长沙梅溪湖节庆岛浮桥结构设计

曾令权，李 磊，周 涛

(林同棪国际工程咨询(中国)有限公司，重庆 401121)

梅溪湖国际新城是湘江新区开发的重点片区，长沙梅溪湖节庆岛浮桥位于梅溪湖旅游观光区内，连接南侧中央绿轴广场与湖中节庆岛。北岸为商业用地，音乐喷泉、文化艺术中心，均已投入使用；南侧是居住用地，南岸行人到达北侧环湖路的通道只有通过梅溪湖大桥绕行，距离较远。为能将南侧地块与节庆岛连通，与既有1#人行桥一并构成贯穿湖岸南北侧的快速人行通道，节庆岛桥的建设迫在眉睫。

1 浮桥总体布置

梅溪湖节庆岛桥位所在湖区内水质现状良好，传统水下基础施工方式对周边水质影响较大；湖面开阔，滨江步道及船行对视角有较高的景观需求，桥位两侧为人行步道，施工机械进出困难；综合周边环境品质、景观和施工影响考虑，本桥湖面主要区域均采用浮桥结构[1-3]，同时考虑游船通航需求，在近北岸侧设置混凝土刚架通航孔，建成后整体鸟瞰图如图1所示。

图1 建成后实景

根据岸侧连接点折线布置，主浮桥长276.58 m，通航孔长23.6 m，南岸侧靠近广场区设置绿植平台和游船码头区，主桥桥面宽度为0.2 m(栏杆)+6 m(人行道)+0.2 m(栏杆)=6.4 m。主浮桥、绿植平台、游船码头区采用浮桥支撑+钢纵横梁体系，纵向间隔约40 m桥面横向两侧设置预制混凝土定位方桩，通航孔采用混凝土刚架结构，主梁采用混凝土板槽型断面，标准断面两侧高60 cm，根部断面处横向两侧高80 cm，中间高度统一为30 cm的混凝土板。浮箱、桥面系设计年限为25年；定位桩等主体结构按50年设计年限考虑，桥梁平面总体布置如图2所示。

图2 浮桥总体布置

2 浮箱结构设计

浮箱为浮桥主要承重结构，采用玻璃钢复合材料(FRP)，具有自重轻、抗拉强度高、耐腐蚀性强等特点[4-6]。构件理化性能要求：抗紫外线照射和长期水泡环境下的老化寿命不低于30年，且30年内的力学性能衰减比例不大于15%，浮箱批量加工前需通过不少于24 h的密闭性和抗压性能试验。

浮箱采用半圆柱形状，其结构组成如图3所示。内壁设置隔板及加劲肋增强箱壁刚度，内部隔板间完全封闭并独立设置注水孔，保证箱体注水对成桥线形的平衡控制，同时即使局部漏水发生时，整个箱体也不至于发生破坏下沉。浮箱顶设置矩形空心型钢焊接制作的框架，其将桥面荷载分布至浮箱的箱壁和隔板，框架顶面设置4对带销孔的基座用来与桥面系连接。框架与箱体间加设隔水板，使钢框架与箱体内用于调节重量的水体隔开，增强钢框架防腐性能。箱体顶部由玻璃钢盖板将框架及浮箱主体扣为一体。箱体半圆柱形半径为1.2 m，宽度6.2 m，纵向长度2.6 m，2个浮箱间纵向留10 cm空隙，适应箱体变形。

注：1—箱体盖板；2—钢框架；3—隔水盖板；4—浮箱主体。

3 浮桥桥面系设计

3.1 桥面纵横梁体系

浮箱自身为柔性结构，为提高其整体刚度，浮桥桥面系采用成品矩形钢管焊接组装形成纵横梁体系，且全部采用定型钢制构件，并通过螺栓或焊接连接固定，整体刚度加大，人行舒适度极佳。每个主浮箱顶设置1道横梁，通过预埋基座将横梁与浮箱固定。横梁采用200 mm×100 mm×8 mm成品矩形钢管，每道横梁上设置6道160 mm×160 mm×8 mm成品矩形钢管纵梁，纵横梁间用焊接加劲板与M20螺栓连为一体。桥面系平面布置如图4所示。

单位：mm

根据桥面整体受力与变形，将钢纵梁分为若干联，联与联之间设置特殊铰接装置,如图5所示。该构造装置既将桥面系连为整体，又能在受力不均的情况下适应桥面变形[7-8]。分联处纵梁端部两侧各自不对称焊接16 mm、24 mm、8 mm、16 mm钢板，钢板上开设直径为36 mm的销孔，安装就位后采用直径为32 mm销棒连接固定。

(a)桥面系铰接装置剖视图

考虑桥面系长期临近湖面水体，钢构件涂装体系按环境C5-M选用，其中外涂装采用热喷铝+环氧封闭漆+环氧云铁漆+聚硅氧烷面漆，总涂层厚度为370 μm，内涂装为环氧富锌底漆+环氧云铁漆+环氧(厚浆)漆，总涂层厚度为260 μm。铰接用连接螺栓表面进行锌镍渗层，渗层厚度≥80 μm，中性盐雾试验普通钢筋防腐≥3 000 h，增加构件防腐性能。

3.2 浮桥与岸侧过渡联系梁设计

水域中浮桥为柔性构件，将随水位的变化、人群荷载的作用而变位，而岸侧基础为刚性结构。为保证岸侧与浮桥的有效贯通，同时实现两者间的有效过渡，需设置联系梁构件使其连接以供通行。目前应用较多的是在岸侧设置成品斜坡钢梯连接水域浮桥和陆域岸侧，该做法具有较好的通行性，但水位变化适应性及景观融入性较差[9]。

(a)过渡联系梁整体布置

4 定位桩设计

浮桥竖向支撑采用浮箱结构，为增强主桥结构的横向稳定性和限制浮桥横向变形，纵桥向约40 m设置一组钢筋混凝土预制定位方桩，其尺寸为500 mm×500 mm。工厂预制完成后，现场利用打桩船依序定位实施。定位桩上设置钢套箍，并与钢横梁悬臂部分焊为一体，钢套箍与定位桩间各侧留80 mm间隙，适应在风、波浪力等作用下的横向变位。定位桩构造设计如图7所示。

(a)横断面布置

5 浮桥施工方案

为减少施工对现场水质环境的污染，浮桥结构所有构件采用工厂预制，主要施工流程如下：1)混凝土定位桩工厂预制后运至桥位处，利用打桩船依序定位施工；2)工厂完成浮箱箱体、桥面系纵横梁加工，运至现场后分联将纵横梁与浮箱连为一体，利用浮箱自身浮力，将一联结构运至桥位处定位架设；3)现场在浮箱结构上铺设桥面FRP人行道板及栏杆等附属构件。该方法极大地提高了施工效率，降低了现场施工污染，减少了大型吊装及运输机械的投入。

6 浮桥结构计算

6.1 整体计算

利用有限元软件Midas Civil 2015对浮桥钢纵横梁结构建立空间梁单元模型，定位桩作为横向约束，浮箱作为竖向弹性支撑，纵梁分联处铰接连接[10-11]。计算荷载含桥面恒载、人群荷载、整体升降温、波浪力、风荷载；其中人群荷载取4 kN/m2，整体升降温为25 ℃，波浪力为2 kN/m2，风荷载为0.38 kN/m2。

计算结果如下：1)钢主梁承载能力组合下，钢梁最大应力为δ=209.5 MPa<[δ]=275 MPa；2)人群荷载作用下浮桥纵横梁最大位移为500 mm，成桥状态时浮箱顶距水面600 mm；3)浮桥结构应力、位移满足规范及使用要求[12-13]；4)通过结构动力特性分析，第1阶竖向自振频率为1.01 Hz，未在人行荷载激励下固有频率的临界范围1.25 Hz≤Fi≤2.3 Hz内，不会发生使人产生不舒适的竖向振动现象[14-15]，经过1年多的开放通行，人行舒适度良好。

6.2 浮箱计算

浮箱为FRP材料，具有强度高、弹性模量及层间剪切强度低的特性，采用有限元软件ANSYS 12.0对FRP浮箱进行分析计算，计算荷载工况包括成桥状态和最不利人群荷载作用下2种，并对浮箱的强度、变形等指标进行验算，浮箱采用shell63单元模拟，限于篇幅，仅列出最不利人群荷载作用下的计算结果，如图8所示。

(a)约束及荷载(最不利人群荷载作用下)

计算结果如下：

1)成桥时，最大位移为1.248 mm，相对变形量为1.248/2 400=0.05%<0.5%；最大应力为3.92 MPa；强度安全系数为100/3.92=25.51>10；稳定性安全系数为12.6>2.5。以上各参数均满足规范要求。

2)最不利人群荷载作用下，最大竖向位移为6.288 mm，相对变形量为6.288/2 400=0.262%<0.5%；最大应力为9.953 MPa；强度安全系数为100/9.953=10.05>10；稳定性安全系数为5.02>2.5。以上各参数均满足规范要求。

7 结束语

1)在既有内湖景区内，水位变化不明显，实施人行通道建设时，为避免对湖内水质环境造成污染，桥梁所有构件采用预制建造非常必要，且施工效率高、污染小。

2)本桥首次提出采用的FRP浮箱质量轻、强度高、耐腐蚀性好，其结构设计在成桥状态和最不利人群荷载作用下，其最大应力和相对变形、强度安全系数和稳定安全系数均满足规范要求。

3)浮桥桥面系采用纵横梁体系，整体刚度大，人行舒适性好。

4)定位桩采用预制混凝土方桩，工厂预制，现场打桩船实施，无施工污染产生。

5)该浮桥组合体系的应用，具有较好推广优势。