双跨曲线钢桁架海鸥桥的结构与美学分析

金叔阳

（上海城建市政工程（集团）有限公司，上海市 200065）

双跨曲线钢桁架海鸥桥的结构与美学分析

金叔阳

（上海城建市政工程（集团）有限公司，上海市 200065）

海鸥桥为人行景观钢桁架桥，跨径组合为70+50 m。结合海鸥桥的设计全过程，主要介绍了总体设计思路、景观美学与结构受力融合分析，有关经验可供相关专业人员参考。

景观桥梁；钢桁架桥；美学

0　引言

随着城市的不断发展，人类对于城市的生活品质要求也逐步增高，而桥梁作为城市或景区中的公共建筑，其“景观主体”和“景观载体”的功能也会越来越凸显出来。人行景观桥梁，作为城市或景区内通济利涉的公共建筑品，在力学规律和美学法则的支配下，通过精心设计和精心施工而成，是人文科学、工程技术和艺术三位一体的产物［1］。在不同的环境、不同结构跨度和不同的承载要求下，其景观设计需借助适宜的美学景观造型和独特的桥梁造型来出现地表现艺术与力学互相融合的空间魅力。

1　工程概况

胶州湾产业新区地处青岛拥湾发展核心圈层，是青岛“环湾保护、拥湾发展”重点规划、率先启动的四大片区之一，也是青岛市产业升级和城市拓展的重要平台。

本工程位于青岛胶州湾产业新区，拟建人行桥位于跃进河上如意湖与跃进河交接区域。本工程人行桥跨径布置为70 m+50 m，总长120 m，桥宽7.9 m，台后设置摩阻板，两岸道路与桥梁顺接。

2　建设条件及主要技术标准

（1）气象

青岛地区历年最高气温37.5℃，最低气温-16.4℃，历年平均气温12.2℃；历年相对湿度73%；瞬间最大风速44.2 m/s，累年平均风速5.5 m/s，年平均受台风侵袭或外围影响13次。

（2）地质条件

根据野外钻探揭露、静探资料及室内土工试验，勘察场地地层除1层素填土外，其下地层均由第四纪海陆相沉积的淤泥质土、粉质粘土、粘土及砂土构成。拟建桥梁采用钻孔灌注桩基础，选用4层粘土作为桩端持力层。

（3）主要技术标准

a.荷载标准：设计人行荷载为5 kN/m2。

b.通航标准：按游船净空控制，通航净高不小于2.2 m，净宽不小于15 m。

c.桥梁标准横断面布置：0.45 m（人行栏杆）+7.0 m（人行道）+0.45 m（人行栏杆）=7.9 m。

d.抗震设防烈度：6度，设计基本地震动加速度峰值：0.05g；抗震措施：7度。

e.设计基准期:50 a。

3　桥型构思及方案选择

人行桥作为城市的重要人造景观，力求造型美观、结构新颖、形式多样［2］。拟建景观桥桥位处，河道规划宽度为115 m。根据景区规划及业主要求，河道有游船通行的要求，桥梁方案需采用单跨或两跨方案，尽量减少水中落墩。

青岛临海，银鸥和黑尾鸥常驻于此；同时每年10月，青岛都会迎来南迁的红嘴鸥。成群的海鸥在天空中自由翱翔，时而追逐鱼群，时而追逐嬉闹，时常呈现出万鸥齐飞的景象。经过方案比选，桥型方案中融入海鸥的概念，突出人造景观与自然景观的融合，桥梁方案考虑采用两跨方案，外形采用“海鸥”形的半开口式桁架结构体系。主题结构颜色采用中国红，在碧水蓝天之间勾勒出桥梁的线形美感，见图1。

图1　海鸥桥实景照片

4　桥梁结构设计

（1）总体布置

海鸥桥为人行钢桁架桥，跨径组合为70 m+50 m，桥面宽度为0.45 m（栏杆）+7.0 m（人行道）+0.45 m（栏杆）=7.9 m；桁架采用变高截面，曲线非规则变化。桥型总体立面布置见图2。

图2　海鸥桥总体布置图（单位：mm）

（2）上部结构设计

拱肋为多条圆弧顺接的拟合曲线，两跨拱结构形成海鸥飞翔造型。

桁架上、下弦杆均采用焊接T型断面。上弦杆梁高500 mm，翼板宽450 mm，翼缘与腹板厚均为30 mm；下弦杆标准段梁高同上弦杆，在墩台位置梁高局部渐变加高至700 mm，翼缘的厚度与宽度、腹板的厚度均不变。

内、外斜腹杆均采用型号为L200×20的单角钢，角钢直接与上、下弦杆的腹板焊接。外斜腹杆与内斜腹杆相交位置采用厚度为30 mm的节点板焊接。

竖向斜撑采用型号为L200×20的单角钢，端部与内斜腹杆通过厚度为12 mm的节点板焊接；竖向斜撑相交点也通过厚度为12 mm的节点板焊接相连。

上横杆采用焊接异形工字钢断面。翼板、腹板厚度均采用12 mm。下翼板与腹板垂直相交，上翼板根据桥面顺桥向变化与腹板形成一定夹角。上横杆内按400 mm间距设置数道厚度为8 mm的加劲肋。上横杆端部与内斜腹杆之间采用熔透焊连接。

下横杆采用型号为L200×20的双角钢，双角钢之间填板厚度采用10 mm。下横杆端部直接与下弦杆的翼板焊接。

下横杆水平斜撑采用型号为L200×20的单角钢，端部与下弦杆的翼板通过厚度为12 mm的节点板焊接；下横杆水平斜撑相交点也通过厚度为12 mm的节点板焊接相连。

桥面纵梁采用型号为I 16的工字钢，纵梁底面与上横杆上翼板焊接相连。桥面纵梁上铺设防腐木材桥面板，形成桥面体系。

上部结构材料均选用Q345。

（3）下部结构设计

下部结构桥台采用重力式桥台，基础采用钻孔灌注桩，桩基直径为800 mm。桥墩采用一字型桥墩，基础采用钻孔灌注桩，桩基直径为1 000 mm。

（4）边界处理

桥墩、桥台采用预埋钢板，桁架在支撑处设置节点板及加劲板，桁架主体结构利用节点板将外力传递至基础上。

（5）桥面铺装

桥面铺装采用5 cm厚菠萝格防腐木。

（6）人行栏杆

本桥栏杆设置钢立柱，设置不锈钢拉索，形成人行栏杆防护系统。

5　总体计算分析

本桥利用MIDAS/Civil 7.8.0对上部结构进行建模计算，全桥采用梁单元，建立三维空间有限元模型。其中桁架构件均采用空间梁单元模拟。全桥共有726个节点，1 417个单元。荷载考虑了自重、二期恒载、人群荷载、整体温差、基础变位。全桥计算模型见图3。

图3　全桥三维模型

（1）静力分析

考虑不利工况的组合，全桥上、下弦杆最大拉应力为180.1 MPa，最大压应力为184.2 MPa；斜腹杆最大拉应力为166.2 MPa，最大压应力为149.6 MPa；斜撑的最大拉应力为101.3 MPa，最大压应力为78.7 MPa。各构件应力满足规范要求。

（2）特征值分析

本钢桁架桥竖向整体刚度较横向刚度大，且抗扭刚度较小。桥梁一阶自振模态为大跨跨中横向弯扭，一阶横向弯扭自振频率为2.59 Hz；一阶竖弯自振频率为6.80 Hz，满足规范要求。

（3）稳定性分析

考虑结构自重、二期恒载、人群荷载下的整体稳定性分析，一阶整体稳定系数为11.6，表现为大跨段上弦杆面外失稳，满足规范要求。

斜腹杆分位于上下弦杆腹板内外两侧，内、外斜腹杆通过节点板相连，由此控制构件的面内长细比。内、外斜腹杆平面内最大长细比为60.1，平面外最大长细比为97.6。满足规范要求。

6　景观与结构受力融合分析

桥梁结构之美在于独特的造型，合理的比例尺度，生动的韵律和色调、明暗与装饰的适当匹配，其中应把桥梁结构的造型和谐与良好的比例放在首位，使之具有秩序感和韵律感［3］。本桥突出景观性与整体受力合理性的融合，在保证结构受力合理性的前提下，尽可能使得桥梁景观突出。主要总结为以下四个方面：

（1）桥梁整体线形与结构受力状态的匹配。大跨连续梁桥结构中支点剪力较大，跨中正弯矩较大。本桥利用连续梁桥结构特性，将梁高施以大胆的曲线变化比例，增大中支点梁高，同时减少两跨跨中梁高，借此展现出了海鸥飞翔的曲线形状，将结构景观融合进当地的自然、文化背景中；同时配以合理、大胆的比例，加以中国红的色彩，使得桥梁整体个性张扬却不失美感。

（2）整体稳定性、局部稳定性与景观融合。本工程为大跨景观钢桁架桥，结构组合方式却有别于常规的车行钢桁架桥。本桥整体梁高较高，斜腹杆互为交叉，整体稳定性较好；同时，本桥斜腹杆采用竖向交叉型式连接，但同时又互为三等分，有效减少了面内长细比，局部稳定性得到满足。从桥梁整体立面上看，斜腹杆错落有致，韵律协调，景观效果良好。

（3）“大体型”与“少用钢量”的结合。全桥钢材重量为162.85 t，每平方米桥面钢材用量指标为171 kg，结构整体轻巧；同时，全桥总长120 m，净宽7 m，最大梁高约9 m；桥梁整体壮阔，但各构件简洁轻巧，由此尽显结构的简洁美。人行桥的轻盈雅致也通过合理的结构比例体现地淋漓尽致。

全桥大部分构件均采用成品型钢。型钢的优势在于不需再增设加劲肋，且可从厂家统一采购，构件质量可得到充分保障。

（4）结构主受力构件与附属结构的融合。本桥除了各构件受力得到尽可能优化之外，也利用上弦杆与互为交叉的斜腹杆，形成桥梁栏杆轮廓及外立面，将主受力构件与附属结构融为一体，更加凸显结构的简洁美。

7　结语

（1）人行景观桥由于荷载相对较小，可设计出风格迥异的景观。设计师需要结合当地的人文环境、地域特色，将文化融于桥梁结构中，达到人造桥景与地域特色的统一。

（2）桥梁景观与结构受力尽可能互相融合，在繁复中体现简洁，不失为一种景观人行桥梁的设计思路。

［1］杨士金，唐虎翔.景观桥梁设计［M］.上海:同济大学出版社，2003.

［2］陈艾荣，盛勇，钱锋.桥梁造型［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［3］巩春领，陶海.人行桥造型设计艺术与构思［J］.城市道桥与防洪，2005（5）:1-5.

U448.21+1

B

1009-7716（2016）06-0098-03

2016-02-25

金叔阳（1986-），男，浙江义乌人，工程师，从事桥梁设计工作。