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              用传统演绎创新 塔米纳河谷大桥的设计构想
              2020-04-23 来源:桥梁杂志 


                塔米纳河谷位于瑞士圣加仑州的南端。它自南向北,终于阿尔卑斯山莱茵河谷的温泉小镇Bad Ragaz,海拔高度约500米。河的下游流经深切的山谷,将高原与对岸的城镇分隔开来。

                往常,居住在Pf fers一侧的居民,通过起点位于Bad Ragaz镇中心、途经塔米纳河谷两侧的公路前往Valens。但这段蜿蜒曲折的公路,由于存在地质风险,且不能满足日益增长的运力需求,经Bad Ragaz、Valens和Pf fers三地当局的决定,于2005年开始修建一座跨越塔米纳河谷、连接Valens和Pf fers的桥梁。他们相信,这座桥梁将成为提升两地间运力最经济的解决方案。通往该桥的新道路将绕过西北方向的Pf fers村,进入Bofel 区。从Bofel区到河谷对面的Berg区,桥梁长度需要约400米,跨越山谷的深度约200米。

                与自然融合的设计理念

                为确保桥梁结构与周边自然环境的融合,需要高标准、谨慎地处理周边及当地环境的敏感要素。例如,要尽可能地减低桥梁在建设阶段对当地自然保护区的影响。此外,详尽的地质调查也是该项目取得成功的先决条件。

                设计竞赛方案比选

                当局决定通过举办国际设计竞赛获取最佳设计方案。设计方案必须符合以下标准:技术可行、外观出色、经济实用。

                竞赛文件中提供了路线的平面、纵断面图,以及桥面尺寸。此外,地质报告中概述了地质状况。根据瑞士的州级保护计划,该河谷地区是野生动物栖息保护区,桥梁下方的区域是岩羚羊的栖息地,施工过程中必须考虑这一点。保护区的景观保护目标也需要与野生动物的保育计划相符,因此应避免兴建改变保护区特征的建筑物。

                盲选阶段共收到24份设计方案,反响热烈。在这些作品中,占比较大的是拱桥的设计方案,共有14种。经过两轮严格的评选,其中有4份拱桥设计方案脱颖而出进入决赛。评审团以1:250比例的景观模型,对4份方案进行了最后的评估,最终一致选择了由德国莱昂哈特-安德拉合伙人咨询公司(LAP)提供的斜拱+斜拱上立柱的方案。该方案因结构通透、简洁高雅、经济环保、施工方法简便而获得方案竞赛的第一名。

                良好的地质情况

                经过评估,桥位处的地质情况无明显问题。岩石层的抗压强度在30~60Mpa之间,属于高强度混凝土的最高范围。但在河谷的左侧,与岩石裂隙有关的坠石层需要注意,因为陡峭的山势会有大块岩石滑落的隐患,施工过程中必须小心处理。

                严格的环境保护规定

                作为野生动物的栖息地,塔米纳河谷的景观保护目标须严格执行。例如,桥下沿河谷两侧就是岩羚羊的栖息地,这就要求大桥的设计方必须考虑栖息地保护法,施工期间避免在河谷较为陡峭的一侧或谷底进行活动。而且, 位于河谷上部,面向Bofel一侧 (通往Pf fers) 和Berg一侧(通往Valens)的拓宽工作也应被减少到最低限度。

                最后,施工过程中应关注桥梁与周围景观环境的融合,在任何情况下都不应改变景观特征。

                无墩柱的设计原则

                由于桥梁横跨塔米纳河谷,根据周边的自然环境,需要采用无铰拱,跨径为265米,主拱圈与拱上立柱为刚性连接,施工时采用平衡悬臂法及临时支撑系统。

                为减少对自然环境的破坏,仅设置桥面端部及拱脚处共4个基础。无论从技术角度还是从地质角度看,这样的设置是没有问题的。主拱采用两个不在同一高程上的半拱构成。为了使两个半拱在拱顶处的水平力相等,两个半拱的跨度和矢跨比均不相同。左侧拱脚的高度明显高于右侧,但仍处于可以承载较大拱脚推力的基岩区域。两个拱脚之间的高度差,也与河谷整体轮廓不对称的几何形态相呼应。

                为了减少主拱的推力,采用倾斜布置的拱上立柱,拱脚处的基础倾斜面与拱轴线垂直,且坡度与陡峭的河谷斜坡坡度相似,这样的设计可以很好地融入到周围的自然景观中。其余的拱上立柱也呈放射状分布在主拱上,自然、有序、和谐地表达出了整个结构。

                而且,这种上承式拱桥使桥上的视野更开阔,与整体景观较为协调。因为主拱施工时采用悬臂吊装,所用的临时支撑系统也可以最大程度地保护桥下的所有区域。

                结构的总体布置

                大桥主跨为265米,是一座非对称后张法预应力混凝土上承式拱桥。拱上立柱的高度,最高可达4米,且高度依次向拱顶中心位置逐渐减少至2.05米,如图3所示。主拱的截面宽度也发生变化,往Berg方向的拱截面最大宽度为6.95 米,最窄处为5米,另一侧的拱截面最大宽度为9米。主拱采用箱形截面。

                因为立柱斜置,所以立柱和主梁以及拱肋的连接必须刚性连接,而不能设置支座。但是如果立柱和主梁以及拱肋刚性连接,短立柱内的弯矩则特别大,为了克服这个问题,在短立柱的上部和下部采用“混凝土铰”来解决,如图4所示。即立柱截面在铰这个位置,截面尺寸大大缩小, 来减少此处截面的弯矩。

                倾斜的立柱除对桥面结构起到支撑作用外,还作为边跨的一部分组成了刚架结构的受力体系。这种刚架结构的设计也使大桥在横跨塔米纳河谷时,可以不设置中间的立柱,因此在经济和美学上更具吸引力。立柱采用变截面设计,间距在38.45米~62.7米。与上部的桥面结构相接后, 更加明显地体现了框架效应,与典型的钟摆式拱上立柱区别显著。

                桥面系由连续的预应力混凝土梁构成。由于桥两端的立柱倾斜度大,因此可以显著地减小边跨的跨度,Bofel一侧从原先的89米减少到了62.7米,而Berg一侧从48.50 米减小到了38.45米。

                主拱截面的高度变化范围较广,一般截面高度为2.75 米。根据框架结构的受力特点,两侧边跨的截面有加腋高度,Bofel一侧为4.75米~5.00米,Berg一侧为4.3米~4.5 米。箱梁宽度为5米,悬臂长度为2.73米。因横桥向受力良好,无需增加横向预应力。

                考虑到上部结构的跨度变化,在桥台处设置了支座, 而整个结构其余位置均不再设置支座。

                所有结构构件均采用钢筋混凝土或预应力混凝土制成,为施工提供了方便。

                施工过程设计

                2011年春季,莱昂哈特-安德拉合伙人咨询公司(LAP) 完成了这个所谓的建设项目。这相当于大约30%到40%的设计总量。除在投标前完成的初步细节设计,施工图设计阶段的工程师就已参与到该项目的早期设计阶段。

                现场施工自2013年3月开始,先进行基础和桥台的施工;之后转入主拱圈的施工,两个半拱分别按照5米一节向中间延伸,混凝土节段通过临时塔锚固在河谷两岸的岩壁上,临时支撑塔高100米;靠近桥台处,两个节段采用一组斜拉索,其后的5~7个节段采用一组斜拉索;在塔的后方,斜拉索锚固到临时基础,临时基础通过岩锚传递荷载到地面。直到主拱合龙后,拆除临时支撑塔架,开始拱上立柱及桥面系的施工,上部结构和桥柱施工从中心到端跨共分四步进行施工。

                LAP提及了一些设计分析中涉及的特殊问题,并广泛进行了施工过程的评估。考虑到斜拉索存在的潜在风险,甚至优化了施工中的抗震方案。考虑到混凝土裂缝的形成会导致结构的刚度降低,LAP还对最终状态和几个施工阶段的稳定性和屈曲分析进行了研究。

                依据工程师的勘探要求进行了地基情况的调查,结果表明,拱肋和桥台基础均为筏形基础。

                塔米纳河谷大桥,采用拱上斜立柱和无中间短立柱的拱桥方案,使空中穿越河谷成为可能。同时考量了周边地形,尽可能地减少了支座。由于桥面道路位于主拱圈的上面,使整个桥梁与周边的整体景观特征基本保持不变。通过采用不同跨度和矢跨比的两个半拱形成一个大拱,并与框架结构相结合,形成了独特的设计语言。可以说本桥是对传统结构和技术,赋予当代的技术和施工方法,用传统演绎创新也是欧洲当代结构工程艺术的主要手法之一。

                塔米纳大桥已于2017年6月通车。2018年11月,大桥获得了英国结构工程师协会(Institution of Structual Engineers) 颁布的最佳结构设计奖及最佳公路/铁路桥梁奖。

                作者 / Wolfgang EILZERMartin ROMBERGMichael MüLLER

                作者单位 / 德国莱昂哈特-安德拉合伙人咨询公司(LAP)斯图加特总部



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