曾令權(quán)，李 磊，周 濤

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，重慶 401121)

梅溪湖國際新城是湘江新區(qū)開發(fā)的重點(diǎn)片區(qū)，長沙梅溪湖節(jié)慶島浮橋位于梅溪湖旅游觀光區(qū)內(nèi)，連接南側(cè)中央綠軸廣場與湖中節(jié)慶島。北岸為商業(yè)用地，音樂噴泉、文化藝術(shù)中心，均已投入使用；南側(cè)是居住用地，南岸行人到達(dá)北側(cè)環(huán)湖路的通道只有通過梅溪湖大橋繞行，距離較遠(yuǎn)。為能將南側(cè)地塊與節(jié)慶島連通，與既有1#人行橋一并構(gòu)成貫穿湖岸南北側(cè)的快速人行通道，節(jié)慶島橋的建設(shè)迫在眉睫。

1 浮橋總體布置

梅溪湖節(jié)慶島橋位所在湖區(qū)內(nèi)水質(zhì)現(xiàn)狀良好，傳統(tǒng)水下基礎(chǔ)施工方式對(duì)周邊水質(zhì)影響較大；湖面開闊，濱江步道及船行對(duì)視角有較高的景觀需求，橋位兩側(cè)為人行步道，施工機(jī)械進(jìn)出困難；綜合周邊環(huán)境品質(zhì)、景觀和施工影響考慮，本橋湖面主要區(qū)域均采用浮橋結(jié)構(gòu)[1-3]，同時(shí)考慮游船通航需求，在近北岸側(cè)設(shè)置混凝土剛架通航孔，建成后整體鳥瞰圖如圖1所示。

圖1 建成后實(shí)景

根據(jù)岸側(cè)連接點(diǎn)折線布置，主浮橋長276.58 m，通航孔長23.6 m，南岸側(cè)靠近廣場區(qū)設(shè)置綠植平臺(tái)和游船碼頭區(qū)，主橋橋面寬度為0.2 m(欄桿)+6 m(人行道)+0.2 m(欄桿)=6.4 m。主浮橋、綠植平臺(tái)、游船碼頭區(qū)采用浮橋支撐+鋼縱橫梁體系，縱向間隔約40 m橋面橫向兩側(cè)設(shè)置預(yù)制混凝土定位方樁，通航孔采用混凝土剛架結(jié)構(gòu)，主梁采用混凝土板槽型斷面，標(biāo)準(zhǔn)斷面兩側(cè)高60 cm，根部斷面處橫向兩側(cè)高80 cm，中間高度統(tǒng)一為30 cm的混凝土板。浮箱、橋面系設(shè)計(jì)年限為25年；定位樁等主體結(jié)構(gòu)按50年設(shè)計(jì)年限考慮，橋梁平面總體布置如圖2所示。

圖2 浮橋總體布置

2 浮箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮箱為浮橋主要承重結(jié)構(gòu)，采用玻璃鋼復(fù)合材料(FRP)，具有自重輕、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)[4-6]。構(gòu)件理化性能要求：抗紫外線照射和長期水泡環(huán)境下的老化壽命不低于30年，且30年內(nèi)的力學(xué)性能衰減比例不大于15%，浮箱批量加工前需通過不少于24 h的密閉性和抗壓性能試驗(yàn)。

浮箱采用半圓柱形狀，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。內(nèi)壁設(shè)置隔板及加勁肋增強(qiáng)箱壁剛度，內(nèi)部隔板間完全封閉并獨(dú)立設(shè)置注水孔，保證箱體注水對(duì)成橋線形的平衡控制，同時(shí)即使局部漏水發(fā)生時(shí)，整個(gè)箱體也不至于發(fā)生破壞下沉。浮箱頂設(shè)置矩形空心型鋼焊接制作的框架，其將橋面荷載分布至浮箱的箱壁和隔板，框架頂面設(shè)置4對(duì)帶銷孔的基座用來與橋面系連接?？蚣芘c箱體間加設(shè)隔水板，使鋼框架與箱體內(nèi)用于調(diào)節(jié)重量的水體隔開，增強(qiáng)鋼框架防腐性能。箱體頂部由玻璃鋼蓋板將框架及浮箱主體扣為一體。箱體半圓柱形半徑為1.2 m，寬度6.2 m，縱向長度2.6 m，2個(gè)浮箱間縱向留10 cm空隙，適應(yīng)箱體變形。

注：1—箱體蓋板；2—鋼框架；3—隔水蓋板；4—浮箱主體。

3 浮橋橋面系設(shè)計(jì)

3.1 橋面縱橫梁體系

浮箱自身為柔性結(jié)構(gòu)，為提高其整體剛度，浮橋橋面系采用成品矩形鋼管焊接組裝形成縱橫梁體系，且全部采用定型鋼制構(gòu)件，并通過螺栓或焊接連接固定，整體剛度加大，人行舒適度極佳。每個(gè)主浮箱頂設(shè)置1道橫梁，通過預(yù)埋基座將橫梁與浮箱固定。橫梁采用200 mm×100 mm×8 mm成品矩形鋼管，每道橫梁上設(shè)置6道160 mm×160 mm×8 mm成品矩形鋼管縱梁，縱橫梁間用焊接加勁板與M20螺栓連為一體。橋面系平面布置如圖4所示。

單位：mm

根據(jù)橋面整體受力與變形，將鋼縱梁分為若干聯(lián)，聯(lián)與聯(lián)之間設(shè)置特殊鉸接裝置,如圖5所示。該構(gòu)造裝置既將橋面系連為整體，又能在受力不均的情況下適應(yīng)橋面變形[7-8]。分聯(lián)處縱梁端部兩側(cè)各自不對(duì)稱焊接16 mm、24 mm、8 mm、16 mm鋼板，鋼板上開設(shè)直徑為36 mm的銷孔，安裝就位后采用直徑為32 mm銷棒連接固定。

(a)橋面系鉸接裝置剖視圖

考慮橋面系長期臨近湖面水體，鋼構(gòu)件涂裝體系按環(huán)境C5-M選用，其中外涂裝采用熱噴鋁+環(huán)氧封閉漆+環(huán)氧云鐵漆+聚硅氧烷面漆，總涂層厚度為370 μm，內(nèi)涂裝為環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵漆+環(huán)氧(厚漿)漆，總涂層厚度為260 μm。鉸接用連接螺栓表面進(jìn)行鋅鎳滲層，滲層厚度≥80 μm，中性鹽霧試驗(yàn)普通鋼筋防腐≥3 000 h，增加構(gòu)件防腐性能。

3.2 浮橋與岸側(cè)過渡聯(lián)系梁設(shè)計(jì)

水域中浮橋?yàn)槿嵝詷?gòu)件，將隨水位的變化、人群荷載的作用而變位，而岸側(cè)基礎(chǔ)為剛性結(jié)構(gòu)。為保證岸側(cè)與浮橋的有效貫通，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩者間的有效過渡，需設(shè)置聯(lián)系梁構(gòu)件使其連接以供通行。目前應(yīng)用較多的是在岸側(cè)設(shè)置成品斜坡鋼梯連接水域浮橋和陸域岸側(cè)，該做法具有較好的通行性，但水位變化適應(yīng)性及景觀融入性較差[9]。

(a)過渡聯(lián)系梁整體布置

4 定位樁設(shè)計(jì)

浮橋豎向支撐采用浮箱結(jié)構(gòu)，為增強(qiáng)主橋結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性和限制浮橋橫向變形，縱橋向約40 m設(shè)置一組鋼筋混凝土預(yù)制定位方樁，其尺寸為500 mm×500 mm。工廠預(yù)制完成后，現(xiàn)場利用打樁船依序定位實(shí)施。定位樁上設(shè)置鋼套箍，并與鋼橫梁懸臂部分焊為一體，鋼套箍與定位樁間各側(cè)留80 mm間隙，適應(yīng)在風(fēng)、波浪力等作用下的橫向變位。定位樁構(gòu)造設(shè)計(jì)如圖7所示。

(a)橫斷面布置

5 浮橋施工方案

為減少施工對(duì)現(xiàn)場水質(zhì)環(huán)境的污染，浮橋結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件采用工廠預(yù)制，主要施工流程如下：1)混凝土定位樁工廠預(yù)制后運(yùn)至橋位處，利用打樁船依序定位施工；2)工廠完成浮箱箱體、橋面系縱橫梁加工，運(yùn)至現(xiàn)場后分聯(lián)將縱橫梁與浮箱連為一體，利用浮箱自身浮力，將一聯(lián)結(jié)構(gòu)運(yùn)至橋位處定位架設(shè)；3)現(xiàn)場在浮箱結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)橋面FRP人行道板及欄桿等附屬構(gòu)件。該方法極大地提高了施工效率，降低了現(xiàn)場施工污染，減少了大型吊裝及運(yùn)輸機(jī)械的投入。

6 浮橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

6.1 整體計(jì)算

利用有限元軟件Midas Civil 2015對(duì)浮橋鋼縱橫梁結(jié)構(gòu)建立空間梁單元模型，定位樁作為橫向約束，浮箱作為豎向彈性支撐，縱梁分聯(lián)處鉸接連接[10-11]。計(jì)算荷載含橋面恒載、人群荷載、整體升降溫、波浪力、風(fēng)荷載；其中人群荷載取4 kN/m2，整體升降溫為25 ℃，波浪力為2 kN/m2，風(fēng)荷載為0.38 kN/m2。

計(jì)算結(jié)果如下：1)鋼主梁承載能力組合下，鋼梁最大應(yīng)力為δ=209.5 MPa<[δ]=275 MPa；2)人群荷載作用下浮橋縱橫梁最大位移為500 mm，成橋狀態(tài)時(shí)浮箱頂距水面600 mm；3)浮橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移滿足規(guī)范及使用要求[12-13]；4)通過結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，第1階豎向自振頻率為1.01 Hz，未在人行荷載激勵(lì)下固有頻率的臨界范圍1.25 Hz≤Fi≤2.3 Hz內(nèi)，不會(huì)發(fā)生使人產(chǎn)生不舒適的豎向振動(dòng)現(xiàn)象[14-15]，經(jīng)過1年多的開放通行，人行舒適度良好。

6.2 浮箱計(jì)算

浮箱為FRP材料，具有強(qiáng)度高、彈性模量及層間剪切強(qiáng)度低的特性，采用有限元軟件ANSYS 12.0對(duì)FRP浮箱進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算荷載工況包括成橋狀態(tài)和最不利人群荷載作用下2種，并對(duì)浮箱的強(qiáng)度、變形等指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算，浮箱采用shell63單元模擬，限于篇幅，僅列出最不利人群荷載作用下的計(jì)算結(jié)果，如圖8所示。

(a)約束及荷載(最不利人群荷載作用下)

計(jì)算結(jié)果如下：

1)成橋時(shí)，最大位移為1.248 mm，相對(duì)變形量為1.248/2 400=0.05%<0.5%；最大應(yīng)力為3.92 MPa；強(qiáng)度安全系數(shù)為100/3.92=25.51>10；穩(wěn)定性安全系數(shù)為12.6>2.5。以上各參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

2)最不利人群荷載作用下，最大豎向位移為6.288 mm，相對(duì)變形量為6.288/2 400=0.262%<0.5%；最大應(yīng)力為9.953 MPa；強(qiáng)度安全系數(shù)為100/9.953=10.05>10；穩(wěn)定性安全系數(shù)為5.02>2.5。以上各參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)束語

1)在既有內(nèi)湖景區(qū)內(nèi)，水位變化不明顯，實(shí)施人行通道建設(shè)時(shí)，為避免對(duì)湖內(nèi)水質(zhì)環(huán)境造成污染，橋梁所有構(gòu)件采用預(yù)制建造非常必要，且施工效率高、污染小。

2)本橋首次提出采用的FRP浮箱質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在成橋狀態(tài)和最不利人群荷載作用下，其最大應(yīng)力和相對(duì)變形、強(qiáng)度安全系數(shù)和穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3)浮橋橋面系采用縱橫梁體系，整體剛度大，人行舒適性好。

4)定位樁采用預(yù)制混凝土方樁，工廠預(yù)制，現(xiàn)場打樁船實(shí)施，無施工污染產(chǎn)生。

5)該浮橋組合體系的應(yīng)用，具有較好推廣優(yōu)勢。