新型鋼箱梁與桁架組合結構人行天橋設計

張策萍

(杭州交投二航院設計咨詢有限公司,浙江 杭州 310004)

0 引言

隨著整體規劃定位的提升,城市建設進度在加快,城市居住人口在持續增長,道路人流量日漸密集,路段車流量日漸增大,行人過街與來往車輛的沖突日益嚴重,完善提升城市公共設施配套勢在必行。因此,有必要在穿越交通主干道和行人活動密集區,建立人車分離系統,提供明確的路權,保障行人的安全和寬松的步行空間,同時緩解城市主干路的交通擁堵狀況。

由于城市的發展需要,人行天橋的橋梁設計必須充分考慮景觀設計,而位于城市高架下方的人行天橋,其結構高度往往受限,因此,突破常規思路、尋找新穎合理的結構形式在城市人行天橋設計中顯得尤為重要。

1 工程概況

工程主要分為東新東路/留石路人行天橋(以下簡稱天橋1)和石橋路/杭玻路南口人行天橋(以下簡稱天橋2)兩個節點。

1)天橋1:位于東新東路與留石路交叉口,留石路為東西向交通要道,東新東路為南北向城市支路,受交叉口東側190 m處留石快速路上下匝道影響,該交叉口機動車通行繁忙。同時交叉口西北角為中大銀泰城地塊,東北角為利民汽車修理有限公司,西南角為萬家星城西區地塊,東南角為杭州新天地地塊,隨著這些地塊的開發建設,行人過街需求較大。該處人車矛盾明顯,亟需通過過街設施減少交通安全隱患,改善交通環境。

2)天橋2:位于石橋路與杭玻路交叉口以南150 m處,石橋路為杭州市主城區至半山的重要交通干道,受路段南側150 m處秋石高架杭玻街平行匝道影響,該路段車流通行極為繁忙。同時擬建項目處西側為永富大廈和大潤發超市,東側為江南時代廣場、星際影城,人流密集,行人過街需求大。因此,該處人車矛盾明顯,亟需通過過街設施實現人車分離,緩解地面交通壓力,保證路段的交通順暢。

2 設計原則

在人們的記憶中,街道中立體過街設施的印象是模糊的,甚至是簡單丑陋的,作為緩解城市人車交通矛盾的產物,在過去的日子里,人行天橋與人行地道默默地疏解著城市交通壓力的同時還在忍受著人們的誤解[1]。由于過街設施建設太注重實用而忽視了其美觀性,人行過街設施處在城市景觀中的尷尬位置。

此次方案設計旨在改變人行天橋在人們心目中難堪的印象,遵循以下設計理念:

1)力圖從杭州的城市設計角度出發,理性的解構人行過街空間。設計靈感吸納杭州的歷史文化和建筑人文景觀,彰顯杭州歷史文化內涵。

2)在過街設施中創造積極多樣的空間,功能豐富,滿足新時代的生活方式和個性化發展的需要,通過設施場地高差的設置,注重細節設計,并注入豐富生動的建筑小品,營造“步移景異”“豁然開朗”的戲劇性場景。

3)突破以往常規呆板的結構類型,采用新穎獨特的結構形式,營造簡約優雅的造型,在保證結構受力的基礎上讓人耳目一新,從小小的過街設施中深切感受力學之美。

4)合理布局人行樓梯、自動扶梯和垂直電梯、休憩區等服務設施,使行人或快速舒適過街、或方便的獲取內心安寧和精神愉快。

5)作為城市建設中的公共服務設施,在保證結構安全并兼顧景觀功能的基礎上,節約投資造價也是需要考慮的重要因素。

3 工程特點及難點

本工程包含兩座人行天橋,具有如下顯著的特點:

1)均位于高架下方,且橋下凈高較低,東新東路/留石路過街設施處高架橋下凈高約8.2 m,石橋路/杭玻路南口過街設施處高架橋下凈高約8.7 m。2)均位于大型商業設施附近。3)東新東路/留石路交叉口處分布較多綠化設施及河流。4)石橋路/杭玻路南口過街設施西側人行道上有一處公交車站,東側則距離建筑較近。兩側廣場下方均為地下停車場,橋梁墩位應注意避免進入停車場空間。

經工程內容分析,本工程主要有如下設計難點和重點:1)橋梁結構形式的選取,滿足天橋上下的通行空間。2)結構美學與景觀小品的設計,體現自然和人文景觀元素。

4 橋梁結構方案研究

在城市人行過街天橋建設中[2],較常使用的主要有鋼箱梁、傳統鋼桁架和鋁合金桁架天橋,由于這些形式的上部結構采用工廠預制現場吊裝架設的方式,可以較大程度地減少施工過程對地面交通的影響。

由于天橋橋墩的布置受道路綠化帶及人行道位置局限,本工程兩座人行設施的跨徑布置基本為25 m～35 m,同時受高架橋下凈空的影響,為滿足橋下5 m的車行空間,同時考慮橋面鋪裝及撓度影響,高架橋底至天橋底空間高度至多為3.1 m(東新東路/留石路天橋)和3.6 m(石橋路/杭玻路南口天橋),此空間尚需滿足橋上2.5 m的人行空間。

在此跨度范圍和梁高條件之下,采用鋼箱梁結構難以滿足規范受力及自振頻率要求,因此,本工程不適宜采用鋼箱梁結構。

鋁合金桁架結構在高架橋的影響之下,自身結構的體塊被放大,造成壓抑感的累加,景觀效果被極大削弱,同時鋁合金桁架結構的造價過高,遠超本工程的投資額,因此,本工程不適宜采用鋁合金桁架結構。

而傳統鋼桁架結構面臨與鋁合金桁架結構同樣的景觀問題,應用于高架橋之下實難滿足城市橋梁的景觀要求。因此,需對天橋結構提出新的要求,既要保證結構安全,又得兼顧景觀功能與投資造價,各方兼顧之下,此次設計擬在傳統鋼桁架結構基礎上進行創新,采用新型鋼桁架結構。

根據鋼桁架結構的受力特點,結構的上下弦桿高度足以滿足現狀條件的苛刻要求,而要改變桁架結構體塊太大及景觀效果差的缺點,我們可以從改變腹桿著手,如將粗厚的腹桿分解成細線條并進行藝術處理,或將橫斷面上的兩道腹桿桁架移至中間并進行造型設計,既能消除傳統桁架的厚重壓抑之感,又可新添藝術風格。

1)腹桿分解成細線條的處理方式在瑞士和法國分別得到實際應用,如圖1,圖2所示,其力學之美與景觀效果的完美融合得到當地居民的良好反響。

2)將桁架移至斷面中間的處理方式則為本工程中的大膽創新,從力學角度來講其結構合理,受力與傳統桁架并無大異,而從美學角度上考慮,其造型變化可以多樣,進行各種嘗試使其與環境融合達到良好的景觀效果較之傳統桁架多了很多種可能性。

采用Midas Civil程序對以上兩種結構方案進行簡化計算(見圖3,圖4),結果證實在人群荷載作用下結構受力合理,撓度、強度及自振頻率、穩定性能均滿足規范要求[3]。

5 結構美學設計

5.1 上部結構美學

如前所述,我們采用兩種新型鋼桁架結構形式,既能從結構上進行創新,又能從美學上加以突破。

其一采用新型桁架式欄桿,如古時編織的錯亂線條,似現代藝術的抽象筆觸,既與杭州“絲綢之府”之稱暗合,又與城北商貿地塊的現代氣息呼應,既減少了傳統鋼桁架大體塊的壓抑感,使天橋顯得輕盈與纖細,又能很好地滿足天橋上下通行高度的需求,欄桿底部采用LED長壽命嵌入式壁燈,進行眩光控制,以達到較好的橋面照明與夜景效果(見圖5,圖6)。

其二采用桁架中移的新型桁架,從立面上進行造型設計,采用圓倒角使得腹桿線條靈動起來,宛若水紋,兩端上翹的頂板則似一葉扁舟,這些元素在身為江南水鄉的杭州可謂城市的代表符號,橫向采用兩片間隔一定距離的桁架,使得結構靈動而通透、簡約而大氣,既能在有限的條件中滿足天橋上下通行高度的要求,又能在橫向拓展人行空間,極大保證了行人過街的舒適性(見圖7)。

5.2 下部結構美學

我們對傳統轉角處較多的墩柱進行梳理整合,結合跨徑布置與結構受力,優化為框架式的半圍合景觀休憩亭,V字柱中間種上孤植,塑造一定的意境,兩側分格連通景觀隔離護欄,底部可設置長椅以供行人休息,夏日高溫時遮陰處比陽光直射區溫度能降低近15°,休憩亭頂部布置噴霧設施,既能使溫度再度降低,又能配合底部地埋燈在夜間造景(見圖8)。

無障礙升降與框架式結構一體設置融入其中,人行樓梯沿無障礙升降蜿蜒而上,減少了橋下墩柱,縮小了征地面積,又豐富了此處的空間,樓梯底部可設置花池,鋼筋混凝土的墩柱上可適當點綴不銹鋼絲,以方便爬藤類植物覆蓋生長(見圖9)。

6 天橋1總體設計

6.1 橋梁布置

天橋1位于高架下方的地面道路交叉口,天橋平面呈口字形布置,在四個象限內均布置一對上下行自動人行扶梯,另在四個象限內圍繞垂直升降電梯各布置一部鋼結構人行梯道。出入口人行梯道沿著垂直電梯蜿蜒設置,以電梯立柱作為支撐懸挑梯道,既節省了梯道墩柱,又可利用梯道下方的空間種植綠化或作為城管部門儲物空間。

主通道東西向跨徑為31.3 m+26.9 m,南北向跨徑為32.3 m+29 m,梁高0.45 m,橋面寬5.3 m。主橋上部結構采用鋼箱梁與桁架組合結構,欄桿桁架采用雙排桁架,設置于橋面兩側,桁架采用富于美感的不規律斜向細線條實現景觀效果,結構輕巧纖細、充滿藝術感。下部結構采用“V”字形鋼筋混凝土墩柱[4],與輕巧的上部結構和諧統一的打造出一處美麗的城市景觀(見圖10)[5]。

6.2 上部結構

上部結構采用新型鋼箱梁與欄桿桁架組合結構,采用等寬斷面,梁高為0.45 m,頂板鋼板厚為16 mm,底板鋼板厚為16 mm,腹板鋼板厚為16 mm。箱梁內均設有加勁肋,箱內設置有橫隔板,擱置支座處設置橫梁,端部設置封端板。桁架式欄桿頂部采用鋼結構方通,尺寸為300 mm×150 mm,壁厚14 mm,鋼結構方通與橋面之間采用雙排鋼桁架連接,鋼桁架鋼板尺寸為120 mm寬,10 mm厚,雙排之間間隙為20 mm。

6.3 下部結構

下部構造采用框架式橋臺、V字型橋墩,均為鋼筋混凝土構造,基礎為鋼筋混凝土承臺接鉆孔灌注樁基礎。

6.4 主橋結構分析

運用Midas Civil程序對橋梁進行計算分析,對每聯結構分別采用梁單元模型和梁格模型進行驗算(見圖11,圖12),確保結構安全可靠。

根據規范要求,針對主橋結構進行以下分析:

1)基本組合下的正應力驗算:單梁模型下最大壓應力為143.7 MPa,最大拉應力為110.7 MPa;梁格模型下最大壓應力為125.4 MPa,最大拉應力為96.6 MPa;均小于規范規定的鋼材設計應力為275 MPa,滿足規范要求。

2)在基本組合下的剪應力:單梁模型下最大剪應力為34.7 MPa,梁格模型下最大剪應力為86.1 MPa,小于規范規定的鋼材設計應力160 MPa,滿足規范要求。

3)撓度:橋梁在人群活載引起的最大豎向位移1.50 cmL/1 600=2 cm,所以需設置預拱度。

4)舒適性驗算:自振頻率為2.99 Hz≈3 Hz,可認為滿足規范要求。

7 天橋2總體設計

7.1 橋梁布置

天橋2位于高架下方,距地面道路交叉口約150 m處的路段,天橋平面呈一字形布置,在西北角、東南角均布置一對上下行自動人行扶梯,另在西南角、東北角各布置一部鋼結構人行梯道。

主橋跨徑布置為2×23.5 m,兩端懸臂長為3.0 m,全長為53.0 m,跨中桁架高3.2 m,橋面總寬5.8 m(凈寬4.0 m)。主橋上部結構采用鋼箱梁與桁架組合結構,桁架采用雙排桁架,設置于橋面中央,桁架立面采用水紋形狀實現景觀效果,鋼箱梁高度0.55 m,結構新穎獨特、輕巧靈動(見圖13)。

7.2 上部結構

主橋上部結構采用鋼箱梁與桁架組合結構,桁架采用雙排桁架,斜桿與上弦桿、鋼箱梁頂板連接均采用焊接形式,上弦桿采用1 300 mm×350 mm箱型矩形截面,厚度16 mm;斜桿采用250 mm×250 mm方形截面,厚度12 mm。上弦桿兩側圓弧段水平長度16 m,圓弧半徑為50 m,中間直線段長度為11 m。

鋼箱梁采用等寬斷面,梁高為0.55 m,頂板鋼板厚為16 mm,底板厚度為16 mm,腹板鋼板厚為12 mm,中橫梁及端橫梁處橫隔板厚16 mm,其他橫隔板及加勁板為10 mm,端部設置封端板。梁端兩側一定范圍內設置牛腿,用于擱置梯道和自動扶梯。

7.3 下部結構

橋梁下部結構均采用鋼筋混凝土結構,邊墩均采用直徑0.8 m圓形獨柱墩,上接0.7 m厚蓋梁;中墩墩身采用直徑0.6 m圓形雙柱墩。基礎均采用承臺接樁基礎。

7.4 主橋結構分析

運用Midas Civil程序對橋梁進行計算分析(見圖14),在保證景觀效果的基礎上合理優化結構設計,確保結構安全可靠。

根據規范要求,針對主橋結構進行以下分析:

1)基本組合下的正應力驗算:最大壓應力為55.3 MPa,最大拉應力為50.7 MPa;均小于規范規定的鋼材設計應力275 MPa,滿足規范要求。2)在基本組合下的剪應力:最大剪應力為34.5 MPa,小于規范規定的鋼材設計應力160 MPa,滿足規范要求。3)撓度:橋梁在人群活載引起的最大豎向位移0.2 cmL/1 600=2 cm,所以不需設置預拱度。4)舒適性驗算。上部結構的豎向自振頻率8 Hz,滿足人行天橋規范中的3 Hz要求。

8 結語

在寸土寸金的城市之中,天橋的設計常受上方高架和地下構筑物等頗多限制,文中兩座天橋的設計采用全新的鋼箱梁與桁架組合結構,形成了輕盈、通透的新穎橋型,刷新了人們對于桁架橋梁的認知,詮釋了力學之美,呈現出良好的景觀效果,得到了社會各界的一致好評,為今后類似城市人行天橋的設計提供了富于價值的技術資料和全新思路,具有良好的推廣應用意義。