德国莱茵河魏尔和法国许林根之间的三国桥

2012-12-04 00:00

                        德国莱茵河魏尔和法国许林根之间的三国桥           

                                        王 伯 惠 

文本摘要:20073月,德国西南部三角边界区跨越莱茵河的一座新人行桥通车了,这座细长拱桥跨径230m,在瑞士边境附近连接德国和法国,这个结构获得2009年国际桥梁和结构工程协会的杰出结构奖。
关 键 词:三国桥 非对称 细长人行拱桥主跨230m
 
  
  2001年,莱茵河魏尔市和特鲁耶边界市镇共同体宣布了关于德国和法国之间跨越莱茵河的一座通自行车的人行桥的竞标。桥位于巴塞尔附近,在德国、法国、瑞士三国的三角地带,德法审查委员会的基本要求是功能/安全,船撞,建筑学品质/创新,造价,可建性和高效使用性。胜利的团队获得了这个项目。
  桥梁设计的基本要求是通航净空7.80×155m,为避免船撞危险,选择了在莱茵河中不设桥墩的拱桥。
  设计的另一基本构思是荷浦斯特贝/法国耶鲁轴线和从魏尔到许林根塔的视线方向错位。为了这两个景观视线的关联,桥设计成非对称的。
  
为便于包括残疾人在内的人群过桥,引道采用了4%的最大斜坡。由于这个斜坡和7.80×155m的通航净空,本桥总长248m,主跨229.40m。  
                                                                    
             图1  正面和平面
 
    为了获得优雅的外观,拱身高度尽量减低,在跨中的建筑高度:拱圈距桥台为23m,拱圈距桥面为14.90。建造这样细长的拱圈只能用钢材。
    在堤岸连续区用轻型建筑。桥墩和桥台没入水中。拱脚推力在桥台处必须转向,因此须设置约束杆件。
 
  
 
                                                 图2  拱桥体系
 
      由于有约束杆,桥梁体系是一个系杆拱和一个具有约束杆的真拱的结合。
护栏之间的最小宽度大于5m,有足够的空间供人行和自行车过桥。由于通风和牵连到视野,桥的横断面是非对称的。北拱圈建成垂直的,具有两个六边形钢箱断面。南拱圈建成倾斜的,具有空心圆断面。北侧是“强侧”,南侧是“弱侧”,向北拱倾斜。北侧承担两倍于南侧的荷载。
                                  
                                                                              图3  横断面
 
    结构分析
    结构分析时整个体系当做一个梁结构模型,桥面为有限单元模型。主要的挑战是水平力和恒载作用下体系的细长度/柔软度和非对称性问题。
有关的设计荷载是恒载、风载和活载。对这样一个人行长拱桥确定逼真的活载是困难的。三国桥是按德国规范DIN-Fachberich 101半跨满体活载设计。
 
                                              
                                          
                                         图4 活载及引起的挠度
 
满佈活载时挠度为1275mm。由于挠度很大,体系为几何非线性的,必须按二阶理论分析,荷载工况不能叠加而必须分析共同荷载。
风载按E-DIN(欧洲规范)1055-4:8/2002计算。有了确切的计算,风洞试验得能证实,确切的计算对尽力减低这个柔性建筑的水平力是至关重要的。
 
用倾斜的封闭索吊杆连接正交异性桥面主梁于拱圈。为避免吊杆压曲,采用了螺旋钢绞线。拱梁之间的连接采用开口的型钢配件。在梁上连接点处,用开口的套接端以调整拉索的长度。
 
                
                             图5 吊桥(单位:mm) 
 
连结和支承
梁段连结考虑耐久性和美观。经过细心的设计,拱身接头采用铸钢节点板而避免采用一般节点板,其厚度随受力而变。在梁段和铸钢节点板之间的焊接范围在高受力区之外。
由于体系非对称和风载,在支承处的水平力很高,钢结构的垂直支承力相对较低,因此,其合力不作用于支承中心,不能采用标准型式的水平支座。
在许林根侧,拱脚不允水平移动。为使力作用于桥台,必须南面设3个球面支承,北面2个。所有球面支承都是倾斜的。所有支承具有帽罩的形式,都在同一个球面上,这个球面的中心就是拱的基底,因此能够转动而不会有约束力
         
          
 图6 许林根侧:不能纵向位移的支座
 
在莱茵河魏尔侧,拱脚容许水平位移,但对横向力固定。最大水平位移约500mm。能够掌控这个荷载和位移转换的结构是一个摆柱式“拉杆”装置。摆柱固定在桥台上,水平力可通过一对力来转换。
 
                
                   
                                      7 莱茵魏尔侧:容许水平位移支座

 

约束杆基础

拱脚推力在桥台处用约束杆转向。拉杆为几片钢板,用螺栓固定在主梁末端和桥台上。 
 
 
 
                                                         图8  约束杆(单位mm)
 
由于采用了约束杆,拱的两侧皆须有永久性的土壤锚定。基础土壤为沙卵石,深层为泥岩。在沙卵石层设置了一个筏形基础,水平力荷载转换时启动了卵石层的抗剪力以避免基础的转动。
 
厂内组装
通常在厂内组装构件时都是按正起拱度(负挠度)装配。三国桥的体系是几何非线性的,因此,起拱度是一个复杂的空间形式,不能直接由挠度决定。计算起拱度时采用了迭算法,考虑结构的几何非线性行为(二阶理论)。
由于桥体横断面的非对称性,在恒载作用下会有水平位移,因此,桥体按水平和垂直起拱度组装。此外,安装过程临时索的影响应予考虑,所有这些影响导致一个复合的起拱度。在工厂组装时,各节段须按倾斜位置支立,以得到在恒载作用下形成一个垂直北向拱桥的永久位置。
  
 
匝道和楼梯使从两侧能进入主桥。匝道和楼梯由柔性钢箱建成,最大建筑高度400mm。钢箱由直径180mm钢管支承。
对于残疾人在内的人群,法国侧的匝道太陡,因而建了一个电梯。
莱茵河魏尔的匝道用牛腿栓钉与主桥连接。该侧主梁端有主桥的纵向自由位移,因此牛腿栓钉有一个滑动面。由于建筑高度很低,牛腿栓钉上的承座分为水平和垂直两种。匝道和主桥之间的伸缩缝由滑动钢板制成。
 
                
 
                                                     图9  匝道,莱茵魏尔侧
 
 
 栏杆带钢索,和主桥一样。在扶手上设置了照明。此外在匝道和主桥上使用同样的环氧涂层,涂层颜色采用轻灰色,DB701。
 
施工阶段
桥体在距架设现场500m的一个预施工场进行预组装。当钢结构焊接完成后,整个结构用重型运输工具在驳船上浮运就位。浮运过程,莱茵河封闭通航仅一天。桥体是用缆索卷扬机从预制场进入现场的。
 
            
 
                                                           图10  预组装
振动测试
桥梁在开放通行之前作了振动测试以验证动力计算及其动力性能。约有1000人从两侧乡镇步行通过该桥,作了不同人数不同速度的测试。
桥的测试结果和动力分析的差异在第三振型时测到。三国桥的阻尼很低(1%),但在一个钢建筑的通常范围之内。能激发的自然频率为1.0HZ,激起的桥面位移有水平和垂直分量,但临界横向位移只在500人以上以最少5.8m/h速度过桥时才会激起,这种情况发生的机率极低。因此两侧议会决定不设阻尼器。
 
小 结
以一个单一、非对称的拱桥跨越莱茵河的初始想法的实施是成功的。桥的形状简单,但富有表现力(expressive)和严格顺应最佳的力流线。消除了船撞危险。跨经230m的非对称拱具有期望的独创性,满足业主的要求。仅管很大的技术挑战,复杂的细节都做了仔细的设计。
              
 
                                                          图11   三国桥夜景
 
数据汇总(业主、设计、校核、施工单位等名称略)
总长: 248m
跨径: 229.40m
桥面积: 1500㎡(6.048m宽)
总重: 1020t
总造价:(欧元.百万) 9
投资: 法国50%,德国50%,并有欧盟资助
施工: 2004年2月至2007年3月
通行日期: 2007年3月
 
译者后记
《桥梁》杂志2010年6期曾在记者访问两位国际桥协副主席项海帆、葛耀君的文章“解码国际桥协之评奖标准”一文中提到:“2009年,莱茵河上一座人行桥—三国桥(Tri-countries Bridge)击败了众多强劲的竞争对手,获得了桥协的杰出结构奖”,“最吸引评委的是其结构的合理性,……合理到难以进行优化的程度,而且造价低廉,……一平方米桥面只有1050欧元,只相当于欧洲同类桥梁造价的三分之一”,接着还较详细的介绍了其三方面的合理性。笔者在去年拙文“桥梁美观和结构创新”文中已初步转介了这座“结构、美观、经济”三赢的杰出桥梁的简况。当今中国桥梁正流行着一些远离结构原则、造型奇特怪异、用以吸引人们眼球、赚取纳税人大量钱财的所谓“美观”“创新”桥梁之际,介绍一些国内外杰出优美的桥梁建筑和设计,应当是有益的,因此特函请项、葛副主席将该桥有关资料寄赐,经译出以飨读者,使大家能够更细致的了解其诸多具体细节,以供学习和借鉴。
 
责任编辑:王
 
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本文来自:中国桥梁网(http://www.cnbridge.cn),原文标题:德国莱茵河魏尔和法国许林根之间的三国桥_专家专栏_中国桥梁网,原文网址:http://www.cnbridge.cn/2012/1015/65272.html
[此文章谨为交通桥梁专业的广大读者而提供,如能为您的学术起到参考作用深感幸甚!]2012年12月3日;星期一晚间20:00时,王迎春工作于图书馆二校区504室工具书阅览室内

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