城市景观人行空间异形拱桥总体设计

曹杰桢

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 前言

随着城市建设的逐步推进，市政基础设施在满足交通和地方发展需求的同时，越来越多地被赋予城市地标及景观构筑物的功能。城市人行桥梁的基本功能在于满足区域间人群出行的需求，因其往往建设在城市标志性内湖、内河、重点商圈或潜力地块，加之本身承受的荷载较小，容易采用富有特色的造型设计来表达景观诉求。近年来，城市景观人行桥梁逐步成为桥梁设计师一块重要的设计领域。如何将桥梁功能性、艺术性及与环境相互协调等问题有机地统一起来，是景观桥梁设计的重中之重，而专供人群出行的景观人行桥梁设计更在综合以上因素之外还需考虑以人为本以期获得舒适良好的使用体验。

1 工程背景

某城市新区为进一步深化开发，增强地区竞争力，提升地区城市形象，对辖区内河道景观、水系防洪工程、沿岸道路桥梁及综合管网等市政基础设施进行了综合整治改造设计。根据路网规划，主河道沿线布设多座桥梁以加强地区交通，由于沿河两岸均规划为生态绿地，对跨河桥梁方案提出了较高的景观设计要求。由于三叉河口处主河道呈弯曲走向，两岸沿线均规划有城市道路，从平面线形来看，道路和水系均呈现为流动性曲线，故在方案设计阶段，考虑对新增桥梁的平面设计宜同样采用曲线形式，以保持区域地块地形地物平面线条的整体性及协调性。主河道此处河口宽约60 m，根据总体景观设计，河口附近除主河道凹岸处设有景观塔楼外，其余均为低矮建筑小品设计，视野开阔，桥梁方案可考虑在桥面以上采用构筑物以增加视觉焦点，丰富空间层次感。根据桥址周围地块开发规划，两岸将建成多座新兴小区并配套商业设施，整体风貌设计为现代、闲适的生活娱乐中心。在桥型方案的选择上着重从现代感、视觉冲击力及简约风格等入手，抛弃以附加装饰为手段的桥梁景观设计思路，依靠结构本身的建筑美学达到融入环境又突出于环境的效果。

基于以上思路，通过多轮比选，最终选用了空间异形拱桥方案，见图1。

2 景观方案

本工程实例建设地点位于两条内河斜向交汇形成三叉河口的节点位置，为了将河口沿岸空间有机联系起来，总体景观设计在此规划建设一座景观人行桥梁以连通被河道分割成三块的区域。

图1 桥梁方案效果图

该方案中桥梁平面线形设计采用两段圆弧曲线（R=69.5 m、R=102 m）相接，在主河道凹岸与景观塔楼水中平台平交，分为主、引桥两部分，其中主桥采用外倾异形拱+单索面+曲线钢梁。主、引桥及水中平台步道均采用统一材质的木材铺地，从视觉上形成连贯主体，主拱与平面的曲梁相互呼应，线条简洁、流畅大方。

3 技术标准

安全等级：城市专用人行桥，按二级设计；

桥梁设计基准期：100 a；

环境类别：Ⅰ类；

桥梁设计荷载：按《城市人行天桥与人行地道技术规范》人群荷载规定取值；

地震烈度：抗震设防烈度为Ⅵ度，设计基本地震动加速度值为0.05 g；

通航要求：无；

设计水位：常水位35 m（1985国家高程基准），50 a一遇最高洪水位37.643 m。

4 结构设计

主桥设计为空间异型拱桥，桥面中心线位于R=69.5 m的圆曲线上，跨径布置为：24.7 m+72 m+24.7 m=121.4 m。横断面总宽为5.5 m，横向布置为：1 m（钢栏杆）+3.5 m（人行道）+1 m（钢栏杆）=5.5 m，见图2。

主拱拱肋平面与水平面夹角为70°，拱肋平面内拱轴线采用二次抛物线，矢高26.6 m，矢跨比为1/2.6，见图3。主梁断面采用非对称的单悬臂钢箱梁结构，主梁沿曲线内侧通过15根吊杆与主拱连接。吊杆采用两端叉耳式GJ15型环氧喷涂钢绞线整束挤压型成品索，见图4。

桥址处地质条件较好，浅层以粉质粘土、砾砂为主，埋深7～8 m见微风化花岗岩岩面。主墩基础采用平面尺寸为12 m×8 m，高7.3 m的沉井结构，以便于施工并能有效地平衡主拱推力。

图2 桥梁立面布置（单位：m）

图3 桥梁平面布置（单位：m）

图4 桥梁跨中断面布置（单位：m）

拱肋断面采用外轮廓尺寸为1.8 m×2.4 m的钻石形钢箱断面，钢板壁厚采用25 mm。吊耳处设加劲横隔板，壁厚采用16 mm。为便于施工吊装，全拱划分为7个节段，其中包括两端与混凝土拱座相接的钢混凝土结合段，见图5。

图5 钢拱肋吊杆处横断面（单位：mm）

曲线主梁采用单悬臂钢箱梁断面，梁高1.4 m，宽4.75 m；其中，外侧悬臂宽2.45 m，箱梁顶宽2.3 m。标准断面顶底板、腹板厚度均采用12 mm，中支点附近局部加厚至16～20 mm。全桥每隔2.25 m设一道横隔板，沿曲线内侧在吊杆位置设耳板以供吊杆连接。梁端两侧6 m范围内进行局部压重，见图6。

图6 主梁吊杆处横断面（单位：mm）

主拱与主梁之间通过15根GJ15型环氧喷涂钢绞线整束挤压型成品索相连接，两端均为叉耳式。根据成桥索力，采用了GJ15-5CR、GJ15-9CR两种规格，设计安全系数不小于2.5。外倾主拱与曲线主梁之间理论锚点位置为完全空间关系，对全桥吊杆、耳板进行了空间放样以确定合理的构造处理，见图7、图8。

图7 主拱耳板构造大样（单位：mm）

图8 主拱肋及吊杆、叉耳结构三维示意图

拱脚设钢混凝土结合段锚固于混凝土拱座内，四周设剪力钉及槽形钢筋以增加握裹力。拱座顺拱肋空间形态呈不规则外形，靠主梁侧放置主墩定制球钢支座。

主墩基础采用了平面尺寸为12 m×8 m的沉井结构，井壁厚度为1m，内隔墙厚度为0.5 m，分为四个井室，推力方向外侧两个井室填充C15片石混凝土。封底混凝土厚度为2.5 m，见图9。

图9 沉井平面布置（单位：m）

主桥边支点采用了柱式墩及轻型桥台接D1.0 m钻孔灌注桩基础。

5 结构分析

对主桥建立Midas Civil空间有限元模型进行总体静力计算及动力特性分析、屈曲稳定性分析，见图10。

图10 主桥有限元计算模型

5.1 总体静力计算

主梁在使用阶段最大拉应力为117 MPa，最大压应力为102 MPa。主拱在使用阶段最大拉应力77 MPa，最大压应力为102 MPa，考虑稳定折减后应力状况满足规范要求，见图11、图12。

图11 主梁荷载标准值组合下正应力

图12 主拱荷载标准值组合下正应力

5.2 动力特性分析与屈曲稳定性分析

结构竖向振动出现在第一阶，自振频率为3.0 Hz。

第一阶失稳模态为主梁面内失稳，稳定系数为 526，见图13。

图13 结构第一阶失稳模态

5.3 基础计算

对沉井结构考虑如下计算工况：

（1）按整体基础进行基底承载力及稳定性验算；

（2）下沉及封底验算，包括封底混凝土厚度验算、沉井上浮验算及井壁抗剪验算；

（3）盖板受力验算。

沉井持力层为微风化花岗岩，地基承载力容许值[fa0]=4.5 MPa，属较完整的较硬岩。

最不利荷载组合工况下基础验算见表1。

表1 最不利荷载组合工况下基础验算

封底混凝土厚度根据《公路桥涵地基与基础设计规范》第6.3.5条规定按四边简支矩形双向板进行验算：

板厚 t=（6×β0×q0×B2/[σwl]）1/2＜2.5 m

6 结语

本工程实例作为城市景观人行桥梁，突破常规拱桥方案构思，结构形式新颖，景观效果佳，建成后使用体验良好，并已成为当地建筑地标，见图14。

图14 桥梁实景图