融合地域文化的景观人行桥设计

陈小涛

（湖南省建筑设计院集团有限公司，湖南 长沙 410012）

0 引言

随着过街矛盾的加剧，国内众多地方县市开始兴建首座人行天桥，天桥建设被赋予了很高的期望。过去，大部分人行天桥过于注重实用性，而忽略了造型的设计，对自身的美化和周围环境的协调考虑较少，单调简陋的人行天桥与当今日新月异的城市发展格格不入。现今，人行天桥的美学越来越受到各方的重视，天桥不仅是满足过街需求的结构物，更是当做一项城市的景观工程，让大众在享用天桥便利交通的同时也享受到它带来的各种美。文献[1-3]提出了不少天桥美学创作的切入点，在此，笔者认为将城市独有的文化元素融入天桥美学，其效果是独特的、自然的、深远的。本文以某县首座人行天桥为例，介绍了融合地域特色文化人行天桥的方案创作思路以及结构设计。

1 工程概况

天桥位于某县一中校门与体育馆之间，学校紧邻交通繁忙的国道，天桥主要为学生过街修建。该国道在城区段已进行市政化改造，道路标准横断面布置见图1。由于主辅侧分带下管线繁多不宜立墩，天桥需一跨跨越国道。本桥在满足基本过街需求的同时，亦要求将桥梁打造为城市的一张名片，成为对外展示的窗口。

图1 道路标准横断面（单位：cm）

2 方案构思

一张城市的好名片莫过于一座城市最深厚的文化。该县是全国著名的“竹木之乡”，编织竹器远销海外，久负盛名，如何将当地的竹器文化与现代建筑相融合是本次桥梁方案设计一直思考的问题。竹器文化的精髓在于精巧的编织工艺，因而将圆竹、编织、竹器元素融入桥梁方案：桥梁顶棚骨架采用整根圆竹空间双曲编织而成，遮阳板则采用竹片纵横叠织而成，并在中央开数个渐变方孔，以便桥上观景与透气。桥梁下部结构采用圆柱呼应圆竹元素，见图2。天桥的色调采用成熟竹节的黄色，能给人以柔和的感觉，也能给桥下通行的车辆一定的警示作用。天桥较为高大的尺寸在周边空旷低矮的空间内引人注目，整个实桥犹如一件精美的编织竹器盛置于圆竹墩柱上，行人过桥亦如游览一件工艺品，一步一景，心境怡然，见图3。

图2 方案意向图

图3 成桥实景

3 桥梁结构设计

3.1 桥梁总体布置

为了减少桥梁建设对现状交通的影响以及方便施工，天桥主桥采用单跨简支钢箱梁结构，箱梁全宽4.5 m，净宽4.0 m。主桥计算跨径35.5 m，两侧悬挑2.7 m，总长40.9 m。为了满足造型顶棚与主桥一致的设计使用年限，在比选了竹、木结构后，顶棚管架与遮阳板均采用钢材。顶棚外轮廓尺寸取6.2～8.6 m时，整体有较为协调的高宽比例，此时天桥内净空高度为4.2～5.4 m，造型顶棚与主桥之间通过水平杆件连接。天桥在两侧人行道上设置有4 个钢结构梯道，各梯道全宽3.0 m，净宽均为2.5 m。主桥下部结构采用V 型混凝土桥墩，梯道下部采用圆形混凝土墩柱，基础均为钻孔灌注桩。天桥立面、断面布置见图4、图5。

图4 天桥立面布置图（单位：cm）

图5 天桥横断面布置图（单位：cm）

3.2 桥梁细部结构

（1）钢箱梁《城市人行天桥与人行地道设计规范》（CJJ69-95）中要求天桥竖向自振频率不应小于3 HZ[5]，在不考虑顶棚对桥梁竖向刚度的贡献时，竖向基频控制主梁高度设计。同时梁高与顶棚建筑高度宜相协调，综合取定梁高为2.0 m。钢箱梁顶底板厚度均为14 mm，腹板为斜腹板，板厚14 mm。顶板设置纵向加劲肋11 道，两侧腹板各2 道，底板7 道，加劲肋厚均为14 mm。主梁标准段横向加劲肋间距为1.5 m。

（2）造型顶棚造型顶棚在结构设计时不考虑其对人群荷载的承载，因而其构件尺寸可相对较小。顶棚共设计有三种杆件：1 号杆ZG（φ245×16）为顶棚的主杆，2 号杆XJG（φ114×4.5）为斜向交叉排列的螺旋管架，3 号杆SPG（φ60×4）为斜杆交点的水平连杆。1 号主杆布置在顶棚的外围，并通过与主杆同型号的HG1 杆与钢箱主梁悬臂相连，连接大样见图6。

图6 杆件示意图与连接大样图

（3）桥面铺装桥面铺装采用了有别于常规焊钉+混凝土铺装的做法，采用3 mmMMA 彩色防滑铺装系统。薄层铺装能很大程度上减轻铺装恒载且施工便捷，亦与钢桥面板有很好的粘合与防水性能，铺装色彩也可辅助桥梁主题的表达。

4 结构有限元分析

4.1 计算参数

结构受力与施工阶段息息相关，造型顶棚因不考虑其与主桥共同承受活载，只将其作为外荷载施加于主桥之上，因而桥梁施工需按照如下步骤进行：桥梁下部墩台与支座施工→主梁与梯道吊装→拆除主梁全部临时支墩→顶棚安装→附属结构施工。桥梁受力分析将分两大部分进行，其一为顶棚在自重、风荷载、雪荷载、温度荷载作用下的静力分析，其二为成桥阶段在恒载、活载、风荷载、雪荷载、温度荷载等组合工况下的静力以及动力分析。

顶棚基本风压取0.45 kN/m2，体型系数取1.3，基本雪压取0.65 kN/m2，遮阳编织板取0.16 kN/m2，温度整体升降温30℃。成桥状态人群荷载根据主桥净宽计算取值为4.15 kN/m2[4-5]，铺装与栏杆共计1.95 kN/m，温度整体升降温30℃，由于设置有遮阳板可不考虑桥面温度梯度荷载。顶棚管架采用Q345B，主桥钢箱梁采用Q345C。

4.2 顶棚静力分析

在对顶棚单独进行静力分析时，边界条件取HG1 杆在与钢箱梁连接处固结。根据计算结果分析表明，杆件应力比最大值为0.91，应力比大于0.7 的仅占0.1%，99.5%的杆件应力比在0.5 以下，直观表达见图7。杆件的挠度、屈曲稳定分析均能满足规范要求。由于HG1 杆边界固结，在温度荷载下构件应力相比实际偏大（HG1 杆与主梁连接时，在温度荷载下可与主梁同伸缩），构件应力强度有一定的富余，见表1。

图7 杆件应力比分布图

表1 杆件应力比分布表

4.3 成桥静力分析

成桥模型见图8，支座自由度按实际模拟，支座节点与主梁节点通过刚性连接约束，顶棚与主梁节点通过刚性连接约束。由表2 可知主梁应力幅值整体较小；顶棚中的1 号杆与2 号杆组成了棚顶受力骨架，应力值相对较大，3 号杆件起水平连接构造作用；顶棚与主梁之间的荷载转换杆HG1 杆应力值最大为212.2 MPa，此杆件为整个结构的关键杆件，杆件与主梁悬臂连接点为关键节点，需对该部位构造做实体分析验算，见表2。

图8 全桥杆系模型

表2 构件基本组合包络应力值 单位：MP a

4.4 成桥动力分析

保持成桥状态的边界条件，将结构自重以外的恒载转化为质量，得到前6 阶自振频率与振型特征见表3。结构1 阶振型为全桥正对称竖弯，自振频率为4.85 Hz，避开了行人步频1.6～2.0 Hz 区间，亦大于规范限值3 Hz，满足设计要求[5]，见图9。

表3 结构自振频率及振型特征

图9 振型图（仅示前三阶）

4.5 关键节点局部分析

从成桥静力分析结果中可以看出，顶棚与主梁之间连接杆件HG1 杆应力值最大，连接杆件与主梁悬臂的焊接节点是结构传力的关键部位。为了保证节点构造合理、传力路径明确、且有足够的强度和刚度，有必要对该节点进行局部实体分析，以便为构件细部设计提供依据。

选取受力最大的悬臂节段做对称分析，边界条件为对称截面施加对称约束，荷载从静力杆系模型中提取悬臂端部内力包络值见表4。

表4 悬臂端部最大内力值

节段有限元模型见图10。由图11 应力云图可知，悬臂节段的Von-Mises 应力值在235 MPa 以内，HG1 杆与悬臂焊接圆周局部出现应力集中现象，节段的应力值均小于Q345qC 钢材的屈服强度345 MPa。

图10 节段有限元模型

图11 节段Von-Mis e s 应力（单位:MP a）

4.6 抗倾覆验算

由于桥梁建筑高度较高，顶棚内置防风遮阳板，桥梁有在横向风荷载、人群荷载偏载下倾覆的可能性。为了尽可能增大抗倾覆力矩，桥梁下部结构采用V 型墩，支座置于墩顶，支座横向间距3.5 m。抗倾覆验算的轴线为外侧纵向支座连线，重心在倾覆轴线以内的恒载抗倾覆弯矩计入ΣSbk，反之计入倾覆弯矩ΣSsk；人群活载按倾覆线以外0.25 m 区域布载、风荷载按桥面以上竖向投影面积计算，两种倾覆弯矩计入ΣSsk[6]。

整理得：

其中：ΣSbk=689.8×4×1.75=4 828.6 kN·m

5 结语

（1）本工程在挖掘地域特色文化，并将其融入天桥建筑方案中做了一些探索，取得了一定的成果。桥梁整体造型新颖雅致，让人耳目一新，给类似景观人行桥的创作提供了一种思路。

（2）景观人行桥的建造是一把“双刃剑”，景观效果越优，通常工程造价越高，施工越困难，需要在功能性、施工便利性与景观特色中找到均衡点。本工程主梁采用工厂预制吊装以便利施工，造型顶棚现场焊接利于造型效果。

（3）经过全桥的静力与动力分析以及节点的局部分析表明：结构有足够的强度、刚度、抗倾覆稳定性；成桥状态后顶棚结构在一定程度上对桥梁整体刚度有贡献，全桥基频4.85 Hz，超出规范限值较大范围；悬臂连接节点是传力关键点，类似桥梁需加强该类型节点的分析。