支撑式悬挑结构在山野型绿道中的设计和应用

许绍先

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 35001)

0 引言

“绿道”是一种线形的绿色开敞空间，通常沿着河滨、溪谷、城镇、山地等空气、风景俱佳的地带延展，并且连接主要公园、自然保护区、风景名胜区、历史古迹等重要空间节点，可供游人及骑行者徜徉其间，吸引民众绿色出行，是群众休闲旅游健身的重要载体与纽带，承载着自然生态与城市文化的联系循环。

城市绿道建设是一项“有利于生态环保、增进民众健康、推动节能减排、强化生态宜居” 的绿色工程。绿道可分为城镇型、田园型、山野型等。由于福建多山地形，福建多数地市处于河谷盆地，绿色廊道建设紧靠山坡穿行是常见情形。对于高陡山地路段，采用栈桥方案是一种有效途径，但造价高昂的同时，常因开建施工便道带来沿线植被较大破坏且恢复困难，不符合绿道建设原则。

本文借助陡峭山区公路挡墙设计技术方法，结合建筑框架梁+楼面板结构，在因地制宜、经济适用且安全可靠的前提下，分析论述一种支撑式悬挑结构，如图1所示。用以补足道路欠宽的同时，最大限度地保护原始生态植被。该法在三明市区城市绿道建设中得到成功的实践应用，获得良好的建设效果和经济环保效益，具有一定的技术推广价值。

1 工程实例

三明市区城市绿道为山野型绿道，全线沿山而建，最大特色在于可从山林中俯眺城市风光。设计在保护山林地貌，尊重原生植被、生物、生态环境的多样性基础上，以人为本，把当地的历史文化、自然生态与绿道设计有机结合，塑造怡人的空间，给人们提供了新型的休憩方式，倡导“绿色出行、低碳生活”。项目建设北起梅列区小溪农场，南至三元区富兴堡，总长度约20km，分为3期建设，平面最小半径R=12m，最大纵坡≤8%，设计标准宽度5.0m，人群荷载按5kPa，汽车荷载按应急救援小车专用道路考虑。

2 总体设计构思

借助陡峭山区公路挡墙设计技术方法，结合建筑纵横框架梁+楼面板结构，提出施工便捷、技术可靠、经济实用的悬挑式设计结构。该结构可最大限度不破坏山体，保护了原生自然生态环境，充分利用已确认的路基范围内设计廊道空间，杜绝内侧高挖，外侧高填，降低植被破坏，尽可能地回归植被空间，同时经济造价合理适中，工程施工便捷，难度较小，且建成后使用寿命较长[2]。

3 具体设计方法

整体式悬挑设计具体方法设计图如图1～图3所示。

图1 悬挑横断面示意图

图2 悬挑平面设计图

图3 悬挑梁尺寸及配筋设计图

(1)绿道路基边缘内退后，在稳定边坡上人工挖基浇筑外侧混凝土支撑挡墙。

(2)在靠山侧人工挖基，贴地纵向浇筑内侧砼条形基础。

(3)用透水性粒料充填挡墙墙背，并采用小型机具人工捣实。

(4)浇筑钢筋砼纵、横向梁：纵向梁沿着挡墙墙顶及条形基础上浇筑。横向梁垂直于路线走向，支撑在挡墙上并向外悬挑浇筑。

(5)上述纵梁、横梁均通过框架钢筋刚性联结，以使悬挑端任何一点荷载作用均由纵、横梁的整体框架结构共同抵抗。内侧纵梁与砼条形基础再通过连接钢筋联结为一体，作为整体配重以抵抗悬挑端倾覆(必要情形还可通过锚杆将砼条形基础与基岩连为一体)。

(6)浇筑钢筋混凝土面板。

(7)完成沥青路面结构铺筑和其余铺装。

4 受力分析与计算

悬挑梁板的受力分析计算主要分为：支撑挡墙的稳定性验算(包括抗滑移、抗倾覆、基底强度、截面强度、整体稳定性等)；整体式悬挑梁抗弯、抗剪、抗裂缝等配筋受力计算；悬挑梁板抗倾覆受力稳定计算。

4.1 支撑挡墙稳定性验算

参照公路，采用理正岩土计算6.0版，计算结果最不利情形为组合II，整体稳定安全系数1.42，大于最小值1.3，满足规范设计要求。

4.2 悬挑梁结构受力计算[1]

材料重度：钢筋混凝土取25kN/m3，路面铺筑取24kN/m3。

参数说明：q为线荷载，P为集中力，M为弯矩，L为力臂。

4.2.1恒载及其内力

4.2.1.1每一根悬臂梁上的恒载

(1)铺装

q1：24×0.07×2.5=4.2kN/m

M1：4.2×1.5×1.5/2=4.73kN·m

(2)板重

q2：25×0.1×(2.5-0.25)=5.63kN/m

M2：5.63×1.25×1.25/2=4.40kN·m

(3)外边梁重

p3：25×0.25×0.22×2.5=3.44kN

M3：3.44×(1.5-0.25/2)=4.73kN·m

(4)悬臂梁自重

① 矩形部分

p4：25×0.25×0.22×1.25=1.72kN

M4：1.72×(1.25/2)=1.08kN·m

② 三角部分

p5：25×0.25×0.18×0.5=0.56kN

M5：0.56×(1.25/3)=0.23kN·m

(5)栏杆重

p6：2.0kN

M6：2.0×(1.5-0.25/2)=2.75kN·m

4.2.1.2恒载内力

(1)弯矩

MAg=4.73+4.40+4.73+(1.08+0.23)+2.75=17.92kN·m

(2)剪力

PAg=4.2×1.5+5.63×1.25+3.44+(1.72+0.56)+2.0= 21.06kN

4.2.2活载及其内力

(1)人群荷载

q人：5.0kPa

M人：5.0×(1.25×1.25/2)×2.5=9.77kN·m

P人：5.0×2.5×1.25=15.63kN

(2)汽车荷载

按车辆荷载P=70kN×0.5=35kN

(根据规范，小型车专用道路车辆荷载效应折减系数取0.5)：

M车=1.3×35×1.05=47.78kN·m

P车=1.3×35=45.5kN

(注：1.3为汽车冲击系数,1.05m为力臂)

4.2.3结构验算

(1)抗弯计算

MA=1.2×MAg+1.4×M车=

1.2×17.92+1.4×47.78=88.40kN·m

砼标号为C25砼，则fcd=11.5MPa；

构件有效高度：h0=350 mm。

根据规范JTG D62-2004第5.2.3条：

≤ξbh0= 0.56×350=196mm

(γc为结构安全系数，取1.0)

综上，结构截面抗弯验算通过。

(2)抗剪计算

PA= 1.2×PAg+1.4×P车=

1.2×21.06+1.4×45.5=88.97kN

根据规范JTG D62-2004第5.2.7条：

Vcs=α1α2α30.45×10-3×b×h0×

0.9×1.0×1.1×0.45×10-3×250×300×

106.0kN

其中：

P=100ρ=100×(380.1×3/(25×35))=1.3

ρsv=ASV/SV×b=2×50.3/(150×250)=

2.68×10-3

根据规范JTG D62-2004第5.2.9条：

0.51×10-3× ×250×300=191.25kN

(γ0为结构安全系数，取1.0)

综上，结构斜截面抗剪验算通过。

(3)裂缝计算：

受力弯矩：Msa=MAg+M车=

17.92+35×1.05×0.7=43.65kN·m

根据规范JTG D62-2004第6.4.3条:

系数C2取1.5，其余为1.0。

经计算,裂缝宽度：

Wfk=0.132mm≤ 0.15mm。

综上，结构截面抗裂缝验算通过。

4.3 悬挑梁抗倾覆计算[3]

4.3.1悬臂段弯矩

由本文“二、悬挑梁结构受力计算”中可知：

恒载弯矩为17.92kN·m。

动载弯矩为：

(1)人群荷载弯矩9.77kN·m。

(2)汽车荷载由于作用重心在配重段内，故汽车荷载在悬臂段弯矩为0。

MA=1.2×MAg+1.4×M人=

1.2×17.92+1.4×9.77=35.18kN·m

4.3.2配重段弯矩

4.3.2.1恒载受力

(1)铺装

q1：24×0.07×2.5=4.2kN/m

M1：4.2×3.5×3.5/2=25.73kN·m

(2)板重

q2：25×0.1×(2.5-0.25)=5.63kN/m

M2： 5.63×3.2×3.2/2=28.83kN·m

(3)悬臂梁重

p3：25×0.25×0.3×2.9=5.44kN

M3：5.44×(2.9/2)=7.89kN·m

(4)内边梁重

p4：25×0.3×0.4×2.5=7.5kN

M4： 7.5×3.2=24.0kN·m

(5)内边梁砼基础重

p5：25×(0.6×0.6+0.15×0.47)×2.5=26.90kN

M5：26.90×3.2=86.08kN·m

4.3.2.2配重段恒载内力弯矩

MAg=25.73+28.83+7.89+24.0+86.08=172.53kN·m

综上，配重段弯矩在不考虑活载情形下，其恒载弯矩已远大于悬臂段弯矩，抗倾覆系数K=172.53/35.18=4.9>1.5，满足抗倾覆要求。

上述计算模型中，是假定单个悬挑梁板情形作为计算单元，且水平走向为直线进行分析计算，但在实际应用中，由于绿道走向常沿等高线伸展，存在急弯位置和纵向坡度(或为台阶梯度)的情形，其受力情形更加复杂，主要为以下情形：

(1)平曲内凹情形：配重端内边梁及砼基础长度增长、扇形区梁板及铺装面积增大；悬挑端外边梁长度缩短、扇形区梁板及铺装面积减小。根据倾覆计算，其整体倾覆稳定有利。

(2)平曲外凸情形：配重端内边梁及砼基础长度缩短、扇形区梁板及铺装面积减小；悬挑端外边梁长度增长、扇形区梁板及铺装面积增大。根据倾覆计算，其整体倾覆稳定不利。因此，在必要情形下须进行单独分析计算，其计算原理与上述相同。

(3)纵向情形：由于产生纵向荷载的水平分力，若挑梁下部为立柱式支撑，需要单独分析立柱的水平抵抗力。

在该设计中，绿道平曲最小半径R=12m，最大纵坡≤8%，悬挑梁布置按支撑位置间距2.5m且垂直于道路中线扇形布设施工。

由于该设计挑梁下部支撑为刚度很大的整体式浇筑挡墙，对传递的竖向荷载具有较强的分散适应能力，可忽略纵向力的影响不予计算。

特别需要说明的是，该设计悬挑梁纵、横梁刚性联结，悬挑端任何一点荷载作用均可由纵、横梁整体框架结构共同抵抗，具有较强的荷载分散和减低作用密集度的效果，对整体稳定的作用效应十分显著[2]。

5 实践效果

该项目于2013 年 3月动工建设，如图4所示，该绿道串起了自然生态景观与人文历史景观，获得广大市民和各级领导好评，成为三明城市的标志性建筑和城市名片、为城市增添了一道亮丽风景，为市民营建了一个休憩健身的好场所，如图5所示。

图4 施工现场

图5 建成后效果图

目前一期、二期均已建成，三期(畔岭至碧桂园段)也于2017年6月竣工投入使用，其余段落还在继续建设中。本悬挑结构浓缩了公路挡墙设计、建筑框架结构设计等方法，在三明绿道一期工程中初次尝试使用，在二、三期工程中大力推广使用，其建成后经济适用的同时，又具有栈桥廊道的景观效果，在经济环保、生态植被保护回归及建成后使用寿命等方面均起到了较好的效果。

6 结语

山野绿道建设应注重实际，因地制宜，尽量避免山体破坏，减少植被恢复的负担。在充分考虑和利用现状地形地势做好选线工作的基础上，还需要研究探索相应的技术设计方案，尽可能地回归植被空间。

支撑悬挑式设计方案，可有效减少绿道建设对自然山体的开挖破坏，同时解决栈桥设计投资过大、建设期间便道开建破环生态，建成后维护困难等问题，实现建设费用和使用质量和谐统一，产生最大的社会效益和景观效果，在类似的拟建项目中，值得推广应用，并可在此基础上进一步探索创新。

[1] JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].2004.

[2] 阿旺曲觉,周志祥,范亮.整体式悬挑结构拓宽山区道路的新技术探索[J].西藏科技，2008(04)：53-57.

[3] 吴广彬,葛召深.悬挑支撑结构的倾覆计算[J].建筑科学，2013(05):64-66.