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德国内森巴赫山谷高架桥: 技术与环境景观成功结合的典范 刘 钊 1 概述 德国斯图加特市位于一个丘陵环绕的盆地,其西南翼的韦兴根镇附近有一个狭长而秀美的内森巴赫山谷,一条城市轨道交通线(U-Bahn)沿山谷蜿蜒,另一条城郊轨道线(S-Bahn)高架跨越。1994年,当斯图加特市策划在此修建一条高速公路时,结合地形地貌考虑的“隧道-桥梁-隧道”方案最终被确立,经竞标,承担桥梁设计的是德国施莱西·贝尔格曼设计事务所(Schlaich Bergermann und Part-ner),其独具匠心的设计使得这座桥梁成为环境景观与工程技术成功结合的典范。 2 与环境景观相协调的桥梁建筑 在桥梁概念设计阶段,需要充分审视地势、地貌与环境特点。对于这座桥梁来说,良好的通透性,可以最大程度地保障谷地果园新鲜空气对流进入斯图盆地;桥梁两边的山地是韦兴根镇的居住区,要求对高速公路设置必要的噪音屏障;在桥梁上附设人行道与自行车道,显然可为附近居民提供交通便利;同时,造型要与邻近的一座城市轨道交通高架桥相协调,还应当能够自然地融入谷地景观。 两座隧道之间的桥梁长度为151 m,在线形布置上,采用微弯平曲线顺接两端的隧道,曲率半径由250 m变化到1950 m;桥面纵坡为1.32%,横坡为2.5%。
图1 桥梁内景 为增加桥梁的通透性,在桥跨结构上,采用了轻薄的混凝土行车道板与空间钢管桁架的组合结构形式,桥墩采用由集束钢管组成的树状桥墩。银白色的上部结构像轻盈的空中联廊,彰显了结构的力度与精巧,见图2。
图2 桥梁顶部为自行车道和人行道 3 桥梁结构设计 3.1 无支座、无伸缩缝的整体桥梁
图3 桥梁立面布置 本桥为无支座、无伸缩缝的整体桥梁结构,钢筋混凝土桥面板为整体构造,一次现浇于钢管桁架之上,并延伸到两端的隧道洞体之中,无缝长度达到318.3 m,见图3。无缝设计是利用钢筋混凝土的徐变和出现裂缝,来消除收缩和温度等产生的自应力,还应考虑桥面板两端在隧道中的暗销作用。通过桥面板的配筋设计、混凝土材料的配比和桥面板的施工工艺来限制裂缝宽度不大于设计规定的0.3 mm的要求。这种整体桥面的设计实践,避免了因桥上伸缩缝可能带来的跳车与噪音,对于提高桥梁刚度、耐久性和降低维护成本均十分有利。 3.2 钢管桁架与混凝土面板的组合 桥梁组合截面的构造如图4所示,应当注意到,该结构没有设置钢结构上弦杆承担节点之间的传力,而是采用钢筋混凝土板直接承受空间桁架斜杆传递的节点力,从而,混凝土桥面板起到桁架上弦杆的作用。桥面板宽11 m,厚度25 cm,在中央和两边增加到60 cm,侧翼最大高度增加到90 cm。
图4 主墩处横截面 由于没有钢结构的上弦杆,自然就避免了混凝土面板与钢上弦杆之间的变形协调问题,诸如收缩约束、内力分配等。对于桁架斜杆交会处桥面板要承受集中力问题,则通过一种齿状铸钢连接件来解决。这种连接件可以长达2 m左右,50 mm厚的中央板两侧排列有80 mm宽的牙齿,与桁架斜杆上端的整体铸钢节点相焊接,见图5。在结合部的设计分析方面,采用了拉压杆模型与有限元分析的手段。 3.3 树状钢管桥墩 采用轻型的树状桥墩直接连接于钢桁架节点上,见图4和图6。此前,德国已将这种树状轻型钢管桥墩应用在多座人行桥上。本桥主墩下部为4根集束钢管,高度8 m,在上部分叉后呈树枝状,连接于钢管桁架节点。钢管直径由323.9 mm变化到197.3 mm,壁厚依据受力大小,在10～ 80 mm之间变化。钢管材质为S335-J2G3。墩柱底部、杆件交叉节点、与行车道板联接节点均为铸钢件,材质为GS 20Mn5(V)。
图5 铸钢节点齿状连接
图6 树状轻型桥墩
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