新型钢箱梁与桁架组合结构人行天桥设计

张策萍

(杭州交投二航院设计咨询有限公司,浙江 杭州 310004)

0 引言

随着整体规划定位的提升,城市建设进度在加快,城市居住人口在持续增长,道路人流量日渐密集,路段车流量日渐增大,行人过街与来往车辆的冲突日益严重,完善提升城市公共设施配套势在必行。因此,有必要在穿越交通主干道和行人活动密集区,建立人车分离系统,提供明确的路权,保障行人的安全和宽松的步行空间,同时缓解城市主干路的交通拥堵状况。

由于城市的发展需要,人行天桥的桥梁设计必须充分考虑景观设计,而位于城市高架下方的人行天桥,其结构高度往往受限,因此,突破常规思路、寻找新颖合理的结构形式在城市人行天桥设计中显得尤为重要。

1 工程概况

工程主要分为东新东路/留石路人行天桥(以下简称天桥1)和石桥路/杭玻路南口人行天桥(以下简称天桥2)两个节点。

1)天桥1:位于东新东路与留石路交叉口,留石路为东西向交通要道,东新东路为南北向城市支路,受交叉口东侧190 m处留石快速路上下匝道影响,该交叉口机动车通行繁忙。同时交叉口西北角为中大银泰城地块,东北角为利民汽车修理有限公司,西南角为万家星城西区地块,东南角为杭州新天地地块,随着这些地块的开发建设,行人过街需求较大。该处人车矛盾明显,亟需通过过街设施减少交通安全隐患,改善交通环境。

2)天桥2:位于石桥路与杭玻路交叉口以南150 m处,石桥路为杭州市主城区至半山的重要交通干道,受路段南侧150 m处秋石高架杭玻街平行匝道影响,该路段车流通行极为繁忙。同时拟建项目处西侧为永富大厦和大润发超市,东侧为江南时代广场、星际影城,人流密集,行人过街需求大。因此,该处人车矛盾明显,亟需通过过街设施实现人车分离,缓解地面交通压力,保证路段的交通顺畅。

2 设计原则

在人们的记忆中,街道中立体过街设施的印象是模糊的,甚至是简单丑陋的,作为缓解城市人车交通矛盾的产物,在过去的日子里,人行天桥与人行地道默默地疏解着城市交通压力的同时还在忍受着人们的误解[1]。由于过街设施建设太注重实用而忽视了其美观性,人行过街设施处在城市景观中的尴尬位置。

此次方案设计旨在改变人行天桥在人们心目中难堪的印象,遵循以下设计理念:

1)力图从杭州的城市设计角度出发,理性的解构人行过街空间。设计灵感吸纳杭州的历史文化和建筑人文景观,彰显杭州历史文化内涵。

2)在过街设施中创造积极多样的空间,功能丰富,满足新时代的生活方式和个性化发展的需要,通过设施场地高差的设置,注重细节设计,并注入丰富生动的建筑小品,营造“步移景异”“豁然开朗”的戏剧性场景。

3)突破以往常规呆板的结构类型,采用新颖独特的结构形式,营造简约优雅的造型,在保证结构受力的基础上让人耳目一新,从小小的过街设施中深切感受力学之美。

4)合理布局人行楼梯、自动扶梯和垂直电梯、休憩区等服务设施,使行人或快速舒适过街、或方便的获取内心安宁和精神愉快。

5)作为城市建设中的公共服务设施,在保证结构安全并兼顾景观功能的基础上,节约投资造价也是需要考虑的重要因素。

3 工程特点及难点

本工程包含两座人行天桥,具有如下显著的特点:

1)均位于高架下方,且桥下净高较低,东新东路/留石路过街设施处高架桥下净高约8.2 m,石桥路/杭玻路南口过街设施处高架桥下净高约8.7 m。2)均位于大型商业设施附近。3)东新东路/留石路交叉口处分布较多绿化设施及河流。4)石桥路/杭玻路南口过街设施西侧人行道上有一处公交车站,东侧则距离建筑较近。两侧广场下方均为地下停车场,桥梁墩位应注意避免进入停车场空间。

经工程内容分析,本工程主要有如下设计难点和重点:1)桥梁结构形式的选取,满足天桥上下的通行空间。2)结构美学与景观小品的设计,体现自然和人文景观元素。

4 桥梁结构方案研究

在城市人行过街天桥建设中[2],较常使用的主要有钢箱梁、传统钢桁架和铝合金桁架天桥,由于这些形式的上部结构采用工厂预制现场吊装架设的方式,可以较大程度地减少施工过程对地面交通的影响。

由于天桥桥墩的布置受道路绿化带及人行道位置局限,本工程两座人行设施的跨径布置基本为25 m～35 m,同时受高架桥下净空的影响,为满足桥下5 m的车行空间,同时考虑桥面铺装及挠度影响,高架桥底至天桥底空间高度至多为3.1 m(东新东路/留石路天桥)和3.6 m(石桥路/杭玻路南口天桥),此空间尚需满足桥上2.5 m的人行空间。

在此跨度范围和梁高条件之下,采用钢箱梁结构难以满足规范受力及自振频率要求,因此,本工程不适宜采用钢箱梁结构。

铝合金桁架结构在高架桥的影响之下,自身结构的体块被放大,造成压抑感的累加,景观效果被极大削弱,同时铝合金桁架结构的造价过高,远超本工程的投资额,因此,本工程不适宜采用铝合金桁架结构。

而传统钢桁架结构面临与铝合金桁架结构同样的景观问题,应用于高架桥之下实难满足城市桥梁的景观要求。因此,需对天桥结构提出新的要求,既要保证结构安全,又得兼顾景观功能与投资造价,各方兼顾之下,此次设计拟在传统钢桁架结构基础上进行创新,采用新型钢桁架结构。

根据钢桁架结构的受力特点,结构的上下弦杆高度足以满足现状条件的苛刻要求,而要改变桁架结构体块太大及景观效果差的缺点,我们可以从改变腹杆着手,如将粗厚的腹杆分解成细线条并进行艺术处理,或将横断面上的两道腹杆桁架移至中间并进行造型设计,既能消除传统桁架的厚重压抑之感,又可新添艺术风格。

1)腹杆分解成细线条的处理方式在瑞士和法国分别得到实际应用,如图1,图2所示,其力学之美与景观效果的完美融合得到当地居民的良好反响。

2)将桁架移至断面中间的处理方式则为本工程中的大胆创新,从力学角度来讲其结构合理,受力与传统桁架并无大异,而从美学角度上考虑,其造型变化可以多样,进行各种尝试使其与环境融合达到良好的景观效果较之传统桁架多了很多种可能性。

采用Midas Civil程序对以上两种结构方案进行简化计算(见图3,图4),结果证实在人群荷载作用下结构受力合理,挠度、强度及自振频率、稳定性能均满足规范要求[3]。

5 结构美学设计

5.1 上部结构美学

如前所述,我们采用两种新型钢桁架结构形式,既能从结构上进行创新,又能从美学上加以突破。

其一采用新型桁架式栏杆,如古时编织的错乱线条,似现代艺术的抽象笔触,既与杭州“丝绸之府”之称暗合,又与城北商贸地块的现代气息呼应,既减少了传统钢桁架大体块的压抑感,使天桥显得轻盈与纤细,又能很好地满足天桥上下通行高度的需求,栏杆底部采用LED长寿命嵌入式壁灯,进行眩光控制,以达到较好的桥面照明与夜景效果(见图5,图6)。

其二采用桁架中移的新型桁架,从立面上进行造型设计,采用圆倒角使得腹杆线条灵动起来,宛若水纹,两端上翘的顶板则似一叶扁舟,这些元素在身为江南水乡的杭州可谓城市的代表符号,横向采用两片间隔一定距离的桁架,使得结构灵动而通透、简约而大气,既能在有限的条件中满足天桥上下通行高度的要求,又能在横向拓展人行空间,极大保证了行人过街的舒适性(见图7)。

5.2 下部结构美学

我们对传统转角处较多的墩柱进行梳理整合,结合跨径布置与结构受力,优化为框架式的半围合景观休憩亭,V字柱中间种上孤植,塑造一定的意境,两侧分格连通景观隔离护栏,底部可设置长椅以供行人休息,夏日高温时遮阴处比阳光直射区温度能降低近15°,休憩亭顶部布置喷雾设施,既能使温度再度降低,又能配合底部地埋灯在夜间造景(见图8)。

无障碍升降与框架式结构一体设置融入其中,人行楼梯沿无障碍升降蜿蜒而上,减少了桥下墩柱,缩小了征地面积,又丰富了此处的空间,楼梯底部可设置花池,钢筋混凝土的墩柱上可适当点缀不锈钢丝,以方便爬藤类植物覆盖生长(见图9)。

6 天桥1总体设计

6.1 桥梁布置

天桥1位于高架下方的地面道路交叉口,天桥平面呈口字形布置,在四个象限内均布置一对上下行自动人行扶梯,另在四个象限内围绕垂直升降电梯各布置一部钢结构人行梯道。出入口人行梯道沿着垂直电梯蜿蜒设置,以电梯立柱作为支撑悬挑梯道,既节省了梯道墩柱,又可利用梯道下方的空间种植绿化或作为城管部门储物空间。

主通道东西向跨径为31.3 m+26.9 m,南北向跨径为32.3 m+29 m,梁高0.45 m,桥面宽5.3 m。主桥上部结构采用钢箱梁与桁架组合结构,栏杆桁架采用双排桁架,设置于桥面两侧,桁架采用富于美感的不规律斜向细线条实现景观效果,结构轻巧纤细、充满艺术感。下部结构采用“V”字形钢筋混凝土墩柱[4],与轻巧的上部结构和谐统一的打造出一处美丽的城市景观(见图10)[5]。

6.2 上部结构

上部结构采用新型钢箱梁与栏杆桁架组合结构,采用等宽断面,梁高为0.45 m,顶板钢板厚为16 mm,底板钢板厚为16 mm,腹板钢板厚为16 mm。箱梁内均设有加劲肋,箱内设置有横隔板,搁置支座处设置横梁,端部设置封端板。桁架式栏杆顶部采用钢结构方通,尺寸为300 mm×150 mm,壁厚14 mm,钢结构方通与桥面之间采用双排钢桁架连接,钢桁架钢板尺寸为120 mm宽,10 mm厚,双排之间间隙为20 mm。

6.3 下部结构

下部构造采用框架式桥台、V字型桥墩,均为钢筋混凝土构造,基础为钢筋混凝土承台接钻孔灌注桩基础。

6.4 主桥结构分析

运用Midas Civil程序对桥梁进行计算分析,对每联结构分别采用梁单元模型和梁格模型进行验算(见图11,图12),确保结构安全可靠。

根据规范要求,针对主桥结构进行以下分析:

1)基本组合下的正应力验算:单梁模型下最大压应力为143.7 MPa,最大拉应力为110.7 MPa;梁格模型下最大压应力为125.4 MPa,最大拉应力为96.6 MPa;均小于规范规定的钢材设计应力为275 MPa,满足规范要求。

2)在基本组合下的剪应力:单梁模型下最大剪应力为34.7 MPa,梁格模型下最大剪应力为86.1 MPa,小于规范规定的钢材设计应力160 MPa,满足规范要求。

3)挠度:桥梁在人群活载引起的最大竖向位移1.50 cmL/1 600=2 cm,所以需设置预拱度。

4)舒适性验算:自振频率为2.99 Hz≈3 Hz,可认为满足规范要求。

7 天桥2总体设计

7.1 桥梁布置

天桥2位于高架下方,距地面道路交叉口约150 m处的路段,天桥平面呈一字形布置,在西北角、东南角均布置一对上下行自动人行扶梯,另在西南角、东北角各布置一部钢结构人行梯道。

主桥跨径布置为2×23.5 m,两端悬臂长为3.0 m,全长为53.0 m,跨中桁架高3.2 m,桥面总宽5.8 m(净宽4.0 m)。主桥上部结构采用钢箱梁与桁架组合结构,桁架采用双排桁架,设置于桥面中央,桁架立面采用水纹形状实现景观效果,钢箱梁高度0.55 m,结构新颖独特、轻巧灵动(见图13)。

7.2 上部结构

主桥上部结构采用钢箱梁与桁架组合结构,桁架采用双排桁架,斜杆与上弦杆、钢箱梁顶板连接均采用焊接形式,上弦杆采用1 300 mm×350 mm箱型矩形截面,厚度16 mm;斜杆采用250 mm×250 mm方形截面,厚度12 mm。上弦杆两侧圆弧段水平长度16 m,圆弧半径为50 m,中间直线段长度为11 m。

钢箱梁采用等宽断面,梁高为0.55 m,顶板钢板厚为16 mm,底板厚度为16 mm,腹板钢板厚为12 mm,中横梁及端横梁处横隔板厚16 mm,其他横隔板及加劲板为10 mm,端部设置封端板。梁端两侧一定范围内设置牛腿,用于搁置梯道和自动扶梯。

7.3 下部结构

桥梁下部结构均采用钢筋混凝土结构,边墩均采用直径0.8 m圆形独柱墩,上接0.7 m厚盖梁;中墩墩身采用直径0.6 m圆形双柱墩。基础均采用承台接桩基础。

7.4 主桥结构分析

运用Midas Civil程序对桥梁进行计算分析(见图14),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。

根据规范要求,针对主桥结构进行以下分析:

1)基本组合下的正应力验算:最大压应力为55.3 MPa,最大拉应力为50.7 MPa;均小于规范规定的钢材设计应力275 MPa,满足规范要求。2)在基本组合下的剪应力:最大剪应力为34.5 MPa,小于规范规定的钢材设计应力160 MPa,满足规范要求。3)挠度:桥梁在人群活载引起的最大竖向位移0.2 cmL/1 600=2 cm,所以不需设置预拱度。4)舒适性验算。上部结构的竖向自振频率8 Hz,满足人行天桥规范中的3 Hz要求。

8 结语

在寸土寸金的城市之中,天桥的设计常受上方高架和地下构筑物等颇多限制,文中两座天桥的设计采用全新的钢箱梁与桁架组合结构,形成了轻盈、通透的新颖桥型,刷新了人们对于桁架桥梁的认知,诠释了力学之美,呈现出良好的景观效果,得到了社会各界的一致好评,为今后类似城市人行天桥的设计提供了富于价值的技术资料和全新思路,具有良好的推广应用意义。