雙跨曲線鋼桁架海鷗橋的結(jié)構(gòu)與美學(xué)分析

金叔陽

（上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海市 200065）

雙跨曲線鋼桁架海鷗橋的結(jié)構(gòu)與美學(xué)分析

金叔陽

（上海城建市政工程（集團(tuán)）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(jié)合海鷗橋的設(shè)計全過程，主要介紹了總體設(shè)計思路、景觀美學(xué)與結(jié)構(gòu)受力融合分析，有關(guān)經(jīng)驗可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

景觀橋梁；鋼桁架橋；美學(xué)

0　引言

隨著城市的不斷發(fā)展，人類對于城市的生活品質(zhì)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(nèi)通濟利涉的公共建筑品，在力學(xué)規(guī)律和美學(xué)法則的支配下，通過精心設(shè)計和精心施工而成，是人文科學(xué)、工程技術(shù)和藝術(shù)三位一體的產(chǎn)物［1］。在不同的環(huán)境、不同結(jié)構(gòu)跨度和不同的承載要求下，其景觀設(shè)計需借助適宜的美學(xué)景觀造型和獨特的橋梁造型來出現(xiàn)地表現(xiàn)藝術(shù)與力學(xué)互相融合的空間魅力。

1　工程概況

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(hù)、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(jìn)河上如意湖與躍進(jìn)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?qū)?.9 m，臺后設(shè)置摩阻板，兩岸道路與橋梁順接。

2　建設(shè)條件及主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（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(fēng)速44.2 m/s，累年平均風(fēng)速5.5 m/s，年平均受臺風(fēng)侵襲或外圍影響13次。

（2）地質(zhì)條件

根據(jù)野外鉆探揭露、靜探資料及室內(nèi)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(jì)海陸相沉積的淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、粘土及砂土構(gòu)成。擬建橋梁采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，選用4層粘土作為樁端持力層。

（3）主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

a.荷載標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計人行荷載為5 kN/m2。

b.通航標(biāo)準(zhǔn)：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(biāo)準(zhǔn)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(shè)防烈度：6度，設(shè)計基本地震動加速度峰值：0.05g；抗震措施：7度。

e.設(shè)計基準(zhǔn)期:50 a。

3　橋型構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系。主題結(jié)構(gòu)顏色采用中國紅，在碧水藍(lán)天之間勾勒出橋梁的線形美感，見圖1。

圖1　海鷗橋?qū)嵕罢掌?/p>

4　橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)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(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(jié)構(gòu)設(shè)計

拱肋為多條圓弧順接的擬合曲線，兩跨拱結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)、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(nèi)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(nèi)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(nèi)按400 mm間距設(shè)置數(shù)道厚度為8 mm的加勁肋。上橫桿端部與內(nèi)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(shè)防腐木材橋面板，形成橋面體系。

上部結(jié)構(gòu)材料均選用Q345。

（3）下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

下部結(jié)構(gòu)橋臺采用重力式橋臺，基礎(chǔ)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(chǔ)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(yù)埋鋼板，桁架在支撐處設(shè)置節(jié)點板及加勁板，桁架主體結(jié)構(gòu)利用節(jié)點板將外力傳遞至基礎(chǔ)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(shè)置鋼立柱，設(shè)置不銹鋼拉索，形成人行欄桿防護(hù)系統(tǒng)。

5　總體計算分析

本橋利用MIDAS/Civil 7.8.0對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)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(gòu)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(chǔ)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(yīng)力為180.1 MPa，最大壓應(yīng)力為184.2 MPa；斜腹桿最大拉應(yīng)力為166.2 MPa，最大壓應(yīng)力為149.6 MPa；斜撐的最大拉應(yīng)力為101.3 MPa，最大壓應(yīng)力為78.7 MPa。各構(gòu)件應(yīng)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(jié)構(gòu)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(nèi)外兩側(cè)，內(nèi)、外斜腹桿通過節(jié)點板相連，由此控制構(gòu)件的面內(nèi)長細(xì)比。內(nèi)、外斜腹桿平面內(nèi)最大長細(xì)比為60.1，平面外最大長細(xì)比為97.6。滿足規(guī)范要求。

6　景觀與結(jié)構(gòu)受力融合分析

橋梁結(jié)構(gòu)之美在于獨特的造型，合理的比例尺度，生動的韻律和色調(diào)、明暗與裝飾的適當(dāng)匹配，其中應(yīng)把橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受力合理性的前提下，盡可能使得橋梁景觀突出。主要總結(jié)為以下四個方面：

（1）橋梁整體線形與結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的匹配。大跨連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)中支點剪力較大，跨中正彎矩較大。本橋利用連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)景觀融合進(jìn)當(dāng)?shù)氐淖匀弧⑽幕尘爸?；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(jié)構(gòu)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(nèi)長細(xì)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(diào)，景觀效果良好。

（3）“大體型”與“少用鋼量”的結(jié)合。全橋鋼材重量為162.85 t，每平方米橋面鋼材用量指標(biāo)為171 kg，結(jié)構(gòu)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(gòu)件簡潔輕巧，由此盡顯結(jié)構(gòu)的簡潔美。人行橋的輕盈雅致也通過合理的結(jié)構(gòu)比例體現(xiàn)地淋漓盡致。

全橋大部分構(gòu)件均采用成品型鋼。型鋼的優(yōu)勢在于不需再增設(shè)加勁肋，且可從廠家統(tǒng)一采購，構(gòu)件質(zhì)量可得到充分保障。

（4）結(jié)構(gòu)主受力構(gòu)件與附屬結(jié)構(gòu)的融合。本橋除了各構(gòu)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(gòu)件與附屬結(jié)構(gòu)融為一體，更加凸顯結(jié)構(gòu)的簡潔美。

7　結(jié)語

（1）人行景觀橋由于荷載相對較小，可設(shè)計出風(fēng)格迥異的景觀。設(shè)計師需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐娜宋沫h(huán)境、地域特色，將文化融于橋梁結(jié)構(gòu)中，達(dá)到人造橋景與地域特色的統(tǒng)一。

（2）橋梁景觀與結(jié)構(gòu)受力盡可能互相融合，在繁復(fù)中體現(xiàn)簡潔，不失為一種景觀人行橋梁的設(shè)計思路。

［1］楊士金，唐虎翔.景觀橋梁設(shè)計［M］.上海:同濟大學(xué)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(lǐng)，陶海.人行橋造型設(shè)計藝術(shù)與構(gòu)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(shè)計工作。