现代城市桥梁的主要特点

现代城市桥梁的主要特点

0天津海运旧桥提升改造与新建城市桥梁长期以来，市政桥梁一直是城市路网的重要节点，为缓解城市交通压力，促进区域经济发展做出了巨大贡献。随着经济社会的进步和工程技术的发展,对城市桥梁提出了更高的要求,不仅有功能性的要求,也有城市环境方面的考量。天津海河旧桥提升改造和新建城市桥梁的建设,遵循海河综合开发的总体原则,在保证使用安全的前提下适度体现结构造型的优美,在国内城市桥梁的建设环境中具有代表性意义。本文以天津海河旧桥提升改造与新建城市桥梁为代表,介绍了现代城市桥梁的主要特征,并论述了在同时满足功能和环境要求的前提下桥梁在设计和施工方面的创新点,最后结合海河城市桥梁建设的经验,对城市桥梁的主要特点进行梳理和总结。1城市桥梁特点桥梁作为一种构筑物,与其周边的环境是一种和谐共生的关系,坐落于城市的桥梁,与行人的关系更密切,既是市政路网规划的重要节点,又是城市景观的主要组成部分。桥梁体现的是一种沟通的艺术,中国文化对桥的赞美由来已久,而现代城市的格调和氛围,在桥梁满足使用功能的基础上,更强调使用者的观感和体验。对于城市桥梁,不仅要求其结构合理技术先进,桥梁美学也成了桥梁建设的重要方面(见表1)。这类桥梁不仅自身的美观性较高,而且大多能与周边环境融合得很好,甚至有些成为了一个地区的标志,称之为“现代城市桥梁”。这类桥梁的主要特点是:(1)随着社会经济水平的提高,对城市桥梁的关注度越来越高,此类桥梁与市民生活密切相关,注重自身美观性,以及与环境的融合;(2)相对于公路和铁路桥梁来说,城市桥梁的跨度和规模适中,结构形式的选择灵活性大,随着设计水平的提高和计算手段的进步,城市桥梁的造型更加多样化;(3)城市桥梁在结构方面的复杂性,对新技术、新材料,以及施工工艺的要求非常高;(4)城市内,周边建筑密度大,桥梁的尺度要在行人适宜的范围内。2天津海港的现状改革开放以来,随着我国大力推进城市化进程和全面建设小康社会,我国基础设施建设的发展突飞猛进,各地大小城市桥梁建设也取得了日新月异的发展,呈现出城市桥梁建设的新高潮。在20世纪80~90年代,城市桥梁的建设速度和规模都取得了举世瞩目的成就,但是设计过程中的“安全、实用、经济、美观”四项原则中,美观性往往落后于实用性的考虑,这也是由当时的社会经济条件决定的。以天津海河为例,先后在海河较宽的地方建设了狮子林桥、北安桥(见图1)、光华侨、赤峰桥、广场桥、大光明桥、金刚桥(见图2)、刘庄桥(见图3)等。这一时期建设的桥梁主要特点为:(1)混凝土梁式桥:技术成熟,造价经济;(2)拱桥:多为适应跨度需要选用,注重拱线型的力学合理性;(3)索桥:城市桥梁出于跨径考虑,斜拉桥与悬索桥较少采用。桥梁从“实用性”到“功能景观相结合”的过渡:在改革开放初期,受当时经济条件的限制,城市桥梁仅仅是因位于城市而成为一个类型,其设计思路和施工方式与公路桥梁、铁路桥梁并没有本质的区别,同样是遵行“安全、实用、经济、美观”的原则。天津海河开发搭建了一个很难得的平台,决策层在吸纳各方意见的基础上提出了“一桥一景、移步换景”的设计概念,希望海河上的桥梁能够成为镶嵌在天津母亲河上璀璨的明珠,具有独具特色的创新文化特色,能够像塞纳河、莱茵河等世界名河上的桥梁一样,给市民和游客一种人文情怀,一种美的享受。然而,城市桥梁要实现“一桥一景”的设计目标,对设计和施工各个环节都是一个不小的挑战。言而概之,以前的桥梁偏重于功能,现在随着人们生活水平的提高,人们对于桥梁,不仅有功能的需要,还需要有美的享受,无论是对于行车还是行人都强调一种通行体验。下面将以天津海河旧桥改造与新建城市桥梁为代表,分析现代城市桥梁的主要特征,以及在设计构思和施工技术方面的特点。3定位对城市桥梁的影响随着社会经济水平的发展,新时代的城市定位对城市桥梁的各方面都提出了更高的要求。为了适应新的要求,哪些现状桥梁适于提升改造,应关注哪几个方面的问题。(1)重建、加固措施桥梁的建成年代较久,经检测运营状况不佳时,可选择拆除重建或加固改造。因建桥年代的时代局限性,一些现状桥梁特别是20世纪80年代以前修建的桥梁,普遍存在设计荷载偏低、桥面窄小、功能老化、承载力不足的问题。(2)这座桥是否适合通航要求现状桥梁如不满足河道新的通航要求,可选择拆除重建或顶升改造。(3)这座桥是否满足景观要求城市桥梁是独特的现状桥梁如不满足景观性的要求,可选择拆除重建或景观提升改造。(4)桥梁改造途径分析考虑到某些桥梁重要的文化历史价值,可能不适宜拆除。对于实际的旧桥改造项目,首先要进行详细的桥梁检测,再综合考虑以上几个因素合理地选择改造途径,以达到桥梁功能性与景观性的综合提升。3.1新老桥结构改造狮子林桥分新、老三座桥,老桥建于1974年,桥宽24.6m,其中机动车道18m,人行道每侧3m。上部结构为三跨简支单悬臂挂孔结构,跨径24m+45m+24m,挂孔长度为8m。1994年在老桥上下游每侧各修建一座新桥,新桥桥宽9.3m,桥梁上部结构外形与老桥相同,结构形式为三跨变截面预应力混凝土箱形连续梁,跨径为25.2m+45m+25.2m(见图4、图5)。新老桥下部结构均为钢筋混凝土实体桥墩,墩下采用钻孔灌注桩。改造时,考察此桥的几个要素:(1)建成年代与运营状况:经1994年的扩宽,桥梁基本可以满足交通功能。(2)通航要求:海河综合提升改造,此桥已不能满足通航要求。(3)景观性:有待进一步美化改造。(4)文化意义:原桥有较多狮子主题的浮雕装饰,工艺水平高,具有较高的保存价值。对狮子林桥进行的全面检测表明,该桥仍然满足现在的荷载标准及现行规范要求,仍然可以继续使用。但由于海河通航标准提高,狮子林桥已无法满足现在的通航要求,必须将桥梁标高提高1.271m。由于狮子林桥所具有的独特的人文和景观价值,将其拆除将非常可惜。经过慎重研究和反复论证,决定将其进行整体抬升,同时,按照景观要求对桥区范围的海河两岸进行装修(见图6、图7)。此桥在国内首次把“同步顶升技术”成功应用于桥梁改造领域,实现桥梁改造技术的一大突破。结合桥区环境尤其是望海楼教堂对桥梁进行景观装饰工程设计。通过顶升,使桥梁满足通航的要求,避免了旧桥拆除带来的经济和文化方面的损失,并在桥梁顶升后,全面提升了桥梁的外部装饰效果,最终达到了桥梁功能与景观的协调统一。3.2实桥试验研究解放桥位于天津站对面的海河上,原名万国桥,为竖向开启钢桥,于20世纪20年代开始筹建,由美国舒尔茨开启桥公司设计,法国达德与施奈尔联合公司承包,英国生产建桥的钢材,桥梁于1923年开工,1927年竣工。为天津市标志性建筑。由于经过长时间运营,解放桥遭受了各种各样的病害与损伤,其承载安全已经部分耗散;桥梁结构几经改变,现今已不具备开启功能。2004年对既有解放桥进行了技术状态评定,包括桥梁工作状态模拟与分析、桥梁病害检测与裂纹(缺陷)探测、桥梁结构承载能力验算、应力监测与疲劳寿命评估;同时进行了实桥荷载试验。从该桥维修历史及此次的检测情况来看,解放桥主体结构保存尚好、整体刚度较完好,经过修复完全可以满足今后规划所确定的长期使用功能;加之解放桥一直以来作为天津的象征,又是具有80a历史的国内唯一的一座双叶立转式开启桥,风格别致独特,极具文物保存价值,因此对解放桥进行修复,恢复其开启功能(见图8、图9)。解放桥修复开启的目的和意义:在中国的桥梁历史上,开启桥梁的形式非常少。著名桥梁专家茅以升曾经称赞开启桥是天津的“特产”,他认为开启桥是一种很经济的桥梁结构,几乎全国的开合桥都集中在“天津”。解放桥一直以来是天津这座城市的象征,它是我国历史上唯一的一座双叶立转式开启桥。它的意义已经不仅仅局限于结构本身所代表的技术,更突出表现在它所独有的历史、文化和艺术价值。解放桥年久失修,存在如下主要问题:油漆出现严重退化、剥落现象;桥梁发生严重锈蚀,局部构件锈穿;构件扭曲变形;钢板疲劳与开裂;连接部位松动;开启系统已封死且年久失修,传动部件锈蚀。主要研究内容有以下几个方面:(1)解放桥结构修复仿真分析;(2)解放桥铆接结构修复加固技术与工艺研究;(3)解放桥板件锈胀处理及防锈措施研究;(4)解放桥施工安全监控及结构性能综合测试研究;(5)解放桥开启体系恢复研究。4以通航和通行为导向,明确河道断面,确保景观设计方案海河宽度逾100m,河道内淤泥厚度较大;随着海河周边市区的不断开发和发展,非常临近河岸的建筑群和相应的路网已经定型;另外按照城市发展的规划,海河将作为内河六级通航航道使用。这些因素,要求海河的新建桥梁首先必须满足通航的要求,同时为避开对周边路网的干扰,要求桥梁以最短的距离与路网相接,另外桥梁的立面高度要充分尊重既有的建筑群风格。城市新建桥梁主导思想:(1)规划定位高:城市新建桥梁,整体规划要求不仅仅建成一个交通设施,还着重强调要把桥梁作为艺术品和旅游景点,形成一桥一景,力争成为区域内的景观亮点。(2)景观性要求高:新建桥梁的结构或外观造型必须是独特的,景观效果必须是新颖的。通过当代设计手段、设计理论飞速发展成果的运用、新型材料和施工工艺的应用,在桥梁设计中实现结构与景观、力学与美学的完美结合。海河桥梁形式的选择,充分适应了上述的基本条件。4.1大沽桥4.1.1景观步道、行人大沽桥为全焊钢结构下承式系杆拱桥,跨径布置为24m+106m+24m,曲线形景观步道及人行道,中间以镂空横梁连接。大拱拱高39m,外倾角度18°,小拱拱高19m,外倾角度22°,吊杆按四索面布置(见图10)。4.1.2景观新景观设计不对称拱的设置突破了常规拱桥的二维平面受力模式,四索面吊杆布置,保证了结构安全,从而不需设置风撑,同时呈现出独特优美的造型;镂空梁增强了亲水性的景观效果,同时满足桥梁横向受力的要求;观景平台加宽尺寸的选择满足了大小拱不同的受力需要,同时也为行人观光增加了空间。4.1.3景观步道及车行道的设置大沽桥以显著的倾斜式大小拱的造型,使主拱非常突出,并且拱间无风撑,保证了车行视野开阔和桥面以上结构的简约;镂空横梁充分兼顾了行人亲近河水的功能,并为此设置了景观步道,同时在结构处理时使拱在平面内的投影吻合外挑景观步道的形状。为保证拱的稳定,在结合桥梁结构受力的前提下,在景观步道的外侧和车行道侧分别设置了双索面的拉索。倾斜的大小拱造型,已经成为大沽桥的典型标识。4.1.4大3桥有限元分析大沽桥是一座敞开式空间四索面系杆拱桥,该桥有许多独特的空间形态及受力特性,仅进行平面模型假定无法解决大沽桥结构问题,必须采用空间模型进行全面的有限元分析。4.1.5大沽桥施工技术难度狭小空间内的钢板可焊性研究、厚板焊接变形的研究、钢箱拱肋安装工艺研究。4.2直沽桥4.2.1置石:5+84+97m直沽桥上部结构为三跨连续中承式无推力拱结构,桥梁跨径布置为(56+138+56m)。全桥共有9道空腹主拱,每跨3道拱,每道拱又由3条小截面箱形拱肋交叉组成,之间设置由弧形梁与精轧螺纹钢拉杆组成的连接受力构造(见图11)。4.2.2拱肋的设计施工直沽桥为海河量身定做,景观和建筑特点突出。从整体到局部造型细腻、曲线曲面元素丰富,艺术效果独特。组合空腹拱,避免了单一拱肋的大截面,突出了通透的效果,同时满足受力要求。拱肋的连接构造采用“花瓣”,使三条拱共同受力、共同变形,外部包裹装饰不参与刚度分配,同时保证景观效果。斜撑与拉杆组合构造,将中、边跨不平衡水平力传递到桥面。4.2.3景观拱肋的设计三跨拱整体造型宛如花朵边缘。三维曲线造型的多条纤细拱肋组成空腹拱,突出了全桥的通透、纤细效果。拱肋连接采用角度不同、形状各异、多曲面的“花瓣”形式,对光线的反射形成独特的景观。曲线型人行步道和景观步道,满足了游人与行人的不同需求。4.2.4局部构件分析在设计阶段,应用多个空间有限元程序对比计算,对结构整体及局部构件的强度、刚度、稳定性进行分析,保证结构的安全。“花瓣”连接构造选择,组成每组拱的三条拱肋十分纤细,为保证三条拱肋共同受力、共同变形,最终形式的选择是该桥的设计难点。4.2.5直沽桥施工技术难度超厚钢板构件焊接工艺研究、钢桥面滑动平移架设工艺、空间斜向变截面钢拱的安装、钢拱合龙段工艺、4.3赤峰桥4.3.1桥型处理—赤峰桥总体布置赤峰桥为单侧独塔斜拉弯桥,主跨120m,边跨为(55+40)m。由于桥梁位于道路的曲线范围内,所以在桥型处理时在曲线的内侧设置了单塔,通过塔的倾斜布置并引出斜拉索牵引桥体,突出主塔与拉索的受力特性和力度感,充分表现桥面的悬浮效果(见图12)。4.3.2传统斜拉桥造型特点赤峰桥将建筑美学融合于结构的整体性之中,突出主塔与拉索的受力特性和力度感,充分表现桥面的悬浮结构,突破了传统斜拉桥的简单结构模式,其造型呈现出桥梁多元化的特征。为平衡单侧桥面的偏载,设置大体积混凝土配重,外观为船形。4.3.3方案2:单桥侧独塔斜拉桥因地形所限和两岸道路路口衔接需要,主桥处于小半径曲线上,采用单桥侧独塔斜拉桥方案。因临近河岸,船形配重形成海河夜泊的景观效果。塔顶观光厅、斜塔电梯及船形餐厅,与城市中心区的风格相适应。梁侧和塔壁外包。4.3.4赤桥结构问题(1)赤峰桥索塔偏布于桥面的一侧,向桥中线倾斜,结构组成和受力都很复杂,需要精确的分析和计算。(2)由于线形的需要,赤峰桥主梁位于平曲线上,钢箱梁的设计和构造处理均复杂。目前国内的钢结构桥梁设计较多,但基于曲线线形的情况极少。(3)由于赤峰桥桥面较宽,达39m,要充分考虑如何避免主梁横桥向出现裂缝并充分保证桥梁的使用寿命。(4)赤峰桥后背索分索装置的构造:由于每根后背索索力达22000kN,其在锚碇处由分索器需要分股,必须充分考虑受力和构造难点。(5)目前拉索疲劳应力控制是特别需要充分考虑的关键因素。通过研究,合理地进行了结构处理,确保了桥梁的运营安全。(6)通过对赤峰桥结构进行抗震实验及抗风实验研究,对桥梁在地震作用及风荷载作用下的结构安全性能有一个全面的了解;对不满足抗震抗风要求的部位及构件进行改进或者加强并提出相应的抗震对策,进而提高了桥梁的实用性和安全性。4.4富民桥4.4.1富源桥的整体布局富民桥是一座自锚式空间缆索造型的悬索桥,主跨为160m,边跨为30m+40m。选择自锚式悬索桥(见图13)。4.4.2富民桥项目规划单塔与空间缆的配合,实现了塔的横向受力平衡,满足了景观需求。人行桥下挂在桥梁的中线处,避免了桥梁宽度的增加,减轻了人群的偏载作用。4.4.3边跨主缆吊索主跨的主缆采用空间缆形,弧线优美,斜吊索富有韵律感。边跨主缆不布置吊索形式,通透简捷。主梁下挂人行道,利用双主梁之间镂空横梁采光,减少桥面的宽度,避免了行人和行车之间的互相干扰,还具有亲水性。4.4.4系统结构设计富民桥主缆为空间线形,即在竖直面、水平面内同时设有曲线。相应的主索鞍、散索鞍、索夹等均需要专门设计。富民桥对于传统的突破不仅体现在缆形的选择,技术上的挑战还在于空间缆和发散吊杆的准确定位、合理连接及受力协调,索鞍和散索套的技术处理。富民桥主缆需由边跨的直线变化到主跨的斜线,需要考虑主缆对鞍槽的横桥向水平力作用,所以需要设计出双向组合转向构造(见图14~图19)。主、边跨散索套同样存在使主缆转向的构造要求,尤其是水平向的转向与主缆的特性是一致的,需要以类似的方式处理。5现代城市桥梁的特点结合海河城市桥梁建设的经验,对城市桥梁的主要特点进行梳理和总结,此类桥梁大概有以下几个特点。5.1桥梁节点的类型除了桥梁功能性的考虑,桥梁美学成为桥梁建设的主要方面,这类桥梁不仅自身的美观性较高,而且大多能与周边环境融合的很好,甚至有些成为了一个地区的标志。5.2标准属性桥梁处于城市的中心区,桥梁的尺度在人们适宜的范围内。5.3新结构体系桥梁的构思和设计中应遵循的主要原则为“桥梁与桥梁所在地的统一”和“在结构上的表现形式”的应用。具体来说,城市景观桥构思的出发点有:在经典桥式(梁、拱、索体系)的基础上,发挥结构工程师的巧妙构思,发展衍生新的结构造型,通过简洁、明快、流畅的力学结构体现桥梁的美学特征。(2)建筑学:在桥梁设计中,除了工程专业人士之外,引入建筑师、艺术家,以及景观和环境方面的专家,形成学科交叉的设计团队。特别是建筑师的参与,使得新型桥梁有了更大的发展空间。(3)桥梁装饰:对于城市桥梁,由于多是中小跨径,而且美观要求较高,为了使桥梁与周围的环境更和谐,是可以适当的添加装饰的。5.4在桥梁规模小、跨径大的情况下,可采取以下几种方式在城市桥梁的设计过程中,要根据实际情况(财力、定位)合理权衡桥梁“景观性”与“经济性”的关系。(1)在人的视线关注度不高,景观要求不高的桥位。重点考虑桥梁的实用性。可在不过多增加造价的基础上,通过细节处理或桥梁附属选型(栏杆、灯杆等),保证一定的桥梁景观。(2)在桥梁体量不大,但景观要求较高时,例如重点片区内的景观小桥。适应跨径选用梁桥或拱桥,建议在小幅度增加造价的基础上,对墩柱、盖梁、主梁做适当的美化,或通过桥梁的外观装饰提升桥梁景观,并需结合周边建筑风格,做到“能融入区域景观又独具特色”。(3)在桥梁体量中等(约30~100m),且景观要求较高时,例如一些城市内河或跨线桥梁。可选用一些多跨的混凝土梁桥或拱桥,并应具有较好的景观性。为了与中等跨径相适应,不建议采用大跨结构或造价较高的钢结构桥梁。(4)在桥梁跨径较大(约100~300m),且景观要求较高时,例如一些城市内河或跨线桥梁。视具体的景观定位和经济条件,可考虑选择混凝土桥梁或造价较高的钢结构桥梁。在重点桥位且桥梁景观定位非常高的情况下,可量身订做具有唯一性、标志性的特殊结构桥梁。5.5环境特征重视桥梁与城市环境及历史人文的协调,重视桥梁之间的景观衔接和整体考虑。5.6固废处理行业是环保行业的未来应该设定桥梁建设的高标准,利用世界先进的理念,开放竞争吸取国内外最优秀的设计团队参与,以期能够用最少的造价,在市场竞争中出精品,在国际合作中出高水平的作品。赛迪投资顾问研究显示固废处理行业未来最看好固废处理行业或将成为环保产业下一个掘金点。日前,赛迪投资顾问发布《中国环保产业投融资与并购战略研究(2012年)》,研究显示,中国环保产业近年来呈现政策与市场双重利好,整体进入黄金增长期,各细分领域在新环境中寻找发展机会,而固废处理行业则是环保行业未来最为看好的子行业。赛迪投资顾问的数据显示,“十五”以来,环保产业投入年增长率都在15%以上,“十一五”期间,环保产业投资总额1.375万亿元,较“十五”期间增加96.4%,占GDP比例上升到1.35%。2010年中国环保产业产值较上年大幅增长18.1%,规模突破一万亿元。“十二五