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）

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，有關經驗可供相關專業人員參考。

景觀橋梁；鋼桁架橋；美學

0　引言

隨著城市的不斷發展，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，作為城市或景區內通濟利涉的公共建筑品，在力學規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物［1］。在不同的環境、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地表現藝術與力學互相融合的空間魅力。

1　工程概況

膠州灣產業新區地處青島擁灣發展核心圈層，是青島“環灣保護、擁灣發展”重點規劃、率先啟動的四大片區之一，也是青島市產業升級和城市拓展的重要平臺。

本工程位于青島膠州灣產業新區，擬建人行橋位于躍進河上如意湖與躍進河交接區域。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。

2　建設條件及主要技術標準

（1）氣象

青島地區歷年最高氣溫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。

3　橋型構思及方案選擇

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，河道規劃寬度為115 m。根據景區規劃及業主要求，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，時常呈現出萬鷗齊飛的景象。經過方案比選，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

4　橋梁結構設計

（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的節點板焊接；豎向斜撐相交點也通過厚度為12 mm的節點板焊接相連。

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的節點板焊接；下橫桿水平斜撐相交點也通過厚度為12 mm的節點板焊接相連。

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點板及加勁板，桁架主體結構利用節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。

5　總體計算分析

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，滿足規范要求。

（3）穩定性分析

考慮結構自重、二期恒載、人群荷載下的整體穩定性分析，一階整體穩定系數為11.6，表現為大跨段上弦桿面外失穩，滿足規范要求。

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。滿足規范要求。

6　景觀與結構受力融合分析

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的匹配。大跨連續梁橋結構中支點剪力較大，跨中正彎矩較大。本橋利用連續梁橋結構特性，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，借此展現出了海鷗飛翔的曲線形狀，將結構景觀融合進當地的自然、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）整體穩定性、局部穩定性與景觀融合。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地淋漓盡致。

全橋大部分構件均采用成品型鋼。型鋼的優勢在于不需再增設加勁肋，且可從廠家統一采購，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。

7　結語

（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。設計師需要結合當地的人文環境、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一。

（2）橋梁景觀與結構受力盡可能互相融合，在繁復中體現簡潔，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。