上海青浦中承式无推力异型钢拱桥—西大盈港双桥

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工程概况

世博会配套项目之一的市重点工程西大盈港桥是上海青浦新城区城中西路延伸段(又称中央林荫大道)的重要节点, 其独特外形和复杂的受力结构均为国内首创。根据青浦新城总体规划和淀山湖大道两侧地块概念性城市设计:该区域是规划的中央公园商业文化中心,该桥除了应具有交通功能外同时应具有较高城市地标性和景观性的要求。西大盈港双桥分为南桥和北桥,两桥平行,相距50m。

该桥是由西班牙建筑师设计; 同济大学建筑设计研究院完成结构设计, 海绿地建设(集团)有限公司负责现场全桥施工、安装。

设计道路等级为城市主干路Ⅱ级,通行双向六车道及两侧的非机动车道和人行道。单幅主桥全长为201.96m,跨径布置为8.28m+45.9m+76.5m;58.14m+11.34m,桥面宽度为26m,双向六车道。该桥于2008年11月开工,2010年4月通车。其拱肋与主梁间采用固结的形式, 桥用钢量约700吨(约666kg/m2 ), 最重单体构件180 吨。

景观特点

该桥主桥为中承式无推力交叉钢拱桥。作为目前全世界唯一的单拱桥,西大盈港双桥在设计理念上兼具经济实效与前卫时尚。21米宽的路面跃过50米宽的河道,几组交叉拱梁的结构营造出“横看成林侧成峰”的视觉景象,连接两拱之间风撑形成螺旋双曲面,为桥面空间注入了美妙的动态与活力,所有拉索与桥面铆接点分为人行道内侧与桥板外侧两组,形成非对称的平衡关系,时进时退的拉索为桥面空间演绎出脉脉的音律,亦为桥外立面素描了忽明忽暗的优雅体态。

设计考虑

  1. 连贯。拱肋间是首尾相连的,确保拱结构的视觉完整和连贯。
  2. 轻盈。拱与梁外部为相切关系,使得它们在视觉上看上去是相对独立的,降低桥的重量感。
  3. 非对称。由于单幅桥面交通功能的非对称布置,因而设计一组拱穿过桥面,从而获得了大中小三种空间,如此也可以调整不同的拱高。
  4. 独立。两组拱间并不相交,而是空间跨越的,矢高相差Sm,通过风撑联系成一个完整的结构体。
  5. 标准。拱的跨度、吊杆间距、风撑间距均按照3. 06m的标准模数进行布置,并且南北两桥构成180°旋转对称。

结构特点

该桥为中承式无推力拱桥,基础不承受水平推力。拱肋与主梁间为固结形式,拱肋大部分的纵桥向水平力由钢箱梁平衡,横向水平力由钢箱梁和拱脚间横向系杆张拉达到平衡。拱脚和梁端处均设置支座。两侧引桥和人行步梯及管线坡道直接架设在端横梁的牛腿处,
以平衡活载引起的部分上拔力。

该桥为刚梁柔拱组合体系异型拱桥,可以看成两个层面的桥梁受力体系:①主梁及其桥面以上拱肋共同组成“刚梁柔拱”的系杆拱桥;②将主梁及其桥面以上结构看成一个整体,联同桥面以下的V形墩形成V墩梁桥。第一个层面中,拱肋的水平推力由钢箱梁所承担,由于“梁刚拱柔”,大部分的桥面荷载由主梁来承担,拱肋及其吊杆辅助主梁承担部分桥面的荷载;第二个层面中,全桥荷载均由桥面以下的V形墩来承担,其中一部分荷载是经由拱肋传递到V形墩上,较大一部分荷载是由钢主梁经由拱梁节点传递到V形墩上。

桥位处软土地基的特点,决定了该拱桥内部水平力必须是自平衡的,不仅是顺桥向水平力的自平衡,而且还要求横桥向的水平力也必须是自平衡的。相比常规的中承式无推力拱桥,由于该桥结构的不对称,拱肋和主梁不仅承受轴力、弯矩和剪力作用,而且还承受着扭矩的共同作用。设计采用“刚梁柔拱”结构形式,充分发挥扁平钢箱梁的抗扭特点,使拱肋的弯、剪、扭复杂受力状态得到缓解,降低了结构设计难度。拱梁节点是该桥结构体系成立的保证,其受力和构造均较复杂,为了确保其可行性,设计过程中进行了多个方案的详细分析和比选,并采用1:2的模型进行了试验验证。该桥充分考虑建筑造型与结构响应的相互关系,创造性地解决了建筑形态与结构体系、结构受力与场地条件间的矛盾。

对于采用开口式双边钢箱主梁方案和封闭式扁平钢箱梁方案两种主梁形式的比选,分析表明:截面的抗扭刚度对结构的受力影响较大,采用开口式箱梁主梁的扭转变形较大,不利于钢结构施工和行车的安全;采用开口式箱梁,拱肋以弯、扭为主,其弯曲应力远大于轴力应力,必须增大拱肋直径或增加钢板厚度才能满足要求,虽然主梁用钢量减少,但是全桥用钢量不会减小,并且增加了结构设计难度和风险。因此,该桥设计采用封闭式扁平钢箱梁是科学合理的。

拱肋和风撑为空间复杂结构,采用圆形钢管截面可以大大降低设计和施工难度。拱肋轴线均为二次抛物线,其中最大跨度的拱肋其矢距为95. 07m,矢高为35.5 m,矢跨比为1 /2. 68。拱肋外径为1. 5m,根据结构受力的要求,桥面以上拱肋采用加劲钢管截面,钢管壁厚为14~18 mm,钢材等级为Q345 qD,并在吊杆和吊杆间位置设置环向加劲肋。

拱梁固结节点是保证该桥结构体系成立的先决条件,不仅肩负着将拱肋的水平力传递到钢主梁上的责任,而且还担负着将主梁的竖向力传递到拱肋上的重任,因此节点的构造是该桥设计的重点和难点。钢箱梁传递给拱肋的竖向力,主要通过沿拱肋方向的剪力板所承担,而拱肋的扭矩、弯矩和水平力则通过顶底板传递给钢箱梁。

施工特点

该桥的空间结构复杂,钢结构建造中采用无应力状态控制与三维精确测量和定位确保了结构受力和成桥线形满足设计要求。施工总体流程为“先梁后拱”,在不影响通航的前提下,中跨钢箱梁采用整体吊装;拱肋采用整体“卧拼竖转”的施工方法架设。

该桥从设计到施工,贯彻环保、节约、可持续的理念,设计之初即综合考虑桥梁全寿命周期内的养护、检修问题,从而降低工程总成本和减小对周边环境的破坏。

参考资料

  1.  叶绍铭.上海青浦区西大盈港桥钢结构工程施工综述.2010全国钢结构学术年会论文集
  2. 庄冬利,贾丽君,孙斌,肖汝诚.上海青浦西大盈港双桥设计.第十九届全国桥梁学术会议论文集(上册)
  3. http://www.bridgehead.com.cn/thread-47722-1-1.html

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