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用傳統演繹創新 塔米納河谷大橋的設計構想
2020-04-23 來源:橋梁雜志 


  塔米納河谷位于瑞士圣加侖州的南端。它自南向北,終于阿爾卑斯山萊茵河谷的溫泉小鎮Bad Ragaz,海拔高度約500米。河的下游流經深切的山谷,將高原與對岸的城鎮分隔開來。

  往常,居住在Pf fers一側的居民,通過起點位于Bad Ragaz鎮中心、途經塔米納河谷兩側的公路前往Valens。但這段蜿蜒曲折的公路,由于存在地質風險,且不能滿足日益增長的運力需求,經Bad Ragaz、Valens和Pf fers三地當局的決定,于2005年開始修建一座跨越塔米納河谷、連接Valens和Pf fers的橋梁。他們相信,這座橋梁將成為提升兩地間運力最經濟的解決方案。通往該橋的新道路將繞過西北方向的Pf fers村,進入Bofel 區。從Bofel區到河谷對面的Berg區,橋梁長度需要約400米,跨越山谷的深度約200米。

  與自然融合的設計理念

  為確保橋梁結構與周邊自然環境的融合,需要高標準、謹慎地處理周邊及當地環境的敏感要素。例如,要盡可能地減低橋梁在建設階段對當地自然保護區的影響。此外,詳盡的地質調查也是該項目取得成功的先決條件。

  設計競賽方案比選

  當局決定通過舉辦國際設計競賽獲取最佳設計方案。設計方案必須符合以下標準:技術可行、外觀出色、經濟實用。

  競賽文件中提供了路線的平面、縱斷面圖,以及橋面尺寸。此外,地質報告中概述了地質狀況。根據瑞士的州級保護計劃,該河谷地區是野生動物棲息保護區,橋梁下方的區域是巖羚羊的棲息地,施工過程中必須考慮這一點。保護區的景觀保護目標也需要與野生動物的保育計劃相符,因此應避免興建改變保護區特征的建筑物。

  盲選階段共收到24份設計方案,反響熱烈。在這些作品中,占比較大的是拱橋的設計方案,共有14種。經過兩輪嚴格的評選,其中有4份拱橋設計方案脫穎而出進入決賽。評審團以1:250比例的景觀模型,對4份方案進行了最后的評估,最終一致選擇了由德國萊昂哈特-安德拉合伙人咨詢公司(LAP)提供的斜拱+斜拱上立柱的方案。該方案因結構通透、簡潔高雅、經濟環保、施工方法簡便而獲得方案競賽的第一名。

  良好的地質情況

  經過評估,橋位處的地質情況無明顯問題。巖石層的抗壓強度在30~60Mpa之間,屬于高強度混凝土的最高范圍。但在河谷的左側,與巖石裂隙有關的墜石層需要注意,因為陡峭的山勢會有大塊巖石滑落的隱患,施工過程中必須小心處理。

  嚴格的環境保護規定

  作為野生動物的棲息地,塔米納河谷的景觀保護目標須嚴格執行。例如,橋下沿河谷兩側就是巖羚羊的棲息地,這就要求大橋的設計方必須考慮棲息地保護法,施工期間避免在河谷較為陡峭的一側或谷底進行活動。而且, 位于河谷上部,面向Bofel一側 (通往Pf fers) 和Berg一側(通往Valens)的拓寬工作也應被減少到最低限度。

  最后,施工過程中應關注橋梁與周圍景觀環境的融合,在任何情況下都不應改變景觀特征。

  無墩柱的設計原則

  由于橋梁橫跨塔米納河谷,根據周邊的自然環境,需要采用無鉸拱,跨徑為265米,主拱圈與拱上立柱為剛性連接,施工時采用平衡懸臂法及臨時支撐系統。

  為減少對自然環境的破壞,僅設置橋面端部及拱腳處共4個基礎。無論從技術角度還是從地質角度看,這樣的設置是沒有問題的。主拱采用兩個不在同一高程上的半拱構成。為了使兩個半拱在拱頂處的水平力相等,兩個半拱的跨度和矢跨比均不相同。左側拱腳的高度明顯高于右側,但仍處于可以承載較大拱腳推力的基巖區域。兩個拱腳之間的高度差,也與河谷整體輪廓不對稱的幾何形態相呼應。

  為了減少主拱的推力,采用傾斜布置的拱上立柱,拱腳處的基礎傾斜面與拱軸線垂直,且坡度與陡峭的河谷斜坡坡度相似,這樣的設計可以很好地融入到周圍的自然景觀中。其余的拱上立柱也呈放射狀分布在主拱上,自然、有序、和諧地表達出了整個結構。

  而且,這種上承式拱橋使橋上的視野更開闊,與整體景觀較為協調。因為主拱施工時采用懸臂吊裝,所用的臨時支撐系統也可以最大程度地保護橋下的所有區域。

  結構的總體布置

  大橋主跨為265米,是一座非對稱后張法預應力混凝土上承式拱橋。拱上立柱的高度,最高可達4米,且高度依次向拱頂中心位置逐漸減少至2.05米,如圖3所示。主拱的截面寬度也發生變化,往Berg方向的拱截面最大寬度為6.95 米,最窄處為5米,另一側的拱截面最大寬度為9米。主拱采用箱形截面。

  因為立柱斜置,所以立柱和主梁以及拱肋的連接必須剛性連接,而不能設置支座。但是如果立柱和主梁以及拱肋剛性連接,短立柱內的彎矩則特別大,為了克服這個問題,在短立柱的上部和下部采用“混凝土鉸”來解決,如圖4所示。即立柱截面在鉸這個位置,截面尺寸大大縮小, 來減少此處截面的彎矩。

  傾斜的立柱除對橋面結構起到支撐作用外,還作為邊跨的一部分組成了剛架結構的受力體系。這種剛架結構的設計也使大橋在橫跨塔米納河谷時,可以不設置中間的立柱,因此在經濟和美學上更具吸引力。立柱采用變截面設計,間距在38.45米~62.7米。與上部的橋面結構相接后, 更加明顯地體現了框架效應,與典型的鐘擺式拱上立柱區別顯著。

  橋面系由連續的預應力混凝土梁構成。由于橋兩端的立柱傾斜度大,因此可以顯著地減小邊跨的跨度,Bofel一側從原先的89米減少到了62.7米,而Berg一側從48.50 米減小到了38.45米。

  主拱截面的高度變化范圍較廣,一般截面高度為2.75 米。根據框架結構的受力特點,兩側邊跨的截面有加腋高度,Bofel一側為4.75米~5.00米,Berg一側為4.3米~4.5 米。箱梁寬度為5米,懸臂長度為2.73米。因橫橋向受力良好,無需增加橫向預應力。

  考慮到上部結構的跨度變化,在橋臺處設置了支座, 而整個結構其余位置均不再設置支座。

  所有結構構件均采用鋼筋混凝土或預應力混凝土制成,為施工提供了方便。

  施工過程設計

  2011年春季,萊昂哈特-安德拉合伙人咨詢公司(LAP) 完成了這個所謂的建設項目。這相當于大約30%到40%的設計總量。除在投標前完成的初步細節設計,施工圖設計階段的工程師就已參與到該項目的早期設計階段。

  現場施工自2013年3月開始,先進行基礎和橋臺的施工;之后轉入主拱圈的施工,兩個半拱分別按照5米一節向中間延伸,混凝土節段通過臨時塔錨固在河谷兩岸的巖壁上,臨時支撐塔高100米;靠近橋臺處,兩個節段采用一組斜拉索,其后的5~7個節段采用一組斜拉索;在塔的后方,斜拉索錨固到臨時基礎,臨時基礎通過巖錨傳遞荷載到地面。直到主拱合龍后,拆除臨時支撐塔架,開始拱上立柱及橋面系的施工,上部結構和橋柱施工從中心到端跨共分四步進行施工。

  LAP提及了一些設計分析中涉及的特殊問題,并廣泛進行了施工過程的評估。考慮到斜拉索存在的潛在風險,甚至優化了施工中的抗震方案。考慮到混凝土裂縫的形成會導致結構的剛度降低,LAP還對最終狀態和幾個施工階段的穩定性和屈曲分析進行了研究。

  依據工程師的勘探要求進行了地基情況的調查,結果表明,拱肋和橋臺基礎均為筏形基礎。

  塔米納河谷大橋,采用拱上斜立柱和無中間短立柱的拱橋方案,使空中穿越河谷成為可能。同時考量了周邊地形,盡可能地減少了支座。由于橋面道路位于主拱圈的上面,使整個橋梁與周邊的整體景觀特征基本保持不變。通過采用不同跨度和矢跨比的兩個半拱形成一個大拱,并與框架結構相結合,形成了獨特的設計語言。可以說本橋是對傳統結構和技術,賦予當代的技術和施工方法,用傳統演繹創新也是歐洲當代結構工程藝術的主要手法之一。

  塔米納大橋已于2017年6月通車。2018年11月,大橋獲得了英國結構工程師協會(Institution of Structual Engineers) 頒布的最佳結構設計獎及最佳公路/鐵路橋梁獎。

  作者 / Wolfgang EILZERMartin ROMBERGMichael MüLLER

  作者單位 / 德國萊昂哈特-安德拉合伙人咨詢公司(LAP)斯圖加特總部



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