峰值加速度0.15 g,對(duì)應(yīng)基本烈度7度,抗震按丙類(lèi)設(shè)防,抗震措施按8度設(shè)計(jì);
(9)通航標(biāo)準(zhǔn):無(wú)通航要求,但需考慮游船通行,預(yù)留2.5 m凈空高度。
根據(jù)星河水系平面規(guī)劃圖,紅星之門(mén)景觀人行橋依次跨越水系、主干道光明路、再次跨越水系。橋址處水系寬約80 m,水深1.5 m左右,無(wú)通航要求,水中可立墩。
光明路在水系范圍內(nèi)橫斷面布置為:3 m(人行道)+4 m(非機(jī)動(dòng)車(chē)道)+1.5 m(綠化帶)+27 m(機(jī)動(dòng)車(chē)道,雙向八車(chē)道)+1.5 m(綠化帶)+4 m(非機(jī)動(dòng)車(chē)道)+3 m(人行道)=44 m,其中光明路在橋頭將兩側(cè)1.5 m綠化帶拓寬到4 m,為人行橋立墩創(chuàng)造了條件。
本橋分為三聯(lián),第一聯(lián)跨越西側(cè)水系,跨徑布置為3×32m;第二聯(lián)跨越光明路,跨徑布置為(32+32+26)m;第三聯(lián)跨越東側(cè)水系,跨徑布置為3×30 m。
本橋的造型的獨(dú)特與美觀主要通過(guò)整體線形來(lái)表現(xiàn)(見(jiàn)圖 2、圖 3),其中:
(1)橋梁的主梁平面分別由半徑為148.6 m、42.05 m、80.6 m的圓曲線及之間的緩和曲線組成。
(2)空間拱立面由距離橋面高度最大為15m、12m、15m三個(gè)大半徑圓弧組成,空間拱的平面沿著主梁軸線由分離式拱肋在每聯(lián)中間合并再分開(kāi),構(gòu)成一條空間的“舞動(dòng)的絲帶”。
圖2 紅星之門(mén)景觀人行橋平面圖
圖3 光明路視角的透視圖
橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)圖4。
圖4 橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位:cm)
2.4.1 主梁
主梁結(jié)構(gòu)均采用全焊鋼箱梁,為等高度單箱雙室倒梯形箱梁截面,主梁截面梁高1 400 mm,箱梁頂寬5 000 mm,底寬2 700 mm。鋼箱梁頂面鋼板厚14 mm,順橋向布置縱肋,間距300 mm,縱肋高度120 mm,厚10 mm,組成正交異性鋼橋面板。箱梁底板厚14 mm,縱肋間距300 mm,縱肋高度120 mm,厚10 mm。箱梁設(shè)兩道外腹板及一道中腹板,外腹板厚16 mm,中腹板厚12 mm。橫隔板間距2 000 mm,厚 12 mm。
2.4.2 空間拱設(shè)計(jì)
空間拱分為主拱及立柱兩部分,分離式主拱采用800 mm×400 mm矩形鋼管,壁厚16 mm,合并之后的主拱尺寸為800 mm×800 mm,豎向投影最大矢高為15 000 mm,空間拱在主梁伸縮縫處斷開(kāi);立柱采用 ?350 mm×16 mm鋼管,立柱與空間拱的連接采用焊接,立柱與主梁之間通過(guò)立柱底座焊接,立柱底座順橋向的間距為8 m。
2.4.3 下部結(jié)構(gòu)
橋墩采用花瓶墩接承臺(tái)樁基,連續(xù)墩墩頂、墩底在順橋向的寬度均為1.2 m,墩頂橫橋向?qū)?.7 m,等高段厚0.5 m,采用半徑為2.5 m高度為1.5 m的圓弧將橫向?qū)挾茸冎?.7 m直至墩底;過(guò)渡墩墩頂順橋向?qū)?.0 m、橫橋向?qū)?.7 m,墩底順橋向?qū)?.2 m、橫橋向?qū)?.7 m。墩身截面為矩形,采用半徑為0.15 m圓弧倒角。橋墩承臺(tái)尺寸為5.2 m×2.2 m×1.5 m,接兩根直徑為1.2 m鉆孔灌注樁,樁中心距為3.0 m。
2.4.4 空間拱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
空間拱的基礎(chǔ)采用拱座+承臺(tái)+樁基的形式,拱座高2 m,承臺(tái)尺寸為4.5 m×2 m×1.5 m,接兩根直徑為1 m鉆孔灌注樁,樁中心距為2.5 m。
橋梁樁基礎(chǔ)均為摩擦樁。
橋梁采用“先梁后空間拱”的施工方法,即先進(jìn)行主梁的節(jié)段吊裝與焊接,搭設(shè)支架完成空間拱吊裝與立柱的焊接,再將立柱與主梁焊接,最后施工橋面及附屬結(jié)構(gòu),完成橋梁主體結(jié)構(gòu)施工。
本橋的結(jié)構(gòu)體系實(shí)質(zhì)為連續(xù)鋼箱梁,空間拱僅承受自身重力、溫度作用與風(fēng)荷載,橋梁整體計(jì)算采用MIDAS/Civil 2019有限元分析軟件,主梁、空間拱、立柱均采用梁?jiǎn)卧邢拊P鸵?jiàn)圖5。
圖5 計(jì)算模型
3.2.1 橋梁應(yīng)力計(jì)算
橋梁的靜力計(jì)算考慮結(jié)構(gòu)自重、人群荷載、風(fēng)荷載、整體升降溫、空間拱局部升降溫、主梁梯度溫度(按英標(biāo)BS5400計(jì)算)、基礎(chǔ)不均勻沉降。橋梁的主梁、空間拱、立柱在基本組合下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。
圖6 基本組合應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)
根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,主梁最大應(yīng)力為99.8 MPa、空間拱最大應(yīng)力131.2 MPa、立柱最大拉應(yīng)力為137.3 MPa,應(yīng)力均小于275 MPa,滿足規(guī)范要求。
3.2.2 橋梁剛度計(jì)算
在人群荷載的作用下,主梁的最大撓度發(fā)生在第二聯(lián)第一跨跨中,為55.6 mm,滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015) 中不大于L/500=64 mm的要求,結(jié)構(gòu)剛度滿足規(guī)范要求,見(jiàn)圖7。
圖7 活載作用下最大位移(單位:mm)
將橋梁自重與二期恒載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量,進(jìn)行特征值分析,其中第一聯(lián)首階豎向自振頻率最低,為3.06 Hz,大于3,滿足規(guī)范要求,見(jiàn)圖8。
圖8 橋梁首階豎向自振振型
3.4.1 屈曲分析
對(duì)橋梁成橋運(yùn)營(yíng)階段的每一聯(lián)鋼箱梁穩(wěn)定性進(jìn)行分析,其中第一聯(lián)的第一階的臨界荷載系數(shù)最小,屈曲模態(tài)為空間拱橫向彎曲,穩(wěn)定系數(shù)為33.47,大于4,滿足規(guī)范要求,見(jiàn)圖9。
圖9 第一聯(lián)第一階屈曲模態(tài)
3.4.2 抗傾覆計(jì)算
橋梁平面位于S曲線上,支座間距為1.8m,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)4.1.8條件進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算,見(jiàn)表1。
表1 橋梁抗傾覆計(jì)算
本橋共三聯(lián),在基本組合下未出現(xiàn)負(fù)反力,在標(biāo)準(zhǔn)組合下最小抗傾覆系數(shù)為2.8,不小于2.5,滿足規(guī)范要求。
該工程橋址處地震基本烈度為7度,地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g,跨越主干道光明路,抗震按丙類(lèi)設(shè)防,抗震措施按8度設(shè)計(jì)。
對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)空間計(jì)算模型按E1和E2設(shè)防水準(zhǔn)進(jìn)行反應(yīng)譜分析,驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的抗震性能。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果,在E1、E2地震作用下,主梁、空間拱等鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件均在彈性范圍內(nèi)工作,下部結(jié)構(gòu)及樁基強(qiáng)度、位移均能滿足要求。
紅星之門(mén)人行橋造型獨(dú)特、大氣、線形優(yōu)美。該橋采用三維空間拱造型裝飾,具有獨(dú)特的景觀效果,其結(jié)構(gòu)形式以連續(xù)梁主體,通過(guò)立柱支撐空間拱,不同于常規(guī)的裝飾景觀橋,其施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低,正越來(lái)越多地得到工程界的應(yīng)用。本文以新疆紅星之門(mén)人行橋?yàn)楸尘?,?jiǎn)單闡述了該橋的造型構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路及計(jì)算方法,為同類(lèi)工程提供參考。