德清門戶型人行景觀橋梁設(shè)計(jì)

張策萍

(杭州交投二航院設(shè)計(jì)咨詢有限公司,浙江 杭州 310004)

1 設(shè)計(jì)概要

德清門戶型人行景觀橋位于德清經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)德清大道與中興北路交叉口以北約45 m處,跨越中興北路,中興北路南接德清大道,北接豐慶街,規(guī)劃為城市主干道,道路紅線寬度42 m,設(shè)計(jì)時(shí)速50 km/h。本橋?yàn)榭缭街信d北路的重要節(jié)點(diǎn),承擔(dān)德清經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的門戶形象作用,并兼顧中興北路東西側(cè)行人、非機(jī)動(dòng)車道通行的交通功能。

人行橋主橋?yàn)槿绲雀叨葎倶?gòu)鋼箱梁橋,跨徑布置為(23.5+48+23.5)m=95 m,兩側(cè)以臺階接順地面,平面呈多段圓曲線布置,橋梁結(jié)構(gòu)沿順橋向兩頭等寬,中間段設(shè)置24 m長的變寬段。橋南側(cè)設(shè)置一鋼管桁架拱門,拱門傾角為10°,輔以吊索與主梁梁體相接,拱門表皮采用雙曲面鋁板為基本單元重復(fù)拼接而成的鏤空金屬網(wǎng)格幕墻。橋墩與主梁固結(jié),主橋橋面鋪裝及橋體結(jié)構(gòu)外表面均采用鮮亮的橙色,配合夜間拱門的變色亮化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)本工程醒目靚麗的門戶景觀特色效果(見圖1)。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期:100 a;設(shè)計(jì)使用年限:50 a。

2)天橋基本通行能力:樓梯2 400 P/(h·m)。

3)設(shè)計(jì)荷載:人群荷載按《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》[1]計(jì)算取值。

4)天橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面:0.15 m(欄桿)+0.6 m(推行坡道)+4.5 m(人行道)+0.6 m(推行坡道)+0.15 m(欄桿)+0.3 m(吊索區(qū))=6.3 m。

5)橋梁縱、橫坡:中跨雙向縱坡1%,邊跨縱坡1∶5,橫坡采用雙向1.0%。

6)人行樓梯坡度為1∶5,踏步高為15 cm。

7)天橋下凈高要求:機(jī)動(dòng)車道不小于5.0 m,非機(jī)動(dòng)車道不小于3.5 m,人行道不小于2.5 m。

8)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級:一級,橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0。

9)橋梁結(jié)構(gòu)環(huán)境類別:Ⅰ類環(huán)境。

10)抗震設(shè)防烈度:抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)地震基本加速度值為0.05g,橋梁抗震設(shè)防分類為丁類,抗震設(shè)計(jì)方法分類為C類,抗震措施采用6度抗震構(gòu)造措施。

11)橋面防水等級:Ⅱ級;橋面防滑等級為R1,防滑性能指標(biāo)BPN≥80。

12)混凝土抗?jié)B等級:P6。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 橋梁布置

人行橋主橋?yàn)槿绲雀叨葎倶?gòu)鋼箱梁橋,跨徑布置為(23.5+48+23.5)m=95 m,兩側(cè)以臺階接順地面,全長113.54 m,平面呈多段反向圓曲線布置(見圖2),橋梁結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)寬度為6.3 m,標(biāo)準(zhǔn)斷面布置形式為:0.15 m(欄桿)+0.6 m(推行坡道)+4.5 m(人行道)+0.6 m(推行坡道)+0.15 m(欄桿)+0.3 m(吊索區(qū))=6.3 m,中間段設(shè)置24 m長的變寬段,寬度變化范圍為6.3 m～8.8 m。中跨采用雙向縱坡1%,邊跨及臺后梯道縱坡1∶5,梁底豎曲線半徑50 m,梁體雙向橫坡1%。橋南側(cè)設(shè)置一48 m跨鋼管桁架拱門,拱門傾角為10°,輔以吊索與主梁梁體相接。橋面與拱門下緣間高度約13.5 m。

3.2 上部結(jié)構(gòu)

主橋上部結(jié)構(gòu)采用箱形鋼結(jié)構(gòu),采用等高斷面,梁高為1.5 m,頂板鋼板厚為20 mm,底板厚度為20 mm,腹板鋼板厚為16 mm,中橫梁處橫隔板厚25 mm,端橫梁處橫隔板厚20 mm,其他橫隔板及加勁板為12 mm。

拱門采用鋼管組合桁架拱,由4根弦桿、徑向及斜向腹桿組成,拱肋中心線采用圓曲線繞拱腳橫橋向朝南旋轉(zhuǎn)10°而成,拱肋中心軸線跨徑48 m,側(cè)向旋轉(zhuǎn)前矢高23.2 m,矢跨比1∶2.06。4根弦桿沿拱肋中心線按菱形布置,拱腳處弦桿中心距拱肋中心均為0.75 m,拱頂處弦桿中心距拱肋中心均為1.5 m,4根弦桿均呈圓曲線布置。

主拱肋4根弦桿、徑向及斜向腹桿均采用等截面圓形鋼管,其中弦桿截面尺寸采用φ508 mm×10 mm,徑向腹桿截面尺寸采用φ219 mm×8 mm,斜腹桿截面尺寸采用φ168 mm×8 mm。

主橋與拱門之間采用吊索連接,邊跨各4根,中跨17根,全橋合計(jì)25根,吊索外包熱擠HDPE套管,單根吊索外徑50 mm。

3.3 下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)包括主橋橋墩、橋臺及拱座基礎(chǔ)。

橋墩立柱采用圓柱形變截面鋼結(jié)構(gòu),由底部1.4 m直徑漸變?yōu)槎枕?.6 m直徑,與主梁固結(jié)。

橋臺采用樁接蓋梁形式,橋臺蓋梁、橋墩下部承臺及拱座均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。蓋梁梁高1.3 m,橋墩承臺采用矩形承臺,拱座基礎(chǔ)呈三角形布置,厚度為2.5 m。

樁基均采用D80 cm鉆孔灌注樁,樁基礎(chǔ)施工采用旋挖鉆機(jī)施工,每根樁基均預(yù)埋聲測管,隨機(jī)抽取50%進(jìn)行超聲波檢測,其余須進(jìn)行小應(yīng)變測試,檢查樁身完整性。

3.4 附屬設(shè)施設(shè)計(jì)

1)橋面系:天橋踏步:10 mm厚鋼板焊接;天橋及臺后階梯鋪裝:14 mm厚現(xiàn)澆彩色塑膠鋪裝;欄桿:采用鋼欄桿;臺后階梯:級配碎石回填上鋪C20素混凝土基層。

2)橋面排水:天橋中跨約36 m范圍雙向1%縱坡排水,其余部分以1∶5坡度設(shè)階梯,雙向1%橫坡。

3)支座:橋臺處設(shè)置板式橡膠支座,支座構(gòu)造及性能要求參見JT/T 4—2004公路橋梁板式橡膠支座、JT/T 663—2006公路橋梁板式橡膠支座規(guī)格系列。

4)伸縮縫:梁端處設(shè)置伸縮縫,全橋共2道,伸縮縫采用瀝青膏加鋅鐵皮的構(gòu)造形式。

5)橋梁防腐涂裝:本橋鋼結(jié)構(gòu)部分(主橋鋼梁、拱門、墩柱、人行梯道及欄桿)為全焊結(jié)構(gòu),根據(jù)大氣腐蝕環(huán)境,局部腐蝕因素及鋼結(jié)構(gòu)各部件的工作和維修條件,確定其腐蝕環(huán)境為C3中等,涂裝耐久性要求為15 a。

表1中鋼結(jié)構(gòu)外表面系指所有直接暴露于大氣中的鋼結(jié)構(gòu)外表面部分;鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)表面系指正常使用階段處于密閉環(huán)境中的結(jié)構(gòu)部分。

鋼箱節(jié)段在現(xiàn)場焊接施工后,焊縫處應(yīng)該按上述要求進(jìn)行補(bǔ)涂。其他外露鋼結(jié)構(gòu)的防腐措施詳見相應(yīng)的構(gòu)造圖紙,且所有的臨時(shí)外露鋼(鐵)預(yù)埋件表面,均應(yīng)采用鋅加保護(hù)防腐,其理論涂布量為3.54 m2/kg;所有的永久外露鋼(鐵)預(yù)埋件表面均需鍍鋅處理,鍍鋅量為600 g/m2。橋梁鋼結(jié)構(gòu)表面涂層配套體系見表1。

表1 橋梁鋼結(jié)構(gòu)表面涂層配套體系

注意欄桿底座處鋼橋面應(yīng)按鋼結(jié)構(gòu)外表面的涂層要求進(jìn)行涂裝,見表2。

表2 涂層體系性能要求

3.5 景觀設(shè)計(jì)

作為門戶型人行景觀橋,本工程的景觀設(shè)計(jì)較之常規(guī)的人行橋要求更高,需從更多的橋梁美化角度、從更多的細(xì)節(jié)方面進(jìn)行綜合考慮。

1)色彩設(shè)計(jì):色彩對于橋梁的鮮明度、文化性及獨(dú)特性起著至關(guān)重要的作用,是影響橋梁景觀效果的重要因素。本工程橋梁的色彩設(shè)計(jì)既要考慮到周邊環(huán)境的關(guān)系,又要與德清經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)現(xiàn)代化的發(fā)展定位相符合,在空間中具有門戶的形象信號和象征作用。

經(jīng)過專項(xiàng)色彩方案設(shè)計(jì),最終在鋼箱梁橋面及外輪廓、下部結(jié)構(gòu)外表面采用鮮亮的橙色以展示本橋主體結(jié)構(gòu)的形態(tài)美與功能美,利用該色彩的心理效果,防止駕駛員視覺疲勞,而外包鏤空金屬網(wǎng)格幕墻的拱門則采用鋁板光面本色,不做涂裝,以充滿現(xiàn)代感的配色形成一道醒目靚麗的門戶景觀迎接進(jìn)入德清經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的人們。

2)橋面系景觀設(shè)計(jì):橋面鋪裝和欄桿可謂橋梁設(shè)計(jì)的門面工程,是過橋行人可以近距離感受的附屬設(shè)施,其美觀程度對一座橋梁的景觀效果影響較大,因此橋面系應(yīng)精心設(shè)計(jì),注重美觀,更多展示橋梁細(xì)節(jié)的藝術(shù)美[2]。

橋面鋪裝采用彩色塑膠,選用鮮亮的橙色與橋體外觀統(tǒng)一協(xié)調(diào),符合工程整體的色彩設(shè)計(jì)。同時(shí)為營造生態(tài)橋面的景觀效果,結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)受力特性,在橋梁兩端區(qū)域內(nèi)設(shè)置裝飾性花槽,種植易于存活的小型灌木植被。

欄桿結(jié)構(gòu)在滿足相關(guān)規(guī)范要求的同時(shí),也要有一定的景觀要求,經(jīng)專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案對比后選用簡潔雅致的鋼制景觀欄桿,欄桿采用曲線線型,與橋梁主體鋼箱梁結(jié)構(gòu)的平面線型及拱門的立面線型相呼應(yīng),實(shí)現(xiàn)整體構(gòu)筑形態(tài)的協(xié)調(diào)一致性。

3)亮化設(shè)計(jì):通過橋梁的泛光照明設(shè)計(jì),橋梁可以在夜間呈現(xiàn)另一種別樣的風(fēng)光,因此景觀橋梁的設(shè)計(jì)當(dāng)中亮化設(shè)計(jì)是非常重要的一環(huán)。不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件擬定分級照明亮度及燈光顏色標(biāo)注,達(dá)到主次分明、重點(diǎn)突出,依橋構(gòu)景。照明設(shè)計(jì)充分結(jié)合橋梁本身造型及景觀特點(diǎn),融合周邊人文氣息,與周邊夜晚光環(huán)境及橋梁自身涂色相協(xié)調(diào),力求簡潔自然,不過度設(shè)計(jì)。

本工程在鋼箱梁兩側(cè)欄桿下方以燈帶勾勒橋面形狀,輔以點(diǎn)狀射燈實(shí)現(xiàn)橋梁的功能照明,而在拱門結(jié)構(gòu)的夜間照明設(shè)計(jì)上則側(cè)重其景觀效果,在與橋梁照明相協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)之上,突出其本身在高度上的標(biāo)志性。通過內(nèi)置燈光,結(jié)合網(wǎng)格幕墻,按照一定的節(jié)奏變幻燈光色彩,產(chǎn)生多彩律動(dòng)的照明效果,表現(xiàn)門戶整體的夜間形象之美。

3.6 施工步驟示意

由于本工程平面呈曲線且立面縱坡較大、拱肋傾斜、梁拱之間的拉索連接等空間關(guān)系復(fù)雜,對施工單位及鋼結(jié)構(gòu)制作廠家的要求較高,施工放樣前應(yīng)全面了解設(shè)計(jì)圖紙、資料及各相關(guān)圖紙間的關(guān)系,并認(rèn)真復(fù)核各墩臺方位角、坐標(biāo)以及各結(jié)構(gòu)位置的標(biāo)高,且在施工及制作過程中與設(shè)計(jì)單位保持密切溝通,以便及時(shí)解決工程中可能出現(xiàn)的問題。

1)下部結(jié)構(gòu)采用常規(guī)的施工方法。拱肋承臺施工時(shí)需注意預(yù)埋拱腳段。拱肋承臺頂以上1 m范圍內(nèi)需外包C30混凝土。2)上部鋼箱梁采用工廠節(jié)段焊接,試拼裝(必要時(shí)可進(jìn)行相關(guān)荷載試驗(yàn)),節(jié)段運(yùn)輸,現(xiàn)場焊接各節(jié)段,分段吊裝焊接成橋的施工方案。3)桁架拱門在工廠內(nèi)按正立面分五段預(yù)制,其中拱腳處兩段施工時(shí)預(yù)埋在承臺中。拱肋其余三段現(xiàn)場焊接成整體。拱肋施工時(shí)需用臨時(shí)支架支撐,待吊桿張拉結(jié)束后,拆除臨時(shí)支架。4)主體結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行橋面系、燈光照明等附屬設(shè)施建設(shè)。

3.7 主橋結(jié)構(gòu)分析

項(xiàng)目組運(yùn)用Midas Civil程序?qū)蛄哼M(jìn)行平面桿系和空間桿系計(jì)算,通過分析,不僅掌握了全橋總體受力狀態(tài),也對各施工階段結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有了全面把握。在保證景觀效果的基礎(chǔ)上合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),確保結(jié)構(gòu)安全可靠。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖3所示。

計(jì)算考慮如下荷載:

自重:拱肋自重采用自重系數(shù)-1.0,鋼箱梁自重采用自重系數(shù)-1.0并附加-6.0 kN/m的加勁肋及橫隔板自重;二期恒載包括:橋面鋪裝及鋼欄桿,合計(jì)-18.0 kN/m;人群荷載:按CJJ 69—95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范第3.1.3 條取值[3],本模型中按3.7 kPa計(jì)算;溫度荷載:設(shè)置正系統(tǒng)溫度荷載升溫25 ℃,負(fù)系統(tǒng)溫度荷載降溫-25 ℃;梯度升降溫采用JTG D60—2015通規(guī)[4]第4.3.12-3,分別取+14 ℃,-5.5 ℃;風(fēng)荷載設(shè)計(jì)參數(shù):風(fēng)荷載按JTG/T D60-01—2004公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算,基本風(fēng)速根據(jù)該規(guī)范基本風(fēng)速表查得:地表類別:C類,工程場地橋位地表粗糙度系數(shù)α=0.22;1/100基本風(fēng)速:28.6 m/s;陣風(fēng)系數(shù)Gv=1.48;基礎(chǔ)變位參數(shù):拱肋及鋼箱梁基礎(chǔ)考慮-1.0 cm基礎(chǔ)變位,取最不利考慮。

計(jì)算施工階段劃分如下:施工階段1:拱肋鋼梁架設(shè);施工階段2:吊桿張拉;施工階段3:二期恒載。

根據(jù)規(guī)范要求,針對主橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下分析:

1)施工階段受力分析。在設(shè)計(jì)作用下,對施工階段拱肋及箱梁的應(yīng)力及吊索內(nèi)力進(jìn)行結(jié)果分析。經(jīng)計(jì)算,各施工階段中最大拉應(yīng)力為59.5 MPa,最大壓應(yīng)力為86.6 MPa,吊索拉力范圍值為28.6 kN～31.3 kN。

2)成橋狀態(tài)受力分析。在設(shè)計(jì)作用下,對成橋狀態(tài)的拱肋、鋼梁及橋墩進(jìn)行內(nèi)力結(jié)果分析。經(jīng)計(jì)算,成橋狀態(tài)下,拱肋最大正彎矩值為113.2 kN·m,最大負(fù)彎矩值為25.8 kN·m,最大剪力值為109.8 kN,最大軸力值為856.7 kN。鋼梁最大正彎矩值為8 653.1 kN·m,最大負(fù)彎矩值為11 527.3 kN·m,最大剪力值為1 220.6 kN。橋墩最大正彎矩值為6 126.7 kN·m,最大負(fù)彎矩值為6 126.7 kN·m,最大剪力值為167.6 kN,最大軸力值為2 379.3 kN。

3)上部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。在設(shè)計(jì)作用下,對箱梁、拱肋及吊索進(jìn)行承載能力驗(yàn)算,并進(jìn)行吊索選型,同時(shí)對結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行驗(yàn)算。主橋鋼梁上下翼緣最大彎曲應(yīng)力分別為70.6 MPa(拉) 和-91.7 MPa(壓),均小于275/1.1=250 MPa,滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

拱肋最大組合應(yīng)力分別為91 MPa(拉) 和-150 MPa(壓),均小于275/1.1=250 MPa,滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)吊索計(jì)算結(jié)果,吊桿選型確保在標(biāo)準(zhǔn)組合下的索力均滿足2.5倍系數(shù)要求。

根據(jù)CJJ 69—95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范第2.5.2條規(guī)定:鋼梁結(jié)構(gòu)在人群荷載作用下的最大豎向撓度,不應(yīng)超過L/600(80 mm);拱肋不應(yīng)超過L/800(60 mm)。鋼拱肋在活載作用下的豎向撓度值為1.4 mm<60 mm,滿足規(guī)范要求。鋼梁和鋼拱肋在活載作用下的豎向撓度值為21 mm<80 mm,滿足規(guī)范要求。

按《鋼規(guī)》第4.2.4條規(guī)定,鋼橋預(yù)拱度設(shè)置宜按照自重標(biāo)準(zhǔn)值加1/2車道荷載頻域值計(jì)算得到,跨中拱頂預(yù)拱度值為豎向11 mm,側(cè)向6.0 mm;箱梁預(yù)拱度按豎向26 mm設(shè)置。

4)下部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。在設(shè)計(jì)作用下,對橋墩及樁基進(jìn)行承載力驗(yàn)算。根據(jù)計(jì)算,墩柱最大組合應(yīng)力分別為-157.2 MPa(壓),小于275/1.1=250 MPa,滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算反力結(jié)果,標(biāo)準(zhǔn)組合下,橋墩樁基單樁樁頂最大荷載1 029 kN,單樁軸向最大荷載為1 105.40 kN,根據(jù)地勘資料計(jì)算的鉆孔灌注樁容許承載力為2 069.9 kN,控制樁基進(jìn)入卵持力層深度不小于7.0 m,樁基承載力滿足規(guī)范要求[5]。

5)舒適性驗(yàn)算。在設(shè)計(jì)作用下,驗(yàn)算箱梁豎向第一階振型頻率為4.2 Hz,滿足城市人行橋規(guī)范中豎向基頻不小于3 Hz,及舒適性要求。

4 結(jié)語

對于該橋的設(shè)計(jì),在橋梁造型、景觀設(shè)計(jì)和計(jì)算控制等方面做了不同于常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)橋的優(yōu)化,為今后類似城市景觀橋梁設(shè)計(jì)提供了一些有價(jià)值的技術(shù)資料和思路。該橋已于2020年4月竣工,作為德清經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的門戶形象,橋梁景觀效果好,社會(huì)反響良好,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。