月山湖大道景观桥方案设计

危玉蓉,熊 诚,李 静,陈玉龙,梁庆学

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430010)

1 引 言

随着经济的发展和社会的进步,城市建筑在满足功能性需求的同时也有审美上的要求。在景观桥梁设计中,需遵循桥梁设计标准,同时需结合自然环境、人文环境,制定最合理的城市景观桥梁设计方案[1]。以月山湖大道景观桥梁方案设计为例,从梧桐湖新区总体目标出发,结合区域的旅游主题定位,考虑到桥梁跨径、桥位受高压铁塔的影响、项目周边要发展为旅游水乡小镇等因素,选择梁式桥和拱桥作为本方案主要备选桥型。对连拱桥及空心板装饰拱桥作方案比选,月山湖一号桥选择了九孔实腹式连拱桥作为推荐方案。本桥型方案打造了具有强烈识别性的景观节点,融入了城市滨水绿道、水乡小镇的自然景观。

2 工程概述

梧桐湖新区作为武鄂黄城市带上重要的战略节点,在承接武汉市产业转移方面具有得天独厚的地理和交通区位优势。武汉城市圈发展战略的推进为梧桐湖新区带来重大发展机遇。

梧桐湖新区的总体目标为打造全国知名旅游度假胜地。梧桐湖新城的旅游主题定位为“双湖连城,动静相宜”——塑造大武汉的生态魅力后花园和城市的活力游赏网络。

梧桐湖新区市场定位如下:

国际认知——偶发型旅游目的地,依托以武汉为首的周边城市群,结合国际交流、会议展示、城市访问和度假休闲等,吸引高端商务人士、文化使者、创意一族和跨国游客。

国内知名——国家5A级风景区,吸引全国度假休闲客游赏,吸引湖泊、湿地等环保组织和相关机构到访考察。

区域亮点——多次重游目的地,重点锁定新生代的水上运动和时尚休闲客群,以及区域各地的体验游客。

本地热点——面对创意旅游城的高知就业者和本地居民,塑造为众人喜爱的日常漫步、运动休闲和观景绿网。

梧桐湖新区水系资源丰富,中心为基于现状月山湖规划建成的主要人工景观湖,周围为连接城市内部各个水域的城市河流。月山湖大道为梧桐湖新区总体规划中确定的城市主干路,与凤凰大道形成环形的主干道路网,作为新区内主要的交通干道,对于整个新区的交通联系起着非常重要的作用。按照《湖北梧桐湖新区市政工程规划》,月山湖一号桥桥位见图1。

图1 月山湖一号桥桥位图(资料来源:1123新城用地布局规划图)

3 方案设计

3.1 桥型选择

在充分理解方案征集要求的基础上,根据项目所在区域特点,推荐选择梁式桥和拱桥作为本方案主要备选桥型,理由如下。

(1)悬索桥、斜拉桥、大跨径钢管拱桥不适合本次方案设计。

从桥型方案选择上看,设计桥型主要在悬索桥、斜拉桥、拱桥、梁式桥之间选择。

悬索桥使用历史悠久,具有跨越能力大、造型美观等特点,是跨度1 000 m以上最具有竞争力的桥梁结构型式[2],但其造价高,施工技术要求高、难度大。

斜拉桥型是近60余年发展起来的一种新型结构体系,根据主梁、拉索的不同受力特点,可分为普通斜拉桥和部分斜拉桥。对于普通斜拉桥而言,其经济跨度一般在200 m以上,故本次设计不研究悬索桥和普通斜拉桥方案。

钢管拱桥、部分斜拉桥和连续刚构:单跨跨径在100～200 m级别的桥梁中,此类桥型可供选择。部分斜拉桥兼顾连续刚构和普通斜拉桥的受力特点,同时具有普通斜拉桥的挺拔造型,实用又美观,但亦存在斜拉索后期养护和景观要素冲突问题,故不推荐部分斜拉桥结构在本桥中使用。

月山湖一号桥桥位南侧离高压线距离较近,由于受跨径及高压线的限制,因此不宜在此做斜拉桥、悬索桥、中承、下承式拱桥及上部空间有造型的桥梁。

(2)梁式桥特点。

梁式桥具有外观简洁、技术成熟、施工方便、造价低等优点,是中小跨度桥梁中采用频率最高的一种结构型式。根据其受力情况的差异,可分简支梁、连续梁、连续刚构。

简支梁适用于小跨度,可考虑在引桥使用,简支梁根据主梁横断面不同,又可分为简支T梁、简支小箱梁、简支空心板、简支I型梁等。其中I型梁桥跨越能力稍差,特别是I型梁桥一般为组合桥面,后期维护困难,因此,不推荐在本项目中使用I型梁。

简支T梁与小箱梁在城市桥梁中使用较为广泛,跨越能力较空心板大,设计中亦可考虑先简支吊装,安装后通过设置现浇连续段形成结构连续,增加行车的舒适度;连续梁桥跨越能力较简支梁好,主梁断面基本上以箱形断面为主,施工主要以满布支架现浇或采用移动模架法现浇施工,造价稍高,结合桥位区域特点,空心板、简支T梁、小箱梁、连续梁桥均可在本项目中考虑使用。

与连续梁相比,连续刚构一般可以节省支座费用,梁高在同等跨度下较连续梁低,适用于墩高较高的情况,但由于温度力等纵向水平力对墩身推力等作用,下部结构的造价一般会有大幅增加。在墩高较低的情况下,可考虑采用中小跨度的连续梁,以减少水平力对基础的影响。由于桥型方案需满足景观要求,与城市滨水绿道、水乡小镇的自然景观相协调,故在本次方案设计中亦不考虑中小跨径的连续梁桥。

(3)拱桥的特点。

中国的拱桥始建于东汉中后期,已有1 800余年的历史。它是由伸臂木石梁桥、撑架桥等逐步发展而成的。由于在形成和发展过程中的外形都是弯曲的,所以古时常称为曲桥。拱桥造型优美,曲线圆润,富有动态感。单拱的如北京颐和园玉带桥,拱券呈抛物线形,桥身用汉白玉,桥形如垂虹卧波。多孔拱桥适于跨度较大的宽广水面,常见的多为三、五、七孔。多孔桥孔数以奇数为多,偶数较少。多孔拱桥,当某孔拱圈受荷时,能通过桥墩的变形或拱上结构的作用将荷载由近及远地传递到其他孔拱圈上去,这样的拱桥称为连拱桥。一般是中孔最大,两边孔径依次按比例递减,桥墩纤薄轻巧,全桥协调匀称,如著名的颐和园十七孔桥。

拱桥的桥型优雅而流畅,观赏效果好,如美丽彩虹浮现于城市山水之间,极具观赏效果,拱肋在夜间配上彩色的灯光效果,可成为城市中一道靓丽的风景线。从结构技术上看,拱桥受力合理、明确、跨越能力大和承载潜力大,由于墩、拱刚性连接,无需昂贵的大吨位支座,免去其养护、更换的麻烦,在我国城市景观桥型中的使用频率较高,尤其多见于江南水乡。因此,拱桥可作为本方案的主要备选桥型。

3.2 方案设计

在适用、安全、经济、美观四原则和谐统一的指导思想下,对适宜的桥型方案进行对比分析。

月山湖大道一号桥北瞰月山湾旅游服务中心,南临水乡小镇特色度假区,位于月山湖和水乡小镇的衔接处,湖水沿岸是生态湿地,整体空间效果图见图2。

图2 整体空间效果图

(1)方案一(推荐方案):九孔连拱桥,方案一立面图见图3。

图3 月山湖大道一号桥方案一立面图

桥长148.4 m,主拱为75 cm厚的钢筋混凝土板拱,最大孔径16 m,两边孔径依次为15、13、11、10 m,常水位时,拱圈顶至常水位高度依次为8、7.6、6.4、5.2、4.5 m。桥面标高拟定为24.36 m,桥台标高为19.702 m。

桥拱掩藏于滨水湿地绿荫之中,湿地绿化与拱桥外观色彩对比鲜明,但协调统一。桥梁体态多姿、线条流畅,桥下碧波荡漾、倒影成环。采用钢制铸造石复合栏杆,窗格设计,将古典及现代材料有机融合。整桥栏杆简洁、大方、绿色环保。桥梁侧面采用石材干挂式的装饰,将古典与现代风格完美地融合在一起。“水乡小镇拱桥行,一伞恰若黑穹星。月夜荷塘展画卷,梦境伴唱是蛙鸣。”桥梁整体与水乡小镇浑然一体,恰似一幅淡雅的水墨画卷。

(2)方案二:七孔空心板装饰拱桥,方案二立面图见图4。

图4 月山湖大道一号桥方案二立面图

桥长148.4 m,为7跨20 m空心板外装饰拱桥,梁底至常水位高度依次为4、3.87、3.47、2.97 m。桥面标高拟定为24.36 m,桥台标高为22.61 m。

桥梁纵坡较缓,更利于行车。桥型简洁明快、质朴清新、富有动感,为水乡添上了一抹绚丽的色彩。坐游船徜徉水上,领略水乡秀丽风光,颇有“如在镜中游”之趣。

(3)方案三:五孔连拱桥,方案三立面图见图5。

图5 月山湖大道一号桥方案三立面图

桥长148.4 m,最大孔径30 m,两边孔径依次为25 m、20 m,拱圈距常水位高度依次为7.7、6.97、5.3 m。桥面标高拟定为24.36 m,桥台标高为19.702 m。

该方案桥梁线型优美,拱圈跨径大,视野通透。主拱上增设腹拱,既减轻自重,又能增加景观效果。

(4)月山湖大道一号桥方案比选,详见表1。

表1 月山湖大道一号桥方案比选

4 月山湖大道推荐方案结构设计

4.1 上部结构

月山湖一号桥为九孔实腹式连拱桥,桥宽32 m,净跨径布置为:10+11+13+15+16+15+13+11+10=113 m,桥型立面图见图6。主拱为钢筋混凝土半圆拱,拱圈半径为500～800 cm,拱圈厚度为65～80 cm,侧墙为钢筋混凝土结构,顶部宽为75 cm,外侧为大理石镶面。拱脚处设有C15片石混凝土护拱,厚约1.5～3.0 m,上面铺设一层防水层,再上面为50 cm厚的卵石导滤层,中间为二灰土填料。

图6 月山湖大道一号桥桥型立面图(单位:cm)

4.2 下部结构

桥墩下部构造为拱座、承台接桩基础;U型桥台,拱座、承台接桩基础。桥墩承台厚度为2.5 m,A类承台宽为3.55 m,基础为一排7根Φ1.5 m的钻孔灌注桩;B类承台宽为5.7 m,基础为两排7根Φ1.2 m的钻孔灌注桩。桥台承台厚度为2.2 m,桥台基础为两排7根Φ1.2 m的钻孔灌注桩。

5 桥梁结构验算

采用同济大学研发的桥梁有限元分析软件《桥梁博士》进行静力分析。拱圈采用无铰拱,建立模型、划分单元,有限元模型如图7所示。

图7 有限元模型图

5.1 承载能力极限状态强度验算

图8为承载能力组合Ⅰ最大抗力与最大抗力对应内力图,图9为承载能力组合Ⅰ最小抗力与最小抗力对应内力图,主拱圈承载能力极限状态下的正截面抗弯强度满足要求。

图8 最大抗力与最大抗力对应内力图(单位:kN·m)

图9 最小抗力与最小抗力对应内力图(单位:kN·m)

5.2 裂缝验算

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)第6.4.1规定,钢筋混凝土构件和B类预应力混凝土构件,应按作用频遇组合并考虑长期效应的影响验算裂缝宽度。图10为正常使用组合Ⅰ下缘裂缝图,可以看出,主拱圈裂缝均<0.2 mm,满足规范要求。

图10 下缘裂缝图(单位:mm)

5.3 挠度验算

依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)第6.5.3条规定,主拱圈正常使用极限状态(频遇组合)计算结果为最大位移=6.1 mm,小于计算跨径的1/600,16 000/600=26.7 mm,满足要求。

5.4 横向稳定性验算

该桥宽跨比>1/20,横向稳定性可以不进行验算。

经计算,上部结构拱圈各项指标均满足规范要求。

6 结 语

“景观桥梁的最大特点是景观桥梁因地制宜,与其周围环境相互适应,有机结合成为一个整体”[3]。路、桥、水、船、环境要浑然一体,整个区域要给人以美的享受,它的美要表现在整体上,构成一幅独特的风景画卷。本方案设计结合梧桐湖新区总体规划及区域的旅游主题定位,从“与环境协调”的角度出发,通过景观桥、滨水步道形成丰富的交通系统,打造独一无二的滨水艺术景观。对推荐的连拱桥方案进行结构验算,计算结果满足规范要求。综上所述,景观桥方案设计应考虑融合自然环境、地域文化、经济发展需求,兼顾结构受力特性,体现功能与景观的统一。