融合地域文化的景觀人行橋設(shè)計(jì)

陳小濤

（湖南省建筑設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

0 引言

隨著過(guò)街矛盾的加劇，國(guó)內(nèi)眾多地方縣市開(kāi)始興建首座人行天橋，天橋建設(shè)被賦予了很高的期望。過(guò)去，大部分人行天橋過(guò)于注重實(shí)用性，而忽略了造型的設(shè)計(jì)，對(duì)自身的美化和周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)考慮較少，單調(diào)簡(jiǎn)陋的人行天橋與當(dāng)今日新月異的城市發(fā)展格格不入。現(xiàn)今，人行天橋的美學(xué)越來(lái)越受到各方的重視，天橋不僅是滿足過(guò)街需求的結(jié)構(gòu)物，更是當(dāng)做一項(xiàng)城市的景觀工程，讓大眾在享用天橋便利交通的同時(shí)也享受到它帶來(lái)的各種美。文獻(xiàn)[1-3]提出了不少天橋美學(xué)創(chuàng)作的切入點(diǎn)，在此，筆者認(rèn)為將城市獨(dú)有的文化元素融入天橋美學(xué)，其效果是獨(dú)特的、自然的、深遠(yuǎn)的。本文以某縣首座人行天橋?yàn)槔榻B了融合地域特色文化人行天橋的方案創(chuàng)作思路以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

天橋位于某縣一中校門與體育館之間，學(xué)校緊鄰交通繁忙的國(guó)道，天橋主要為學(xué)生過(guò)街修建。該國(guó)道在城區(qū)段已進(jìn)行市政化改造，道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置見(jiàn)圖1。由于主輔側(cè)分帶下管線繁多不宜立墩，天橋需一跨跨越國(guó)道。本橋在滿足基本過(guò)街需求的同時(shí)，亦要求將橋梁打造為城市的一張名片，成為對(duì)外展示的窗口。

圖1 道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：cm）

2 方案構(gòu)思

一張城市的好名片莫過(guò)于一座城市最深厚的文化。該縣是全國(guó)著名的“竹木之鄉(xiāng)”，編織竹器遠(yuǎn)銷海外，久負(fù)盛名，如何將當(dāng)?shù)氐闹衿魑幕c現(xiàn)代建筑相融合是本次橋梁方案設(shè)計(jì)一直思考的問(wèn)題。竹器文化的精髓在于精巧的編織工藝，因而將圓竹、編織、竹器元素融入橋梁方案：橋梁頂棚骨架采用整根圓竹空間雙曲編織而成，遮陽(yáng)板則采用竹片縱橫疊織而成，并在中央開(kāi)數(shù)個(gè)漸變方孔，以便橋上觀景與透氣。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用圓柱呼應(yīng)圓竹元素，見(jiàn)圖2。天橋的色調(diào)采用成熟竹節(jié)的黃色，能給人以柔和的感覺(jué)，也能給橋下通行的車輛一定的警示作用。天橋較為高大的尺寸在周邊空曠低矮的空間內(nèi)引人注目，整個(gè)實(shí)橋猶如一件精美的編織竹器盛置于圓竹墩柱上，行人過(guò)橋亦如游覽一件工藝品，一步一景，心境怡然，見(jiàn)圖3。

圖2 方案意向圖

圖3 成橋?qū)嵕?/p>

3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 橋梁總體布置

為了減少橋梁建設(shè)對(duì)現(xiàn)狀交通的影響以及方便施工，天橋主橋采用單跨簡(jiǎn)支鋼箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁全寬4.5 m，凈寬4.0 m。主橋計(jì)算跨徑35.5 m，兩側(cè)懸挑2.7 m，總長(zhǎng)40.9 m。為了滿足造型頂棚與主橋一致的設(shè)計(jì)使用年限，在比選了竹、木結(jié)構(gòu)后，頂棚管架與遮陽(yáng)板均采用鋼材。頂棚外輪廓尺寸取6.2～8.6 m時(shí)，整體有較為協(xié)調(diào)的高寬比例，此時(shí)天橋內(nèi)凈空高度為4.2～5.4 m，造型頂棚與主橋之間通過(guò)水平桿件連接。天橋在兩側(cè)人行道上設(shè)置有4 個(gè)鋼結(jié)構(gòu)梯道，各梯道全寬3.0 m，凈寬均為2.5 m。主橋下部結(jié)構(gòu)采用V 型混凝土橋墩，梯道下部采用圓形混凝土墩柱，基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁。天橋立面、斷面布置見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 天橋立面布置圖（單位：cm）

圖5 天橋橫斷面布置圖（單位：cm）

3.2 橋梁細(xì)部結(jié)構(gòu)

（1）鋼箱梁《城市人行天橋與人行地道設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ69-95）中要求天橋豎向自振頻率不應(yīng)小于3 HZ[5]，在不考慮頂棚對(duì)橋梁豎向剛度的貢獻(xiàn)時(shí)，豎向基頻控制主梁高度設(shè)計(jì)。同時(shí)梁高與頂棚建筑高度宜相協(xié)調(diào)，綜合取定梁高為2.0 m。鋼箱梁頂?shù)装搴穸染鶠?4 mm，腹板為斜腹板，板厚14 mm。頂板設(shè)置縱向加勁肋11 道，兩側(cè)腹板各2 道，底板7 道，加勁肋厚均為14 mm。主梁標(biāo)準(zhǔn)段橫向加勁肋間距為1.5 m。

（2）造型頂棚造型頂棚在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮其對(duì)人群荷載的承載，因而其構(gòu)件尺寸可相對(duì)較小。頂棚共設(shè)計(jì)有三種桿件：1 號(hào)桿ZG（φ245×16）為頂棚的主桿，2 號(hào)桿XJG（φ114×4.5）為斜向交叉排列的螺旋管架，3 號(hào)桿SPG（φ60×4）為斜桿交點(diǎn)的水平連桿。1 號(hào)主桿布置在頂棚的外圍，并通過(guò)與主桿同型號(hào)的HG1 桿與鋼箱主梁懸臂相連，連接大樣見(jiàn)圖6。

圖6 桿件示意圖與連接大樣圖

（3）橋面鋪裝橋面鋪裝采用了有別于常規(guī)焊釘+混凝土鋪裝的做法，采用3 mmMMA 彩色防滑鋪裝系統(tǒng)。薄層鋪裝能很大程度上減輕鋪裝恒載且施工便捷，亦與鋼橋面板有很好的粘合與防水性能，鋪裝色彩也可輔助橋梁主題的表達(dá)。

4 結(jié)構(gòu)有限元分析

4.1 計(jì)算參數(shù)

結(jié)構(gòu)受力與施工階段息息相關(guān)，造型頂棚因不考慮其與主橋共同承受活載，只將其作為外荷載施加于主橋之上，因而橋梁施工需按照如下步驟進(jìn)行：橋梁下部墩臺(tái)與支座施工→主梁與梯道吊裝→拆除主梁全部臨時(shí)支墩→頂棚安裝→附屬結(jié)構(gòu)施工。橋梁受力分析將分兩大部分進(jìn)行，其一為頂棚在自重、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度荷載作用下的靜力分析，其二為成橋階段在恒載、活載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度荷載等組合工況下的靜力以及動(dòng)力分析。

頂棚基本風(fēng)壓取0.45 kN/m2，體型系數(shù)取1.3，基本雪壓取0.65 kN/m2，遮陽(yáng)編織板取0.16 kN/m2，溫度整體升降溫30℃。成橋狀態(tài)人群荷載根據(jù)主橋凈寬計(jì)算取值為4.15 kN/m2[4-5]，鋪裝與欄桿共計(jì)1.95 kN/m，溫度整體升降溫30℃，由于設(shè)置有遮陽(yáng)板可不考慮橋面溫度梯度荷載。頂棚管架采用Q345B，主橋鋼箱梁采用Q345C。

4.2 頂棚靜力分析

在對(duì)頂棚單獨(dú)進(jìn)行靜力分析時(shí)，邊界條件取HG1 桿在與鋼箱梁連接處固結(jié)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析表明，桿件應(yīng)力比最大值為0.91，應(yīng)力比大于0.7 的僅占0.1%，99.5%的桿件應(yīng)力比在0.5 以下，直觀表達(dá)見(jiàn)圖7。桿件的撓度、屈曲穩(wěn)定分析均能滿足規(guī)范要求。由于HG1 桿邊界固結(jié)，在溫度荷載下構(gòu)件應(yīng)力相比實(shí)際偏大（HG1 桿與主梁連接時(shí)，在溫度荷載下可與主梁同伸縮），構(gòu)件應(yīng)力強(qiáng)度有一定的富余，見(jiàn)表1。

圖7 桿件應(yīng)力比分布圖

表1 桿件應(yīng)力比分布表

4.3 成橋靜力分析

成橋模型見(jiàn)圖8，支座自由度按實(shí)際模擬，支座節(jié)點(diǎn)與主梁節(jié)點(diǎn)通過(guò)剛性連接約束，頂棚與主梁節(jié)點(diǎn)通過(guò)剛性連接約束。由表2 可知主梁應(yīng)力幅值整體較小；頂棚中的1 號(hào)桿與2 號(hào)桿組成了棚頂受力骨架，應(yīng)力值相對(duì)較大，3 號(hào)桿件起水平連接構(gòu)造作用；頂棚與主梁之間的荷載轉(zhuǎn)換桿HG1 桿應(yīng)力值最大為212.2 MPa，此桿件為整個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵桿件，桿件與主梁懸臂連接點(diǎn)為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，需對(duì)該部位構(gòu)造做實(shí)體分析驗(yàn)算，見(jiàn)表2。

圖8 全橋桿系模型

表2 構(gòu)件基本組合包絡(luò)應(yīng)力值 單位：MP a

4.4 成橋動(dòng)力分析

保持成橋狀態(tài)的邊界條件，將結(jié)構(gòu)自重以外的恒載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，得到前6 階自振頻率與振型特征見(jiàn)表3。結(jié)構(gòu)1 階振型為全橋正對(duì)稱豎彎，自振頻率為4.85 Hz，避開(kāi)了行人步頻1.6～2.0 Hz 區(qū)間，亦大于規(guī)范限值3 Hz，滿足設(shè)計(jì)要求[5]，見(jiàn)圖9。

表3 結(jié)構(gòu)自振頻率及振型特征

圖9 振型圖（僅示前三階）

4.5 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)局部分析

從成橋靜力分析結(jié)果中可以看出，頂棚與主梁之間連接桿件HG1 桿應(yīng)力值最大，連接桿件與主梁懸臂的焊接節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)傳力的關(guān)鍵部位。為了保證節(jié)點(diǎn)構(gòu)造合理、傳力路徑明確、且有足夠的強(qiáng)度和剛度，有必要對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部實(shí)體分析，以便為構(gòu)件細(xì)部設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

選取受力最大的懸臂節(jié)段做對(duì)稱分析，邊界條件為對(duì)稱截面施加對(duì)稱約束，荷載從靜力桿系模型中提取懸臂端部?jī)?nèi)力包絡(luò)值見(jiàn)表4。

表4 懸臂端部最大內(nèi)力值

節(jié)段有限元模型見(jiàn)圖10。由圖11 應(yīng)力云圖可知，懸臂節(jié)段的Von-Mises 應(yīng)力值在235 MPa 以內(nèi)，HG1 桿與懸臂焊接圓周局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，節(jié)段的應(yīng)力值均小于Q345qC 鋼材的屈服強(qiáng)度345 MPa。

圖10 節(jié)段有限元模型

圖11 節(jié)段Von-Mis e s 應(yīng)力（單位:MP a）

4.6 抗傾覆驗(yàn)算

由于橋梁建筑高度較高，頂棚內(nèi)置防風(fēng)遮陽(yáng)板，橋梁有在橫向風(fēng)荷載、人群荷載偏載下傾覆的可能性。為了盡可能增大抗傾覆力矩，橋梁下部結(jié)構(gòu)采用V 型墩，支座置于墩頂，支座橫向間距3.5 m。抗傾覆驗(yàn)算的軸線為外側(cè)縱向支座連線，重心在傾覆軸線以內(nèi)的恒載抗傾覆彎矩計(jì)入ΣSbk，反之計(jì)入傾覆彎矩ΣSsk；人群活載按傾覆線以外0.25 m 區(qū)域布載、風(fēng)荷載按橋面以上豎向投影面積計(jì)算，兩種傾覆彎矩計(jì)入ΣSsk[6]。

整理得：

其中：ΣSbk=689.8×4×1.75=4 828.6 kN·m

5 結(jié)語(yǔ)

（1）本工程在挖掘地域特色文化，并將其融入天橋建筑方案中做了一些探索，取得了一定的成果。橋梁整體造型新穎雅致，讓人耳目一新，給類似景觀人行橋的創(chuàng)作提供了一種思路。

（2）景觀人行橋的建造是一把“雙刃劍”，景觀效果越優(yōu)，通常工程造價(jià)越高，施工越困難，需要在功能性、施工便利性與景觀特色中找到均衡點(diǎn)。本工程主梁采用工廠預(yù)制吊裝以便利施工，造型頂棚現(xiàn)場(chǎng)焊接利于造型效果。

（3）經(jīng)過(guò)全橋的靜力與動(dòng)力分析以及節(jié)點(diǎn)的局部分析表明：結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度、剛度、抗傾覆穩(wěn)定性；成橋狀態(tài)后頂棚結(jié)構(gòu)在一定程度上對(duì)橋梁整體剛度有貢獻(xiàn)，全橋基頻4.85 Hz，超出規(guī)范限值較大范圍；懸臂連接節(jié)點(diǎn)是傳力關(guān)鍵點(diǎn)，類似橋梁需加強(qiáng)該類型節(jié)點(diǎn)的分析。