德國內森巴赫山谷高架橋:

技術與環(huán)境景觀成功結合的典范

劉　釗

1　概述

德國斯圖加特市位于一個丘陵環(huán)繞的盆地,其西南翼的韋興根鎮(zhèn)附近有一個狹長而秀美的內森巴赫山谷,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,當斯圖加特市策劃在此修建一條高速公路時,結合地形地貌考慮的“隧道-橋梁-隧道”方案最終被確立,經競標,承擔橋梁設計的是德國施萊西·貝爾格曼設計事務所(Schlaich Bergermann und Part-ner),其獨具匠心的設計使得這座橋梁成為環(huán)境景觀與工程技術成功結合的典范。

2　與環(huán)境景觀相協調的橋梁建筑

在橋梁概念設計階段,需要充分審視地勢、地貌與環(huán)境特點。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),要求對高速公路設置必要的噪音屏障;在橋梁上附設人行道與自行車道,顯然可為附近居民提供交通便利;同時,造型要與鄰近的一座城市軌道交通高架橋相協調,還應當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　橋梁內景

為增加橋梁的通透性,在橋跨結構上,采用了輕薄的混凝土行車道板與空間鋼管桁架的組合結構形式,橋墩采用由集束鋼管組成的樹狀橋墩。銀白色的上部結構像輕盈的空中聯廊,彰顯了結構的力度與精巧,見圖2。

圖2  橋梁頂部為自行車道和人行道

3　橋梁結構設計

 3.1 無支座、無伸縮縫的整體橋梁

圖3 橋梁立面布置

本橋為無支座、無伸縮縫的整體橋梁結構,鋼筋混凝土橋面板為整體構造,一次現澆于鋼管桁架之上,并延伸到兩端的隧道洞體之中,無縫長度達到318.3 m,見圖3。無縫設計是利用鋼筋混凝土的徐變和出現裂縫,來消除收縮和溫度等產生的自應力,還應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計、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計規(guī)定的0.3 mm的要求。這種整體橋面的設計實踐,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

橋梁組合截面的構造如圖4所示,應當注意到,該結構沒有設置鋼結構上弦桿承擔節(jié)點之間的傳力,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,側翼最大高度增加到90 cm。

圖4  主墩處橫截面

由于沒有鋼結構的上弦桿,自然就避免了混凝土面板與鋼上弦桿之間的變形協調問題,諸如收縮約束、內力分配等。對于桁架斜桿交會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2 m左右,50 mm厚的中央板兩側排列有80 mm寬的牙齒,與桁架斜桿上端的整體鑄鋼節(jié)點相焊接,見圖5。在結合部的設計分析方面,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)點上,見圖4和圖6。此前,德國已將這種樹狀輕型鋼管橋墩應用在多座人行橋上。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。鋼管直徑由323.9 mm變化到197.3 mm,壁厚依據受力大小,在10～ 80 mm之間變化。鋼管材質為S335-J2G3。墩柱底部、桿件交叉節(jié)點、與行車道板聯接節(jié)點均為鑄鋼件,材質為GS 20Mn5(V)。

圖5  鑄鋼節(jié)點齒狀連接

圖6  樹狀輕型橋墩