[分享]好美!记特雷瓦雷瓦大桥--桥梁结构元素溶入情境背景

发表于2017-03-29     1719人浏览     1人跟帖     总热度:347  

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此大桥于2010年6月5日通车。过去的一年,此大桥获得了两项国际性大奖,并且成为其所在地区一个有潜力的标志性建筑。本篇分析研究桥梁设计者的思维过程,以此为例来论证如何把桥梁结构元素应用到其情境背景中,也为了说明此大桥对当地社区的深刻意义,而不仅仅是一座纯功能性的桥梁。
 
简介

桥梁要赋予其情境背景庄重感,首先,它们的设计必须要优雅庄重。
 
对设计师而言,对于手头上的项目必须要先制定一个设计构思。桥梁设计创作过程可以分为三步:第一步通过制作草图,把设计师的想法写在纸上,第二步是把这些草图转换成施工图纸,第三步是从施工蓝图变成一座完整桥梁。这是第一个提升,这也将是本篇的重点。

第一个提升期间,工程师必须对他心目中的桥梁持有多元化的视野。这些被描述为:项目的四个观点:持续考虑结构形式问题,数学分析,施工方法,结构和现场的关系。在特雷瓦雷瓦大桥设计构思中,这四个观点被重新命名和重新排序,它们是结构形式、构造方法、情境设置和分析建模。这些既不具备连续性,也不具备同时性,是每个观点的一系列重新评估,直到最终的设计理念出炉。
 
在结构视觉形态阶段,设计师选择一个桥梁传统配置,来适应跨度和桥面的对齐调整。特雷瓦雷瓦大桥项目现场需要一个70米的净跨和一个高于正常水位,最小值为4.5米高的腹拱,还需要一个单贯穿拱。从统计学来说,这可以使桥的用钢量降到最低和控制好这个跨度内桥的成本。而采购合同需要一个非常温和适中的预算。这两个矛盾的要求,对设计理念有着重大影响。
 
施工方法转化成结构形式的细化,并加以考虑桥址条件,承包商经验,偏好,资源和设施。离桥址1.5公里,在一处石油和天然气的钢结构制造车间里,挑选出一个系杆拱结构,然后在车间制造上部结构,再运到现场。岩土工程勘察发现底层火山岩遗址,具有良好的地面承载特性,但钻孔桩却是非常困难,所以选择了重力式混凝土桥台桩。
 
情景设置确认桥梁是环境的一部分,必须给其背景增加庄重感。它反映了业主和设计师努力创造的成果。此阶段在前两个阶段基础上微调和增添了一些特殊的元素,而这些就是桥梁的特征,表达了桥梁的深层含义。特雷瓦雷瓦现场显然是一座标志性桥梁。“图标”这个单词,其真正含义代表了一种象征,吸引崇拜者进入更深的现实。通过此大桥,人们可以进入本地土著TeAtiAwa iwi Ngati和Tawhirikurahapu部落的神圣土地,在这里,他们的后裔被杀害并且埋葬于此。1820年到1830年,1860年到1863年之间,这里曾经发生过两次战争,后来被政府强制没收,进行管理。20世纪,这里作为一个步枪靶场,不对公众开放,直到当地种族与政府关系缓解,才由部落和新普利茅斯议会共同管理。可以说是这个国家最伟大的文学天才JamesK.Baxter詹姆斯·K·巴克斯特的诗歌,赋予了桥梁设计的灵感启示。作为诗人和语境研究家,巴克斯特提出尽力捕捉风的本质的思想,用变化的思想作为精神或逝者灵魂的隐喻。这引发了一系列弯曲的架子或拱肋设计,呈不对称形状,连接着桥面和拱,拱被对齐调整,斜穿过桥面,形成了一个入口,象征着观察家即将进入或离开圣地。
 
第四个是一系列的分析建模,用来帮助理解复杂的,独特的桥梁结构行为。它验证了之前的三个步骤,并且确认了结构上的有效性,明确加载路径,实现了桥梁的功能性。
 
项目背景

必须充分了解项目的历史,才能完全的理解其背景。2007年10月,新普列茅斯议会要求设计构建企业提交关于横跨怀华凯欧河桥梁总价合同的意向登记表。此桥梁将延伸现有的很受大众欢迎的沿海走廊,并且把行人和自行车车流从位于新普列茅斯与贝尔街区郊区间的拥挤的公共道路中分流出去(见下图)。

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有三家企业参与招标。主要的两个加权属性是价格和设计,其中每个比重约30%,其它如追踪记录,相关经验,技术技能,资源,管理技巧和施工方法每个约占5%到9%之间。
招标要求此标志性桥梁美观实用兼备。此大桥意在激发公众的热情,并且对安葬于此的部落后裔致以敬意。此大桥与山水,以及社会和古遗址文化遗产融为一体。

大桥项目现场坐落于河流上游300m处,桥梁本身宽度为3米,栏杆高1.2m。一个70m清晰的跨横穿河流,航道中既没有永久性的桥墩,也没有临时性的桥墩,航道正常流动时,能延伸大约50m的宽度。桥拱腹位于正常水位上方4或5米(最小值),这意味着其周围泛滥平原约2米。此大桥设计符合纽西兰桥梁手册中负荷和规范相关规定,在紧急情况下,它必须能让3.5吨的救护车顺利通行于新普利茅斯和贝尔街区之间。

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2007年十月份至2008年一月中旬,此大桥的初步设计确立下来,作为一个完整的项目定价。合同定下来后,最终决定桥面要对准塔拉纳基山顶峰,此山高2518米,主导着整个塔拉纳基地形(参看下图)。

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设计理念发展

设计师需要牢记那四个观点。尽管这四个被细分用于解释用途,实际上它们之间还是有重叠的部分,特别是施工方法和语境背景设置中都有涉及到结构形式。
此大桥形式是高度不对称,相当独特的。为了使得招标的价格比较有竞争力,设计时,对大桥进行了解构,直到它在设计初始阶段,变成了一系列简单的分析模型和构件。
这种分析模型就是上面所说的第四个观点。项目团队决定在车间制作钢管结构,然后作为一个大组件运到现场(参见下图)。这样降低了成本,确保了最高标准的制造质量,并且将不需要现场焊接。所有防护涂层工作将在严格管控的条件下完成。现场唯一的螺栓连接在栏杆处,将在上部结构和预制混凝土面板到位后安装。
对于设计理念,最重要的还是结构形式和语境情景设置。这两个其实有交叉重叠的部分,可以考虑成一个整体概念。结构形式可以考虑为工程师的视角,语境情景可以考虑为艺术家的视角。

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观点1--结构形式

鉴于70米的净跨需求,我们选择了一个拱形,根据统计信息,钢的预估总量大约在每平方米0.35吨。桁架结构同样也需要相同数量的钢。设计初期,最初,我们认为桁架相对于拱而言,有着现场组装的优势,在我们决定通过车间制造和运输上层结构到现场来节约成本后,桁架这些优势也就不复存在。桁架,就其本质而言,总有些边边角角,当行人近距离缓慢欣赏,触摸桥体时,会给其带来困惑忧惧不安的感觉。鉴于此项目地址的暴力历史,行人通过桥梁时,更愿意选择一种和解和谐的氛围。

70米净跨的斜拉桥配置将导致预计钢重量为每平方米0.45吨。可能增加的重量和造价成为排除此选项的第一个原因。项目现场暴露在外,常年盛行来自塔斯曼海洋强烈的西风,这种细长结构会遭受此侵扰。这种桥面还必须遵循英国标准的振动适用性标准BS5400-2:2006,这成为排除此选项的第二个原因。新西兰的斜拉桥屈指可数,根据以往设计经验,此种大桥的成本会限制项目的规模,因此,这成为排除此选项的第三个原因。

代理客户希望此大桥带着对死者的尊重,轻轻触摸着河流一侧,同时加上航道中没有永久性的桥墩,这也意味着斜拉桥选项被排除。现场的气氛很明显:大桥靠新普列茅斯一侧是白种人(尤指祖先是欧洲人的新西兰人),靠特雷瓦雷瓦一侧是毛利人,一个高耸的塔主宰于此可能被视为白种人胜利的象征,与代理客户所需大相径庭。相反,一个矢跨比为10的略低的拱则会显得恭敬,看起来不会主宰福蒂田村遗址低矮的山脉,更像是来自河边城市沿海步行道的守护者,守护着大桥。

为了避免三角侧拱支撑,最后选择了一个单一的宽拱,排除了桁架选项。采用了大型圆形空心截面来降低拱的制造成本。它可以通过中频感应弯曲,使其弯成弧形,形成抛物线轮廓。大型圆形空心截面的可用范围很广,可以充分选择一个合适的直径,并且可以根据需求来改变壁厚。

拱平面是垂直的,桥面结构保持管状。由于拱是垂直的支撑着桥面,桥面必须保持横向钢力来提供对拱的侧向约束力,防止弯曲。管状构件用于装饰桥面结构,这些构件同样也为起拱之间提供连接。

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基本上层结构骨架是拱,在设计出连接它们的框架形状后(参看下文语境情景设置)。它们大小适中,除了能进行轴向和弯曲动作外,还能够提供足够的抗扭刚度。由于遗址曝露在外,还需考虑风蚀作用。扭转模式下的主振型是1.3赫兹。第一水平和垂直模式超过了BS5400-2:2006 附录B的要求。

所选用的铺装材料是50兆帕的混凝土和500兆帕增强,增加其耐用性和强度,并且通过隔膜运动增强桥面的横向刚度。也曾考虑过硬木板和格栅板,但后来没选用是因为需要在底部提供对角支撑来提供必需的桥面刚度。所有带棱角的都要避免。

桥墩位置的岩土工程勘察钻孔显示了深层从小到大的火山石与中等粗糙的砾石和沙子混杂在一起。在新西兰,火山岩因其石头大而臭名昭著,如果遇到了,很难打桩。选用大底板的大体积混凝土桥墩用来提供足够的地面承载,同时选用用来保护乱石堆的基底摩擦和源于冲刷的侧向土压力来对抗横向运动。

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土壤状况提供了非常好的承载力,地面下沉和桥基转动的可能性很少。跨超过70米,桥基之间的差异沉降对上部结构的影响是微不足道的。在此基础上,把上部结构的右端完全浇铸到桥基中,在其底部左端安装桥梁板式橡胶支座。选择橡胶支座是因为它的简单和耐用性,大小适合承载垂直负荷,并且能适应热膨胀及热收缩。
 
观点2-施工方法

拱上部结构作为一个构件整体运到项目现场,它必须是一个系杆拱,防止现场设计需要大量的混凝土桥基,同时由于情境背景的原因,也需要一个与桥面相关的斜拱,还需要一个钢弹簧来连接上部结构两端的拱端和桥面。

下图拱形的变化性;确定的形式是19个拱形中的第一个和第八个(单位:mm)
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然后,钢弹簧将嵌入水泥弹簧中。为了防止由于拱顶相对于踵管和趾管的垂直和横向离心引起的上部结构变形,设计了临时的对角板支撑和张力带,以用于运输。桥面面板是最大深度的预制组件,简单支撑于与拱形相重合的19个均匀分布的悬臂梁(横梁)之间。为了利用面板的隔板作用加强横向刚度,将镀锌和防水的挂钩挂在每个悬臂上面的原位接缝中。接缝和悬臂之间的连接是用剪刀钉制成的。为了防止悬臂的水泥收缩变形,在面板浇铸到上部结构前,其浇铸和养护至少150天。几乎所有的预期寿命收缩都发生在桥面上部结构的连接之前。
 
观点3--情境设置

这个桥梁的位置最重要的一方面就是它接近NgatiTawhirikurahapu的圣地。这片土地是他们祖先的家园。他们被埋葬于此,精神亦永存于此。桥梁设计者必须重视在这片土地上具有法力(声望、权威、控制、精神力量)的祖先所遗留的精神价值。大桥设计的另外一个重要方面就是捕捉此遗址上的精神力量和神秘氛围,而不篡改或虚假模仿毛利人的任何传统习俗建筑。

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帕拉哈卡运动使所有NgatiTawhirikurahapu远离了暴力和苦难,对于塔拉纳基地区的所有毛利人来说是非常重要的。帕里哈卡运动倡导非暴力不合作运动,由两位塔拉那基的先知:蒂菲提奥朗格迈和图胡卡卡希发起和领导,抵制土地由政府没收的后塔拉纳基战争。50年前,圣雄甘地在印度也倡导非暴力抵抗运动。在1879年至1898年的19年间,TeWhiti,Tohu及其战士在未经审判的情况下,在不同时间段被捕并遭监禁。这场运动的象征,三只白色的信天翁羽毛,今天仍为塔拉纳基地区的毛利人所使用。它代表着灵性、和平与和谐的重要性,以及消除冲突、保持善意的必要性。

这座桥梁不仅有着深厚的历史感和神秘感,而且形成了和平与和谐感。关于米开朗基罗的故事从十六世纪起就开始流传,他认为“应该像建立大教堂一样建设桥梁”。
米开朗基罗的这种想法反映出:这座桥在某种意义上可能主要是一个世俗和非教堂社会的冥想和做礼拜的地方,这很可能与户外活动的高度开放性有关。

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设计者若要使大桥通过神地,就要建立其通道。他们意识到,不能去模仿传统的毛利建筑结构,所以决定将拱顶对角倾斜横过桥面。这个弯曲的拱顶在长而窄的桥面上形成了一个精致的通道,从左边的路肩开始,在右边的路肩结束,行人过桥时,从一侧到另一侧,这就营造了一种过渡的感觉,不仅仅是从河一侧到达另一侧的单纯的物理移动,还寓意了一种时代的变迁:从新普列茅斯市区到达传统的毛利人居住区,同时也折射了从先祖到下一代的传承。
为了连接垂直拱顶与侧面桥面系统,需要使用吊钩。最有效的方法是使用从拱顶到桥面两侧的两个钢杆横向支撑平面。这能为拱顶提供有效的垂直和侧向约束,防止平面的弯曲,还能提供扭转刚性的桁架。最终并未使用钢杆支撑,这有两个原因:倾斜支撑可能会撞击对于救护车、骑自行车的人和行人的净空包络线,由于同样的原因,最终也没有采用桁架上部结构。也就是说,支撑的角度和工业化性质将会降低外观的和平与和谐感。

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19个弯曲拱形的设计灵感来自与该地点相关的自然因素以及巴克斯特的诗歌,它使用风来喻指死者的灵魂。桥梁呈南北线形走向,受到西面盛行风的影响。拱形弯曲,呈现出仿佛被风吹弯的效果。弯曲的拱形与倾斜的拱形线形相结合,使得特雷瓦雷瓦大桥具有最独特而引人注目的特征。

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弯曲的拱形可预留出适当的净空包络线,并且形成了拱形与沿下游分布的踵管之间的弯曲和张力连接。为了实现应力的均匀分布,拱形和踵管都应具有较厚的加强板,以将负载从狭窄的肋拱扩展到大薄壁管。

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弯曲的拱形使得所有的肋拱都是相邻肋拱的延伸。它们的形式和重复是对自然的模仿,没有直线或相同的物体存在。这种重复技巧经常用于做礼拜的场所,以促进和谐。

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当行人走在桥上时,他会感觉到诗歌所营造的过渡氛围。当他走到新普利茅斯走道那侧时,沿着河流左岸,大桥看起来平淡无奇,跟其它桥梁一般无二,拱形看起来是垂直的。当他走近一些,随着肋拱变成曲面,视角变得更加倾斜。肋拱继续经过踵管,将桥面支撑终止于纵向趾管的19根悬臂梁中。肋拱和悬臂梁框架平行于正常流动的河流,与踵管和趾管的线形分布呈10%偏斜。

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在桥面上,桥梁的骨架结构相当开放,几乎没有障碍。从而使得视野不受阻碍。然而,与上游相比,下游的肋拱则给人感觉像是遮蔽防护着遗址。

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与桥面线形相对的倾斜拱形形成了拱形推力和甲板张力的横向偏心后每个桥台垂直轴附近的大扭矩。桥台所受到的扭矩受到基底摩擦以及来自周围防冲刷保护乱石的侧向地压的阻挡。左侧的桥台是较灵活的一端,水泥弹簧可纵向移动,并且垂直支撑于三个弹性轴承上。为了将扭矩从左边的水泥弹簧传送到桥台上,在水泥弹簧下设计了两个横向推力轴承。它们都位于检修通道内,并分别安装在每个弹性轴承上。在温度变化下,弹性轴承会发生纵向移动。

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在桥梁的结构性拱形和情境设置之间建立联系和关系,是这个项目中最有创意和最具艺术性的方面。这些联系对于塔拉纳基地区的当地人民来说具有更深远的意义。
将桥漆成白色,并将其与羽毛(一些观察家将桥梁看作羽毛)以及塔拉纳基山上的雪相联系,桥面与山顶呈线形结构,以确定塔拉纳基的架构。引用巴克斯特的话,“锯齿状的山峰覆盖着一块雪白的祭坛布。这以一种沉默的方式见证了什么是永恒。”
 
观点4--分析建模

前三个观点有助于确定桥梁结构的最终形式。第四个观点分析建模是为了验证整体概念是否有效。选择了一系列简单模型来探究要开发的细长和不对称结构。在大多数情况下,这些模型可通过手动计算完成初步设计,也可通过更精细的有限元分析进行检验。
 
采用古典拱形理论来确定拱管中的轴向载荷和非球面半跨载荷下的挠曲。关键平面外挠曲条件的有效长度是使用梁弹性基础模型来确定的。拱形的挠曲悬臂刚度、钢桥面结构的扭转刚度以及桥面的横向刚度被认为与一系列局部侧向约束一样,为拱形提供了刚度。

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由于垂直载荷引起的对桥面的横向作用是通过考虑悬挂在拱顶下的的桥面摆动作用来确定的。对于主要从拐角处到拐角处穿过桥面的对角线形的拱顶,净效应取决于垂直载荷的分布和幅度。侧向载荷通过横向剪切力传到桥台中。
 
如上所述,斜拱是指围绕垂直轴线的大扭矩,且被装配到每个桥台上。桥面结构的三个部件预制水泥桥面和趾管的踵管和纵向连接杆,承载着桥台之间的对抗张力。这些部件的相对轴向刚度可用于确定所运用扭矩的横向偏心率。相对来说,由于基底摩擦和侧向地压引起的扭矩阻力比较容易直接得到。
 
由于几何形状复杂,难以准确预测基于地震激发的潜在塑性铰链的确切位置,因此需要考虑到低延展性和弹性响应。由于结构的重量较低,这不属于一个管理设计标准。

附录

2011年3月28日,特雷瓦雷瓦大桥从世界各地的杰出桥梁项目名单中脱颖而出,获得2011年度Arthur G. Hayden奖,该奖认可了桥梁工程的最新杰出成就,展示了特殊用途桥梁如人行桥、行人捷运或非传统结构的创新。该奖于2011年6月7日在宾夕法尼亚州匹兹堡举行的国际桥梁大会上颁发。
2011年7月5日,该桥梁获得了2011年波兰弗罗茨瓦夫中等跨径美学类别年度人行桥奖。

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结论

客户对于标志性桥梁的清晰观点对于此大桥的建设具有很大作用。与客户和hapu的协商使我们了解了应该对桥梁建设应产生什么情感效果。现场考察和历史研究进一步强化了这一点。
这座大桥被一些观察员称为一件严肃的艺术品。其结构无外在装饰,却能述说背景故事。对大桥进行情境化似乎与当地社区有明显的共鸣,大桥已经成为一个有力的文化和社区象征。
伟大的意大利工程师奈尔维谈到了一种真实的风格,由纯净的线条和形状构成,无任何装饰,反映出自然特色,因此立即获得批准。上部结构元素旨在反映一种抽象的自然形式,容易与大桥地点相联系。最好在结构元素和地点相关历史之间建立关系,以产生创造性的时代联系。
虽然此大桥并没有实现真正的原创性,但是结构与自然之间的紧密联系可能会创造桥梁美学的新境界。最终产品是一座完美的功能桥梁,没有载荷或振动问题,尽管其规模较小,但有着雕塑的形式,其变幻莫测的光仿佛在施展着魔法。

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