廣州從化大橋工程橋墩景觀及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汪荷玲

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，廣東 廣州 510060）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們審美觀的提高，人們不但關(guān)注橋梁建筑質(zhì)量問(wèn)題，并日益關(guān)注橋梁景觀的景觀設(shè)計(jì)，尤其是城市橋梁，其景觀設(shè)計(jì)對(duì)城市的發(fā)展和文化傳遞有著重要的意義。而橋梁墩柱是極其重要的組成部分，其美學(xué)與力學(xué)性能的優(yōu)劣直接決定著橋梁整體的美觀與質(zhì)量，在城市橋梁中，橋梁墩柱占據(jù)了人們很大的視線范圍，其美觀與否就顯得尤為重要。

故本文將針對(duì)廣州從化大橋橋墩，進(jìn)行橋墩景觀及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并提出多種方案進(jìn)行對(duì)比選型。

1 工程概況

廣州從化大橋全橋長(zhǎng)466 m，主橋采用單跨136 m下承式倒三角鋼管拱橋（見(jiàn)圖1），引橋采用30 m、35 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，全橋跨徑組合為：2×30m+3×35m+136m+3×35m+2×30m=466 m。主橋主梁采用單箱多室魚腹式斷面（見(jiàn)圖2），主墩采用弧形板式墩，群樁基礎(chǔ)。引橋上部結(jié)構(gòu)采用單箱三室魚腹式斷面（見(jiàn)圖3），引橋橋墩采用與主橋橋墩外形相近的板式墩，樁基礎(chǔ)。廣州從化大橋橋型見(jiàn)圖1。

2 橋墩設(shè)計(jì)原則

本橋在進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，遵循以下設(shè)計(jì)原則：

（1）協(xié)調(diào)統(tǒng)一

一座大橋梁設(shè)計(jì)工程龐大，涉及主橋、引橋等多重元素，要想設(shè)計(jì)出富有標(biāo)志性建筑，就必須要考慮到“從多樣中尋求統(tǒng)一”[1]。廣州從化大橋從整體來(lái)看，主橋采用了下承式拱橋，拱式結(jié)構(gòu)曲線優(yōu)美，線形流暢，富有變化，視覺(jué)效果好，具有較強(qiáng)的感染力。從而主橋主梁和引橋主梁分別采用單箱多室魚腹式斷面和單箱三室魚腹式斷面，梁體底板與邊腹板均由一條圓弧線連成一體，通過(guò)曲線美與主拱結(jié)構(gòu)遙相呼應(yīng)。為了與上部結(jié)構(gòu)外形風(fēng)格協(xié)調(diào)統(tǒng)一，橋墩亦采用了具有曲線美感的花瓶墩結(jié)構(gòu)，使得橋墩線型與主梁曲線美完美結(jié)合，融合為一體。但為了避免與以往的花瓶墩雷同，本橋橋墩設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)對(duì)橋墩墩身橫向勾勒弧線凹槽，墩帽縱、橫橋向設(shè)置成鉆石型擴(kuò)頭，使得橋墩造型多變不呆板。從而又體現(xiàn)了“從統(tǒng)一中尋求多樣”[1]這一思想。

（2）對(duì)稱設(shè)計(jì)

對(duì)稱美無(wú)論是大自然中，還是社會(huì)生活中，到處可見(jiàn)，在橋梁中也不例外。橋梁的對(duì)稱不僅能夠表現(xiàn)出力學(xué)上的平衡，又能夠融入藝術(shù)的原理[2]。廣州從化大橋的結(jié)構(gòu)對(duì)稱不僅體現(xiàn)在縱向跨徑對(duì)稱，縱坡對(duì)稱。亦體現(xiàn)在橫向，上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)關(guān)于道路中心線對(duì)稱，橋墩本身亦是關(guān)于結(jié)構(gòu)中心線對(duì)稱的。

3 橋墩方案選型

橋墩按形態(tài)分類可分為柱形橋墩、各種空心墩、板式橋墩等形式。

圖1 從化大橋橋型圖（單位：m）

圖2 主橋主梁跨中橫斷面

圖3 引橋35 m跨主梁橫斷面

（1）柱式墩

常用的雙柱式橋墩（見(jiàn)圖4）造型簡(jiǎn)潔，橋墩墩身自重較小，但美觀性能一般，外觀單調(diào)。況且其整體風(fēng)格與從化大橋拱橋橋型以及上部魚腹式主梁外形不協(xié)調(diào)，違背了“從多樣中尋求統(tǒng)一”這一原則。若采用此類柱式橋墩，會(huì)給人以頭重腳輕的感覺(jué)。

圖4 雙柱式橋墩

（2）花瓶狀板式墩

花瓶狀板式墩通過(guò)曲線變化將墩頂和墩底連起來(lái)成花瓶狀，并通過(guò)墩身局部刻槽，凹槽在墩身底部到墩頂逐步加寬呈花瓣形，見(jiàn)圖5。此類型橋墩輕巧美觀，簡(jiǎn)單大方，市政橋梁設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到，但與本橋上部魚腹式主梁外形銜接起來(lái)不順暢，且景觀上沒(méi)有特點(diǎn)。

圖5 花瓶狀板式墩

（3）從化大橋橋墩

結(jié)合主橋拱橋橋型及上部主梁曲線構(gòu)造的特點(diǎn)，本橋擬采用板式花瓶墩造型（見(jiàn)圖6）。相對(duì)于傳統(tǒng)的花瓶墩，本橋橋墩設(shè)計(jì)時(shí)在以下幾點(diǎn)做了改造：a.橋墩表面增加縱向裝飾與凹槽。通過(guò)橋墩墩身局部刻槽，一方面可以強(qiáng)化豎向的方向性，產(chǎn)生挺拔直立的感覺(jué)[3]；另一方面，裝飾線也起到很強(qiáng)的分割作用，將大塊混凝土化整為零，從而改善了單調(diào)呆板的表面[3]。加上凹入部分使反光面減少，對(duì)減輕笨重的體積感，改善單調(diào)呆板的表面都很有利。b.橋墩墩帽縱、橫向做成鉆石型擴(kuò)頭，顯著改善了視覺(jué)效果。再者配以混凝土的材料質(zhì)感，整體協(xié)調(diào)，力量與安全感體現(xiàn)較好。另外鉆石型擴(kuò)頭起到了很好過(guò)渡作用，使下部橋墩與上部主梁自然、順暢的連接，同時(shí)也體現(xiàn)了力學(xué)連續(xù)感。

圖6 本橋板墩

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從化大橋橋墩采用花瓶形板式橋墩，墩帽縱橋向?yàn)殂@石型擴(kuò)頭。引橋橋墩構(gòu)造尺寸（見(jiàn)圖7）：30 m連續(xù)梁和35 m連續(xù)梁分別采用不用的尺寸。35 m連續(xù)梁墩底尺寸為400 cm×140 cm截面，墩帽尺寸800 cm×300 cm，花瓶墩弧形變寬高度為300 cm；30 m連續(xù)梁墩底尺寸為300 cm×120 cm截面，墩帽尺寸550 cm×200 cm，花瓶墩弧形變寬高度為150 cm。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意花瓶墩弧形變寬高度應(yīng)根據(jù)墩高和上部荷載適當(dāng)調(diào)整，原則上既要使墩底與墩頂順暢過(guò)渡，又要滿足支座反力的抗剪要求。橋墩立面采用“拱形門”刻槽（凹槽深度10 cm）來(lái)增加橋墩立面的變化。

圖7 從化大橋引橋橋墩構(gòu)造（單位：mm）

主橋橋墩構(gòu)造尺寸（見(jiàn)圖8）：墩底尺寸為1800cm×300 cm截面，墩帽尺寸2 680 cm×480 cm，花瓶墩弧形變寬高度為750 cm。由于主橋支座反力大，故支座中心線均布置在橋墩變化截面以內(nèi)。主橋橋墩高，花瓶墩弧形變寬變高度取值較大，以便墩底與墩頂順暢過(guò)渡。主橋橋墩橫向較寬，故采用兩個(gè)“拱形門”刻槽（凹槽深度10 cm）來(lái)改善橋墩單調(diào)呆板的表面。

圖8 從化大橋主橋橋墩構(gòu)造（單位：cm）

花瓶形橋墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括橋墩墩底的受壓設(shè)計(jì)、制動(dòng)力和活載偏載作用下的墩底偏心受壓計(jì)算、墩帽的支點(diǎn)豎向截面抗剪切設(shè)計(jì)與墩帽的鋼筋骨架設(shè)計(jì)。橋墩的受壓設(shè)計(jì)是一種常規(guī)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多，對(duì)于墩帽支點(diǎn)截面的抗剪設(shè)計(jì)與墩帽骨架鋼筋設(shè)計(jì)[4]，做簡(jiǎn)要介紹（引橋）。

拉桿計(jì)算高度：h=1.8 m

拉桿鋼筋截面面積：As=12 000 m2

鋼筋中心距外緣距離as=0.086 m

拉桿壓力線在拉桿計(jì)算高度范圍頂面的作用點(diǎn)至墩臺(tái)邊緣的距離a=0.15h0=0.26 m

拉桿有效高度h0=1.714 mha=s+6d=0.27 m

撐桿壓力線與拉桿拉力線的夾角θ1=θ2=tan-1[h0/（x+a）]=70°

撐桿計(jì)算高度：t=bsinθ+hacosθ=0.77 m

設(shè)計(jì)反力Nd=7 000 kNDd=Nd/sinθ=7 303 kNTd=Nd/tanθ=2 083 kN

系桿鋼筋拉應(yīng)變?chǔ)?[Td/（As·Es）+0.002]cot2θi=0.000 245

撐桿混凝土核心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcd,s=[fcu,k/（1.43+304ε1）]=19.2≤0.48 fcu,k

撐桿抗壓承載力驗(yàn)算：

γ0Dd=8 043 kN≤tbsfcd,s=17 740.8 kN滿足規(guī)范要求；

拉桿抗拉承載力驗(yàn)算：

γ0Td=2 291 kN≤fsdAs=4 471 kN滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)鉆石外形特點(diǎn)，應(yīng)用在花瓶形橋墩中，通過(guò)斷面棱角切面的變化，在形成富有藝術(shù)感的橋墩造型時(shí)，又保證了橋墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全，是現(xiàn)在橋梁美學(xué)的一次美麗嘗試。

（2）橋墩的建筑美學(xué)服從于全橋的建筑風(fēng)格。對(duì)于大中橋梁，橋墩的美學(xué)首先應(yīng)該滿足橋梁的視覺(jué)安全感。據(jù)此確定橋墩的基礎(chǔ)造型。通過(guò)橋墩上的線條變化、截面變化、立面凹槽甚至局部挖空改變橋墩的單調(diào)枯燥建筑形式。

（3）在現(xiàn)代化城市建設(shè)中，橋梁景觀設(shè)計(jì)越來(lái)越重要，在遵循橋梁總體景觀規(guī)劃布局下，方案設(shè)計(jì)應(yīng)滿足城市建筑風(fēng)格理念，達(dá)到景中有橋、橋中有景的有機(jī)結(jié)合。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚建鋒.橋梁造型與景觀設(shè)計(jì)探析[J].江西建材,2015,157(4):150,153.

[2]張杰,孫建光.橋梁美學(xué)設(shè)計(jì)方法探討[J].公路交通技術(shù),2014(1):150-153.

[3]蘭燕.橋墩造型及其抗震性能研究 [D].陜西西安:長(zhǎng)安大學(xué),2005.

[4]JTG D62-2004,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[S].