德清门户型人行景观桥梁设计

2024-01-05张策萍

山西建筑 2024年2期

张策萍

(杭州交投二航院设计咨询有限公司,浙江杭州 310004)

1 设计概要

德清门户型人行景观桥位于德清经济开发区德清大道与中兴北路交叉口以北约45 m处,跨越中兴北路,中兴北路南接德清大道,北接丰庆街,规划为城市主干道,道路红线宽度42 m,设计时速50 km/h。本桥为跨越中兴北路的重要节点,承担德清经济开发区的门户形象作用,并兼顾中兴北路东西侧行人、非机动车道通行的交通功能。

人行桥主桥为三跨等高度刚构钢箱梁桥,跨径布置为(23.5+48+23.5)m=95 m,两侧以台阶接顺地面,平面呈多段圆曲线布置,桥梁结构沿顺桥向两头等宽,中间段设置24 m长的变宽段。桥南侧设置一钢管桁架拱门,拱门倾角为10°,辅以吊索与主梁梁体相接,拱门表皮采用双曲面铝板为基本单元重复拼接而成的镂空金属网格幕墙。桥墩与主梁固结,主桥桥面铺装及桥体结构外表面均采用鲜亮的橙色,配合夜间拱门的变色亮化设计,实现本工程醒目靓丽的门户景观特色效果(见图1)。

2 技术标准

1)设计基准期:100 a;设计使用年限:50 a。

2)天桥基本通行能力:楼梯2 400 P/(h·m)。

3)设计荷载:人群荷载按《城市人行天桥与人行地道技术规范》[1]计算取值。

4)天桥标准横断面:0.15 m(栏杆)+0.6 m(推行坡道)+4.5 m(人行道)+0.6 m(推行坡道)+0.15 m(栏杆)+0.3 m(吊索区)=6.3 m。

5)桥梁纵、横坡:中跨双向纵坡1%,边跨纵坡1∶5,横坡采用双向1.0%。

6)人行楼梯坡度为1∶5,踏步高为15 cm。

7)天桥下净高要求:机动车道不小于5.0 m,非机动车道不小于3.5 m,人行道不小于2.5 m。

8)桥梁结构设计安全等级:一级,桥梁结构重要性系数1.0。

9)桥梁结构环境类别:Ⅰ类环境。

10)抗震设防烈度:抗震设防烈度为6度,设计地震基本加速度值为0.05g,桥梁抗震设防分类为丁类,抗震设计方法分类为C类,抗震措施采用6度抗震构造措施。

11)桥面防水等级:Ⅱ级;桥面防滑等级为R1,防滑性能指标BPN≥80。

12)混凝土抗渗等级:P6。

3 设计要点

3.1 桥梁布置

人行桥主桥为三跨等高度刚构钢箱梁桥,跨径布置为(23.5+48+23.5)m=95 m,两侧以台阶接顺地面,全长113.54 m,平面呈多段反向圆曲线布置(见图2),桥梁结构标准宽度为6.3 m,标准断面布置形式为:0.15 m(栏杆)+0.6 m(推行坡道)+4.5 m(人行道)+0.6 m(推行坡道)+0.15 m(栏杆)+0.3 m(吊索区)=6.3 m,中间段设置24 m长的变宽段,宽度变化范围为6.3 m～8.8 m。中跨采用双向纵坡1%,边跨及台后梯道纵坡1∶5,梁底竖曲线半径50 m,梁体双向横坡1%。桥南侧设置一48 m跨钢管桁架拱门,拱门倾角为10°,辅以吊索与主梁梁体相接。桥面与拱门下缘间高度约13.5 m。

3.2 上部结构

主桥上部结构采用箱形钢结构,采用等高断面,梁高为1.5 m,顶板钢板厚为20 mm,底板厚度为20 mm,腹板钢板厚为16 mm,中横梁处横隔板厚25 mm,端横梁处横隔板厚20 mm,其他横隔板及加劲板为12 mm。

拱门采用钢管组合桁架拱,由4根弦杆、径向及斜向腹杆组成,拱肋中心线采用圆曲线绕拱脚横桥向朝南旋转10°而成,拱肋中心轴线跨径48 m,侧向旋转前矢高23.2 m,矢跨比1∶2.06。4根弦杆沿拱肋中心线按菱形布置,拱脚处弦杆中心距拱肋中心均为0.75 m,拱顶处弦杆中心距拱肋中心均为1.5 m,4根弦杆均呈圆曲线布置。

主拱肋4根弦杆、径向及斜向腹杆均采用等截面圆形钢管,其中弦杆截面尺寸采用φ508 mm×10 mm,径向腹杆截面尺寸采用φ219 mm×8 mm,斜腹杆截面尺寸采用φ168 mm×8 mm。

主桥与拱门之间采用吊索连接,边跨各4根,中跨17根,全桥合计25根,吊索外包热挤HDPE套管,单根吊索外径50 mm。

3.3 下部结构

下部结构包括主桥桥墩、桥台及拱座基础。

桥墩立柱采用圆柱形变截面钢结构,由底部1.4 m直径渐变为墩顶2.6 m直径,与主梁固结。

桥台采用桩接盖梁形式,桥台盖梁、桥墩下部承台及拱座均采用钢筋混凝土结构。盖梁梁高1.3 m,桥墩承台采用矩形承台,拱座基础呈三角形布置,厚度为2.5 m。

桩基均采用D80 cm钻孔灌注桩,桩基础施工采用旋挖钻机施工,每根桩基均预埋声测管,随机抽取50%进行超声波检测,其余须进行小应变测试,检查桩身完整性。

3.4 附属设施设计

1)桥面系:天桥踏步:10 mm厚钢板焊接;天桥及台后阶梯铺装:14 mm厚现浇彩色塑胶铺装;栏杆:采用钢栏杆;台后阶梯:级配碎石回填上铺C20素混凝土基层。

2)桥面排水:天桥中跨约36 m范围双向1%纵坡排水,其余部分以1∶5坡度设阶梯,双向1%横坡。

3)支座:桥台处设置板式橡胶支座,支座构造及性能要求参见JT/T 4—2004公路桥梁板式橡胶支座、JT/T 663—2006公路桥梁板式橡胶支座规格系列。

4)伸缩缝:梁端处设置伸缩缝,全桥共2道,伸缩缝采用沥青膏加锌铁皮的构造形式。

5)桥梁防腐涂装:本桥钢结构部分(主桥钢梁、拱门、墩柱、人行梯道及栏杆)为全焊结构,根据大气腐蚀环境,局部腐蚀因素及钢结构各部件的工作和维修条件,确定其腐蚀环境为C3中等,涂装耐久性要求为15 a。

表1中钢结构外表面系指所有直接暴露于大气中的钢结构外表面部分;钢结构内表面系指正常使用阶段处于密闭环境中的结构部分。

钢箱节段在现场焊接施工后,焊缝处应该按上述要求进行补涂。其他外露钢结构的防腐措施详见相应的构造图纸,且所有的临时外露钢(铁)预埋件表面,均应采用锌加保护防腐,其理论涂布量为3.54 m2/kg;所有的永久外露钢(铁)预埋件表面均需镀锌处理,镀锌量为600 g/m2。桥梁钢结构表面涂层配套体系见表1。

表1 桥梁钢结构表面涂层配套体系

注意栏杆底座处钢桥面应按钢结构外表面的涂层要求进行涂装,见表2。

表2 涂层体系性能要求

3.5 景观设计

作为门户型人行景观桥,本工程的景观设计较之常规的人行桥要求更高,需从更多的桥梁美化角度、从更多的细节方面进行综合考虑。

1)色彩设计:色彩对于桥梁的鲜明度、文化性及独特性起着至关重要的作用,是影响桥梁景观效果的重要因素。本工程桥梁的色彩设计既要考虑到周边环境的关系,又要与德清经济开发区现代化的发展定位相符合,在空间中具有门户的形象信号和象征作用。

经过专项色彩方案设计,最终在钢箱梁桥面及外轮廓、下部结构外表面采用鲜亮的橙色以展示本桥主体结构的形态美与功能美,利用该色彩的心理效果,防止驾驶员视觉疲劳,而外包镂空金属网格幕墙的拱门则采用铝板光面本色,不做涂装,以充满现代感的配色形成一道醒目靓丽的门户景观迎接进入德清经济开发区的人们。

2)桥面系景观设计:桥面铺装和栏杆可谓桥梁设计的门面工程,是过桥行人可以近距离感受的附属设施,其美观程度对一座桥梁的景观效果影响较大,因此桥面系应精心设计,注重美观,更多展示桥梁细节的艺术美[2]。

桥面铺装采用彩色塑胶,选用鲜亮的橙色与桥体外观统一协调,符合工程整体的色彩设计。同时为营造生态桥面的景观效果,结合桥梁结构受力特性,在桥梁两端区域内设置装饰性花槽,种植易于存活的小型灌木植被。

栏杆结构在满足相关规范要求的同时,也要有一定的景观要求,经专项设计方案对比后选用简洁雅致的钢制景观栏杆,栏杆采用曲线线型,与桥梁主体钢箱梁结构的平面线型及拱门的立面线型相呼应,实现整体构筑形态的协调一致性。

3)亮化设计:通过桥梁的泛光照明设计,桥梁可以在夜间呈现另一种别样的风光,因此景观桥梁的设计当中亮化设计是非常重要的一环。不同结构构件拟定分级照明亮度及灯光颜色标注,达到主次分明、重点突出,依桥构景。照明设计充分结合桥梁本身造型及景观特点,融合周边人文气息,与周边夜晚光环境及桥梁自身涂色相协调,力求简洁自然,不过度设计。

本工程在钢箱梁两侧栏杆下方以灯带勾勒桥面形状,辅以点状射灯实现桥梁的功能照明,而在拱门结构的夜间照明设计上则侧重其景观效果,在与桥梁照明相协调的基础之上,突出其本身在高度上的标志性。通过内置灯光,结合网格幕墙,按照一定的节奏变幻灯光色彩,产生多彩律动的照明效果,表现门户整体的夜间形象之美。

3.6 施工步骤示意

由于本工程平面呈曲线且立面纵坡较大、拱肋倾斜、梁拱之间的拉索连接等空间关系复杂,对施工单位及钢结构制作厂家的要求较高,施工放样前应全面了解设计图纸、资料及各相关图纸间的关系,并认真复核各墩台方位角、坐标以及各结构位置的标高,且在施工及制作过程中与设计单位保持密切沟通,以便及时解决工程中可能出现的问题。

1)下部结构采用常规的施工方法。拱肋承台施工时需注意预埋拱脚段。拱肋承台顶以上1 m范围内需外包C30混凝土。2)上部钢箱梁采用工厂节段焊接,试拼装(必要时可进行相关荷载试验),节段运输,现场焊接各节段,分段吊装焊接成桥的施工方案。3)桁架拱门在工厂内按正立面分五段预制,其中拱脚处两段施工时预埋在承台中。拱肋其余三段现场焊接成整体。拱肋施工时需用临时支架支撑,待吊杆张拉结束后,拆除临时支架。4)主体结构施工完成后进行桥面系、灯光照明等附属设施建设。

3.7 主桥结构分析

项目组运用Midas Civil程序对桥梁进行平面杆系和空间杆系计算,通过分析,不仅掌握了全桥总体受力状态,也对各施工阶段结构的受力状态有了全面把握。在保证景观效果的基础上合理优化结构设计,确保结构安全可靠。结构计算模型如图3所示。

计算考虑如下荷载:

自重:拱肋自重采用自重系数-1.0,钢箱梁自重采用自重系数-1.0并附加-6.0 kN/m的加劲肋及横隔板自重;二期恒载包括:桥面铺装及钢栏杆,合计-18.0 kN/m;人群荷载:按CJJ 69—95城市人行天桥与人行地道技术规范第3.1.3 条取值[3],本模型中按3.7 kPa计算;温度荷载:设置正系统温度荷载升温25 ℃,负系统温度荷载降温-25 ℃;梯度升降温采用JTG D60—2015通规[4]第4.3.12-3,分别取+14 ℃,-5.5 ℃;风荷载设计参数:风荷载按JTG/T D60-01—2004公路桥梁抗风设计规范计算,基本风速根据该规范基本风速表查得:地表类别:C类,工程场地桥位地表粗糙度系数α=0.22;1/100基本风速:28.6 m/s;阵风系数Gv=1.48;基础变位参数:拱肋及钢箱梁基础考虑-1.0 cm基础变位,取最不利考虑。

计算施工阶段划分如下:施工阶段1:拱肋钢梁架设;施工阶段2:吊杆张拉;施工阶段3:二期恒载。

根据规范要求,针对主桥结构进行以下分析:

1)施工阶段受力分析。在设计作用下,对施工阶段拱肋及箱梁的应力及吊索内力进行结果分析。经计算,各施工阶段中最大拉应力为59.5 MPa,最大压应力为86.6 MPa,吊索拉力范围值为28.6 kN～31.3 kN。

2)成桥状态受力分析。在设计作用下,对成桥状态的拱肋、钢梁及桥墩进行内力结果分析。经计算,成桥状态下,拱肋最大正弯矩值为113.2 kN·m,最大负弯矩值为25.8 kN·m,最大剪力值为109.8 kN,最大轴力值为856.7 kN。钢梁最大正弯矩值为8 653.1 kN·m,最大负弯矩值为11 527.3 kN·m,最大剪力值为1 220.6 kN。桥墩最大正弯矩值为6 126.7 kN·m,最大负弯矩值为6 126.7 kN·m,最大剪力值为167.6 kN,最大轴力值为2 379.3 kN。

3)上部结构验算。在设计作用下,对箱梁、拱肋及吊索进行承载能力验算,并进行吊索选型,同时对结构变形进行验算。主桥钢梁上下翼缘最大弯曲应力分别为70.6 MPa(拉) 和-91.7 MPa(压),均小于275/1.1=250 MPa,满足规范设计要求。

拱肋最大组合应力分别为91 MPa(拉) 和-150 MPa(压),均小于275/1.1=250 MPa,满足规范设计要求。

根据吊索计算结果,吊杆选型确保在标准组合下的索力均满足2.5倍系数要求。

根据CJJ 69—95城市人行天桥与人行地道技术规范第2.5.2条规定:钢梁结构在人群荷载作用下的最大竖向挠度,不应超过L/600(80 mm);拱肋不应超过L/800(60 mm)。钢拱肋在活载作用下的竖向挠度值为1.4 mm<60 mm,满足规范要求。钢梁和钢拱肋在活载作用下的竖向挠度值为21 mm<80 mm,满足规范要求。

按《钢规》第4.2.4条规定,钢桥预拱度设置宜按照自重标准值加1/2车道荷载频域值计算得到,跨中拱顶预拱度值为竖向11 mm,侧向6.0 mm;箱梁预拱度按竖向26 mm设置。

4)下部结构验算。在设计作用下,对桥墩及桩基进行承载力验算。根据计算,墩柱最大组合应力分别为-157.2 MPa(压),小于275/1.1=250 MPa,满足规范设计要求。根据上部结构计算反力结果,标准组合下,桥墩桩基单桩桩顶最大荷载1 029 kN,单桩轴向最大荷载为1 105.40 kN,根据地勘资料计算的钻孔灌注桩容许承载力为2 069.9 kN,控制桩基进入卵持力层深度不小于7.0 m,桩基承载力满足规范要求[5]。

5)舒适性验算。在设计作用下,验算箱梁竖向第一阶振型频率为4.2 Hz,满足城市人行桥规范中竖向基频不小于3 Hz,及舒适性要求。