城市復雜地形條件下步行廊橋的方案比選研究

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(1.浙江省交通運輸科學研究院，浙江 杭州 311305；2.廣東中譽設計院有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518034；3.長沙學院 土木工程學院，湖南 長沙 410022;4.南寧交通投資集團有限責任公司，廣西 南寧 530022；5.湖南工學院，湖南 衡陽 421002)

1 概述

本項目位于皇崗口岸南一路高架橋與福田保稅區(qū)一號通道之間的間隙處，處于皇崗口岸與福田口岸之間[1，2]。本項目新建人行連廊起于皇崗口岸車港城2樓，與皇崗口岸南一路高架橋平行設置，以扶手電梯和梯道的形式接現(xiàn)狀綠地，并將該綠地改造為人流緩沖區(qū)，人行連廊終于該緩沖區(qū)。本廊橋工程包括漁農村裕亨花園至車港城高架橋入口處廊橋以及與現(xiàn)狀外部市政的銜接的人行道工程(第1聯(lián))、與車港城二層連接段(第2聯(lián))。第1聯(lián)廊橋寬度定為4.5 m，第2聯(lián)與車港城拼寬4.5 m，鋼箱梁主梁高1.3 m，橋下凈高5.5 m。同時設有1座梯道，2座扶梯，1座垂直電梯，并在天橋上設置雨棚。步行廊橋方案效果圖如圖1所示。文獻[3，4]也對人行天橋的設計做了相關描述，同時也有部分學者介紹了新材料[5，6]在人行天橋中的應用情況，本文則是根據(jù)復雜的地形條件來進行城市步行廊橋的方案比選研究。

圖1 步行廊橋方案效果圖

2 橋梁設計控制條件

新建步行廊橋處在皇崗口岸南一路高架橋與福田區(qū)一號通道之間的間隙處(見圖2)，步行廊橋的線形已無調整的空間。因此步行廊橋的走向基本確定，宜根據(jù)現(xiàn)場的約束控制條件來調整步行廊橋的跨徑組成，尤其是與皇崗口岸車港城2樓銜接處環(huán)境制約因素多。

2.1 現(xiàn)狀道路

擬建廊橋橋址處地面以上有車港城出入口高架橋，至香港的南一路高架橋；地面有由香港至福田保稅區(qū)一號通道，規(guī)劃的漁農村二通道，規(guī)劃的消防通道以及外交貴賓通道。

擬建廊橋基本上是東西走向，北鄰車港城高架橋，南鄰至香港的高架橋。位于兩高架橋之間的間隙處。因由香港至福田保稅區(qū)一號通道車流量較大，且不可中斷，故主跨徑選擇32 m直接跨越。其他橋墩位置盡量避開現(xiàn)狀道路，橋墩周邊需新建防撞墻。

2.2 現(xiàn)狀建筑

本項目主要服務于皇崗口岸和福田口岸，皇崗口岸位于廣東省深圳市福田區(qū)，與香港新界落馬洲口岸相對，是深圳與香港之間的5個一線口岸之一，皇崗口岸是目前中國規(guī)模最大的客貨綜合性公路口岸；福田口岸位于中國廣東省深圳市福田區(qū)皇崗，是一個連接香港與中國深圳邊境的陸路口岸，和深圳地鐵龍華線福田口岸站位于同一座大樓中。在香港方面對應的口岸是位于港鐵東路線落馬洲站內的落馬洲支線管制站，一條雙層的空調人行天橋負責跨越深圳河連接兩個口岸。

福田口岸位于皇崗口岸附近，面朝裕亨花園，東臨港城華庭小區(qū)，與地鐵4號線終點站位于同一座大樓中，軌道接駁；皇崗口岸周邊道路交通較為方便、公交接駁完善，口岸周邊有多個大型公交停車場；皇崗口岸與福田口岸隔區(qū)相望。

擬建步行廊橋橋址現(xiàn)狀建筑如圖2所示，圖中皇崗口岸車港城一層和至香港的南一路高架橋橋下均有海關管理用房，房屋中間是VIP貴賓過關通道。此處為廊橋第1聯(lián)和第2聯(lián)的結合處，分聯(lián)墩的布設受到車港城、高架橋、海關管理用房和VIP貴賓通道的制約。

2.3 現(xiàn)狀管線

擬建步行廊橋橋址處地下管線密集，主跨32 m東側橋墩處有電力管380VΦ8 mm架空塑膠管、地上監(jiān)控，電力等管道線路。在橋梁初步跨徑布設的位置中，需要臨時或永久遷改的管線情況見表1。

表1 管線沖突位置表位置沖突的管線名稱及規(guī)格管線點號埋深/m數(shù)量/m處理方法電力管380VΦ8mm架空塑膠管L4～L5架空15 73臨改/恢復Z3橋墩電力管380VΦ60mm埋地鐵管LD19～LD200 4156 51臨改/恢復電信管200×100mm管塊D26～D270 42121 98臨改/恢復電信管Φ60mm埋地鐵管D25～D28047 70臨改/恢復Z6橋墩電信管300×200mm塑膠管D1～D30 8017 67永久改移電信管800×600mm塑膠管D4～D51 4023 15臨改/恢復Z7橋墩雨水管Φ200mm塑膠管Y2～Y30 8322 43臨改/恢復Z8橋墩污水管Φ400mm塑膠管W6～W70 8710 62永久改移Z9橋墩污水管Φ400mm塑膠管W1～W22 086 39永久改移

2.4 協(xié)調單位多

擬建步行廊橋處，涉及的需要協(xié)調的單位有車港城、海關、邊檢、質檢、公安等等。尤以海關的制約因素最多，如廊橋的施工不能影響其管理用房、車輛檢測用房的使用，不能影響VIP通道的暢通等等。橋墩位置不能影響監(jiān)控錄像的工作。協(xié)調單位中任何一方的意見都制約著本項目的實施。另外，此處的行政劃分歸中央直屬，相關手續(xù)的申辦需溝通協(xié)調的時間也比較多。

3 橋型設計方案比選

福田、皇崗兩口岸片區(qū)步行廊橋通道連接方案橋梁主梁采用連續(xù)鋼箱梁結構，梁寬4.5 m，人行步道凈寬4.0 m。西側設置1∶4 梯道及2部扶梯和1部垂直電梯，梯道全寬3.8 m，凈寬3.3 m，梯道采用連續(xù)鋼板梁；東側接順皇崗口岸車港城2 樓平臺，并相應拓寬。橋梁梯道及主梁上均設置雨篷，雨篷形式采用蜂窩鋁板。下部結構主墩采用樁接承臺，梯道墩采用樁接柱結構形式。主橋橋梁面積693 m2，梯道面積318.1 m2。

根據(jù)口岸的出行量，結合周邊小區(qū)居民過街及過境要求，預測廊橋2020年高峰小時交通量為5 120人次/h。方案設計階段，主橋長154 m，跨徑布置為3×24 m+(32+25+25)m。在施工圖設計階段，考慮到項目上下部所受制約因素較多，除主跨32 m不變外，其他跨徑需要根據(jù)現(xiàn)場實際加以調整，尤其是與車港城2層接順段的第2聯(lián)。本文就第2聯(lián)的連接形式提出了6個設計方案，以征求各協(xié)調單位的意見，方案比選情況如表2所示。

表2 步行廊橋方案比選表比選內容方案1方案2方案3方案4方案5方案6(推薦)結構型式獨立式門架單獨受力，不影響鄰近高架橋受力 增大懸挑梁截面，并在增大截面范圍內張拉負彎矩鋼束，擬建鋼箱梁搭在懸挑梁上 充分利用建筑原有的嵌巖樁基礎，外擴立柱支撐鋼梁，不與原建筑懸挑梁發(fā)生關系，受力明確 不影響原建筑結構，通過壓縮建筑內車道來擴建人行道不影響原建筑結構，通過新建二層入口橋來保證原車道數(shù)不影響原建筑結構，通過拼寬擴建人行道 工藝要求新增門架，占用地面面積較多，施工受場地限制難度大新增負彎矩鋼束波紋管Φ80mm，很容易干擾到建筑主次梁的鋼絞線和鋼筋，對原建筑結構產生不利影響，施工難度大需要在原有砼立柱和承臺上植筋，工藝成熟。消防和監(jiān)控管線有10處需要遷改 工藝簡單，所需設備少，占用施工場地少 工藝簡單，需要新建57 8m2橋梁 工藝簡單，所需設備少，占用施工場地少 工期施工周期較長施工周期較長施工周期較方案1短施工周期短施工周期短施工周期較短 對車港城結構安全的影響無影響很大影響很小無無無使用性能線路順暢線路順暢線路順暢壓縮二層一車道 保留原有車道數(shù) 線路順暢造價高高高低較低較低與相關部門的協(xié)調難度大大大小小小外觀門架柱會壓縮橋下通道，還需遷移高架橋下方的工作房對建筑外觀影響較小會壓縮橋下凈空，但原本橋下凈空為7 5m，富余較多。室內部分管線需要挪動位置 需拆除部分原有高架橋護欄，壓縮車行道 需拆除部分原有高架橋護欄及二層管理用房會壓縮橋下凈空，需拆除部分原有高架橋護欄

3.1 方案1

在原有高架橋中間建立獨立式門架，預制鋼箱梁(高1.3 m，寬2.3 m)置于門架上。門架柱為0.6 m矩形截面，門架梁寬1.0 m，高1.0 m。門架凈寬3.4 m，內設行車道3.0 m。

優(yōu)點：新建人行天橋獨立受力，不影響兩邊高架橋；線路比較順暢。

缺點：外觀整體性較差，需要遷移高架橋下面的海關工作房，工程量較大，門架占地面積較大，且影響地面交通。

3.2 方案2

采用增大截面法，將車港城建筑懸挑梁底寬從1.2 m增大至3.6 m，并在增大截面范圍內張拉負彎矩鋼束，擬建2.3 m人行鋼箱梁搭在懸挑梁上。

優(yōu)點：對建筑外觀影響較小。

缺點：建筑原縱橫梁為預應力大梁，新增負彎矩鋼束波紋管Φ 80 mm，很容易干擾到建筑主次梁的鋼絞線和鋼筋，對原建筑結構產生不利影響，施工難度大。

3.3 方案3

在原有車港城建筑的混凝土柱上植筋，兩側分別外擴0.4 m×0.6 m砼立柱，立柱上搭設1.2 m(高)×0.4 m(寬)鋼梁，鋼梁上托1.3 m(高)×2.3 m(寬)人行鋼箱梁。原樁基為C30砼人工挖孔嵌巖樁，獨樁接承臺，樁徑1.6 m，C20砼護壁厚0.15 m，樁端入微風化巖層不小于0.5 m。

缺點：會壓縮橋下凈空，但原本橋下凈空為7.5 m，富余較多。

3.4 方案4

原有人行道寬2.2 m，向室內拓寬2.3 m，占用室內1個車道。新建人行天橋與車港城室內人行道形成折線型人行道。

優(yōu)點：占地面積小，不影響地面交通。

缺點：需拆除左邊高架橋護欄，占用原有的室內行車道路，線路不順暢。

3.5 方案5

拆除原有車港城二樓的車輛管理收費用房，新建約57.8 m2的橋梁接順管理用房所在車道，同時新增橋梁面積也填補了現(xiàn)狀車港城和高架橋之間的空白部分。

優(yōu)點：占地面積小，不影響地面交通。

缺點：需拆除左邊高架橋護欄，占用原有的室內行車道路，線路不順暢。

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3.6 方案6

在現(xiàn)狀車港城建筑的立柱70 cm外新建L型橋墩，墩柱截面1.2 m×1.2 m。L型橋墩懸挑部位支撐2.3 m寬鋼箱梁，與車港城建筑懸挑梁拼寬形成4.5 m寬的橋面。

優(yōu)點：施工占地面積小，線路順暢，對現(xiàn)狀車港城建筑無影響。

缺點：會壓縮橋下凈空。

通過上述6種方案的比選，綜合各協(xié)調單位的意見和建議，最終一致推選方案6作為本項目的實施方案。將步行廊橋的設計和施工工作對現(xiàn)狀各單位工作的影響降低到最小。施工圖設計階段，步行廊橋主橋第1聯(lián)為1.5 m+(25+25+32+19+16+16+13.5)m 7跨連續(xù)直腹板鋼箱梁；車港城接順段為8.06 m和21.575 m簡支直腹板鋼箱梁，曲線半徑150 m；1∶4梯道為(7.6+8.8+8.3) m 3跨鋼箱梁。步行廊橋典型斷面圖如圖3所示。

a)車港城接順段斷面圖b)分聯(lián)墩處斷面圖c)標準斷面圖

4 結構計算

步行廊橋橋面總寬4.5 m，兩側欄桿及雨棚立柱均寬0.25 m，橋面凈寬4.0 m。鋼箱梁頂?shù)装搴透拱搴穸?6 mm，采用Q235-C級鋼。

采用MIDAS/Civil有限元軟件建立步行廊橋的有限元分析模型。其中鋼箱梁采用箱型截面梁單元模擬，支座采用一般支承模擬，墩底固結。第1聯(lián)主橋的有限元模型如圖4所示。

圖4 第1聯(lián)主梁結構離散圖

4.1 支反力及支座選型

在最不利作用效應組合下，單個支座最小支反力出現(xiàn)在6號墩圓弧內側處，為51 kN，單個支座最大支反力出現(xiàn)在3號墩圓弧外側處，為1 368.3 kN，沒出現(xiàn)負反力。

1號墩頂最大縱向位移是30 mm，整體升溫位移是21 mm，升溫溫度梯度位移是8 mm，故中墩支座選用GYZ 450×99，支座厚度99 mm，允許最大位移33 mm，承載力1 521 kN；邊墩支座選用GYZF4 400×101，支座厚度101 mm，允許最大位移33 mm，承載力1 195 kN。

4.2 鋼箱梁計算

最不利作用效應組合下最大拉應力為76.4 MPa，最大壓應力為70.7 MPa，最大剪應力為25.8 MPa。自重和人群荷載產生的最大撓度28.7 mm，設置預拱度20 mm。

根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》(GB 50017-2003)第4.3.1和4.3.2條:

按構造配置橫向加勁肋即可，可不作腹板穩(wěn)定性的計算。

4.3 橋面板計算

橋面板最大拉應力為94.8 MPa，最大壓應力為84.5 MPa，均小于135 MPa，應力均滿足要求。

4.4 其他

通過計算，步行廊橋豎向一階自振頻率為4.022 Hz，>3 Hz，橫向一階自振頻率為1.492 Hz，>1.2 Hz，縱向一階自振頻率為0.514 Hz，<1.25 Hz，滿足規(guī)范[7]要求。

5 結語

福田、皇崗兩口岸片區(qū)步行廊橋通道連接工程所新建的步行廊橋，從2000年便開始了方案的論證。隨著深港經(jīng)濟一體化進程加快，香港與內地的交流不斷密切和內地人員赴港個人游及“一簽多行”政策的推行，由此帶來的通關需求還將迅猛增長。因此本項目建設勢在必行。步行廊橋于2014年完成方案設計，于2015年3月完成施工圖設計，目前正在施工建設中。本項目的實施可為其他處于復雜地形條件下的城市橋梁方案比選提供寶貴經(jīng)驗。

[1] 湘潭市規(guī)劃建筑設計院深圳分院.福田、皇崗兩口岸片區(qū)步行廊橋通道連接工程方案設計[Z].2014.

[2] 廣東中譽設計院有限公司.福田、皇崗兩口岸片區(qū)步行廊橋通道連接工程施工圖設計[Z].2015.

[3] 馮樹民，裴玉龍.人行天橋與人行地道的比選設置[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2007，39(8)：1289-1291.

[4] 王士剛，李永樂.德國萊茵河畔威爾與法國惠寧恩之間的人行天橋設計[J].世界橋梁,2012，40(6)：15-18.

[5] 單波，周泉，肖巖.現(xiàn)代竹結構技術在人行天橋中的研究與應用[J].湖南大學學報(自然科學版)，2009，36(10)：29-34.

[6] 程曉東.新型鋁合金結構在城市人行天橋中的應用[J].橋梁建設，2007，37(6)：38-41.

[7] CJJ 69-95，城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范[S].