德國內(nèi)森巴赫山谷高架橋:
技術(shù)與環(huán)境景觀成功結(jié)合的典范
劉 釗
1 概述
德國斯圖加特市位于一個(gè)丘陵環(huán)繞的盆地,其西南翼的韋興根鎮(zhèn)附近有一個(gè)狹長而秀美的內(nèi)森巴赫山谷,一條城市軌道交通線(U-Bahn)沿山谷蜿蜒,另一條城郊軌道線(S-Bahn)高架跨越。1994年,當(dāng)斯圖加特市策劃在此修建一條高速公路時(shí),結(jié)合地形地貌考慮的“隧道-橋梁-隧道”方案最終被確立,經(jīng)競標(biāo),承擔(dān)橋梁設(shè)計(jì)的是德國施萊西·貝爾格曼設(shè)計(jì)事務(wù)所(Schlaich Bergermann und Part-ner),其獨(dú)具匠心的設(shè)計(jì)使得這座橋梁成為環(huán)境景觀與工程技術(shù)成功結(jié)合的典范。
2 與環(huán)境景觀相協(xié)調(diào)的橋梁建筑
在橋梁概念設(shè)計(jì)階段,需要充分審視地勢、地貌與環(huán)境特點(diǎn)。對于這座橋梁來說,良好的通透性,可以最大程度地保障谷地果園新鮮空氣對流進(jìn)入斯圖盆地;橋梁兩邊的山地是韋興根鎮(zhèn)的居住區(qū),要求對高速公路設(shè)置必要的噪音屏障;在橋梁上附設(shè)人行道與自行車道,顯然可為附近居民提供交通便利;同時(shí),造型要與鄰近的一座城市軌道交通高架橋相協(xié)調(diào),還應(yīng)當(dāng)能夠自然地融入谷地景觀。
兩座隧道之間的橋梁長度為151 m,在線形布置上,采用微彎平曲線順接兩端的隧道,曲率半徑由250 m變化到1950 m;橋面縱坡為1.32%,橫坡為2.5%。
圖1 橋梁內(nèi)景
為增加橋梁的通透性,在橋跨結(jié)構(gòu)上,采用了輕薄的混凝土行車道板與空間鋼管桁架的組合結(jié)構(gòu)形式,橋墩采用由集束鋼管組成的樹狀橋墩。銀白色的上部結(jié)構(gòu)像輕盈的空中聯(lián)廊,彰顯了結(jié)構(gòu)的力度與精巧,見圖2。
圖2 橋梁頂部為自行車道和人行道
3 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 無支座、無伸縮縫的整體橋梁
圖3 橋梁立面布置
本橋?yàn)闊o支座、無伸縮縫的整體橋梁結(jié)構(gòu),鋼筋混凝土橋面板為整體構(gòu)造,一次現(xiàn)澆于鋼管桁架之上,并延伸到兩端的隧道洞體之中,無縫長度達(dá)到318.3 m,見圖3。無縫設(shè)計(jì)是利用鋼筋混凝土的徐變和出現(xiàn)裂縫,來消除收縮和溫度等產(chǎn)生的自應(yīng)力,還應(yīng)考慮橋面板兩端在隧道中的暗銷作用。通過橋面板的配筋設(shè)計(jì)、混凝土材料的配比和橋面板的施工工藝來限制裂縫寬度不大于設(shè)計(jì)規(guī)定的0.3 mm的要求。這種整體橋面的設(shè)計(jì)實(shí)踐,避免了因橋上伸縮縫可能帶來的跳車與噪音,對于提高橋梁剛度、耐久性和降低維護(hù)成本均十分有利。
3.2 鋼管桁架與混凝土面板的組合
橋梁組合截面的構(gòu)造如圖4所示,應(yīng)當(dāng)注意到,該結(jié)構(gòu)沒有設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)上弦桿承擔(dān)節(jié)點(diǎn)之間的傳力,而是采用鋼筋混凝土板直接承受空間桁架斜桿傳遞的節(jié)點(diǎn)力,從而,混凝土橋面板起到桁架上弦桿的作用。橋面板寬11 m,厚度25 cm,在中央和兩邊增加到60 cm,側(cè)翼最大高度增加到90 cm。
圖4 主墩處橫截面
由于沒有鋼結(jié)構(gòu)的上弦桿,自然就避免了混凝土面板與鋼上弦桿之間的變形協(xié)調(diào)問題,諸如收縮約束、內(nèi)力分配等。對于桁架斜桿交會(huì)處橋面板要承受集中力問題,則通過一種齒狀鑄鋼連接件來解決。這種連接件可以長達(dá)2 m左右,50 mm厚的中央板兩側(cè)排列有80 mm寬的牙齒,與桁架斜桿上端的整體鑄鋼節(jié)點(diǎn)相焊接,見圖5。在結(jié)合部的設(shè)計(jì)分析方面,采用了拉壓桿模型與有限元分析的手段。
3.3 樹狀鋼管橋墩
采用輕型的樹狀橋墩直接連接于鋼桁架節(jié)點(diǎn)上,見圖4和圖6。此前,德國已將這種樹狀輕型鋼管橋墩應(yīng)用在多座人行橋上。本橋主墩下部為4根集束鋼管,高度8 m,在上部分叉后呈樹枝狀,連接于鋼管桁架節(jié)點(diǎn)。鋼管直徑由323.9 mm變化到197.3 mm,壁厚依據(jù)受力大小,在10～ 80 mm之間變化。鋼管材質(zhì)為S335-J2G3。墩柱底部、桿件交叉節(jié)點(diǎn)、與行車道板聯(lián)接節(jié)點(diǎn)均為鑄鋼件,材質(zhì)為GS 20Mn5(V)。
圖5 鑄鋼節(jié)點(diǎn)齒狀連接
圖6 樹狀輕型橋墩
