建筑结构丨结构大师—Christian Menn

建筑结构2018-07-23 06:03:04

本文来源于iStructure微信公众号,获授权转载

Christian Menn(1927—),瑞士杰出桥梁工程师,苏黎世联邦工学院(ETH)教授。设计建成桥梁100多座,代表作有Ganter Bridge,Sunniberg Bridge等,其美学理念深远地影响着后辈的桥梁工程师。1990年获弗莱西奈奖章(Freyssinet Medal),2009年获IASBE国际桥梁协会奖章。


早期的作品

1956年获得博士学位后,Menn在巴黎参与联合国教科文组织总部大厦的建设,大厦的结构设计师是奈尔维(P.L. Nervi)。1957年,他回到瑞士,同年6月份开设自己的事务所。此后几年他设计了许多桥梁和大厦,在瑞士的桥梁竞赛中多次斩获一等奖。1971年,Menn回到母校ETH任教,从那时起,他担任了瑞士大部分桥梁的顾问。1977年开始,他一直是瑞士钢筋混凝土与预应力钢筋混凝土建筑规范委员会的主席。

Menn早期设计的桥梁明显受马亚尔(Robert Maillart)影响。

▲Kolsters Bridge (马亚尔设计)

▲Averserrhine Bridge in Crot (Menn设计/1960)

▲Salginatobel Bridge (马亚尔设计)

▲Averserrhine Bridge in Letziwald (Menn设计/1960)

随着60年代瑞士人工成本的上升,支座间距密集的上承式加劲拱变得很不经济。同时,由于预应力技术的发明和使用,桥面梁的跨越能力增大,后期设计的桥梁中,Menn将加劲的板间距加大。

1964年竣工的Reichenau Bridge拱跨度达到100m,桥面梁为预应力混凝土空腹箱梁,同时对拱起加劲作用。与之前同类型的桥梁相比,加劲板的间距拉大很多,形态更加简约。

▲Reichenau Bridge/1964

▲Nanin Bridge in Mesocco/1968(Nanin Bridge是两座桥,这是其中一座)


Felsenau Bridge/1974

Felsenau Bridge是一座双薄壁墩连续梁桥,桥墩由两片狭长的混凝土墙体组成。主跨156m,净跨144m,是当时瑞士最大的跨度。薄壁桥墩顺桥向因为两端荷载平衡,无需承受太大的弯矩;而在横桥向能提供足够的抗侧刚度。

Felsenau Bridge另一个创新的地方是使用了单室箱梁。过去桥梁往往使用的是两根箱形大梁,桥面的每一半用一根,因此实际上建造的是并排的两座桥。单箱式大梁经济性更好,施工时也更方便。

箱梁在靠近支座处高度增加,同时箱梁截面底部宽度收小,与墩柱平滑过渡。单室箱梁与双薄壁墩的结合使桥梁的立面更显轻盈,与自然环境完美融合。

▲预应力图纸

桥梁的建造采用了悬臂施工方法,与拱桥的满堂脚手架相比,大量地节省了人工成本。


甘特桥(GanterBridge/1974)

甘特桥总长678m,最大跨度174m,最大塔高150m。该桥位于瑞士和意大利交界处的国道上,跨过甘特山谷。最初考虑在山谷右岸设置1.5公里长的隧道与老甘特桥相连,后采纳了Menn提出的建造新甘特大桥的方案。新方案与隧道方案相比,可缩短1.7公里,节省一半的工程费用。

甘特桥为8跨连续单室箱梁,主跨三孔由三角形的预应力混凝土板悬吊着主梁,使87m(主跨174m一半)的悬臂跨度减少到只有36m,梁高显著降低至2.5米~5米。主梁为宽10米的箱形截面,桥面以上的混凝土塔高控制在15 米以下,因此斜拉预应力混凝土板很平坦。与主跨相连的两个边跨部分,为不同方向的两个曲率半径为200m的弧线,所以甘特桥平面呈S形。

甘特桥的斜拉预应力混凝土板中配置多束预应力钢绞线,锚固在桥塔和梁中。先进行预张拉,再用混凝土包裹。混凝土板在桥面处厚度为0.4m,在桥塔附近逐渐增厚,桥塔处截面为1.0x0.8m。混凝土板本身按照使用荷载时不产生拉应力进行设计。

拉索外面包裹混凝土带来两个好处:1. 保护拉索不受腐蚀;2. 混凝土板的存在,使得正常使用状态下,预应力拉索的应力变化幅度是其他拉索桥的1/5,没有疲劳风险。

Ganter桥与Salginatobel桥

内置拉索的混凝土板本质上是将支座处的梁截加高了。这让小i想起年初写的两篇关于梁的文章,跨越结构的形式可以千变万化,但本质上都可以追溯到梁的形态。

将马亚尔设计的Salginatobel桥倒置后贴到Ganter桥的下方,两者竟有几分神似,在瑞士优美的风景中非常和谐。


桑尼伯格桥(Sunniberg Bridge/1998)

在20世纪末国际桥梁和工程协会组织的“20世纪15座世界最美桥梁”评选中,桑尼伯格桥和甘特桥都位列其中。它们就像山谷中盛开的鲜花,充满活力。

桑尼伯格桥是一座四塔斜拉桥,主桥跨径为(59+128+140+134+65)米,最高桥墩为62米,桥面以上塔柱高15米,最大跨度/塔高=9.3。

对于混凝土桥梁,达到一定长度后就需要设缝,桥墩与桥面梁需要布置滑动支座,这几乎已经是现代桥梁设计的常规做法。但是桑德伯格没有设缝,虽然桥的总长度达到526m,但因其平面是弧形的(曲率半径为500m),由四季温差引起的变形、混凝土的收缩、徐变都可以通过弧形桥面弧度的变化得到释放。而因为没有变形缝和支座,桥梁的施工难度大大降低,后期的维护成本也下降很多。

为了不对圆弧桥面的变形造成过度约束,桥墩在横桥向需要做得柔一些。Men将桥墩设计成框架式,桥墩两侧混凝土薄墙呈抛物线型,由下至上逐步展开,形态优美。

讲一个小插曲,1979年卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)在ETH学习时,有一篇桥梁论文的指导老师是Menn。Menn让他做几个山谷中矮塔斜拉桥的桥塔方案,老卡当年的作业如下(直到2004年才发表出来)。Menn可能1979年时就已经想做一个这样的矮塔斜拉桥了。

八卦说完,回到正题。还是因为平面的弧形,在水平地震和风的作用下,桥面梁可以形成拱效应,以弥补柱墩抗侧力的不足。因此,在桥梁与山谷边缘连接的位置处,没有支座,取而代之的是很大的桥台,需要将9500KN的水平力传递给山坡。不过桥台的大部分可以埋藏在土中,外面看上去并没那么大。

左为桥台。右为与山坡交界处桥面,未设变形缝。

桑尼伯格桥位于海拔1050m,冬季温度很低,降雪量雪很大。所以,为防止融雪剂对钢筋的腐蚀,部分区域的钢筋使用的是耐腐蚀特种钢筋。为了使化雪后的水不在车道上流淌,在桥面的高侧也设置了排水管,排水管也设置了加热装置。

桥下的排水管和拉索的锚固端

桥梁的横剖面(因为平面有弧度,所以横剖面有一个7°的倾角)

Menn的桥梁作品超过100座,在此无法一一介绍,仅放一些照片供读者欣赏。

▲Nanin Bridge in Mesocco/1968

▲Biaschina Viaduct in Giornico/1983

▲Leonard P. Zakim Bunker Hill MemorialBridge/2002

 

参考文献:

1)百度百科、维基百科

2) 《瑞士甘特桥Ganter Bridge 原来斜拉桥还可以这么设计》搜狐号:极客风

3) 《塔与桥》 戴维.比林顿

4) 《The Impact of the Sunniberg Bridge on Structural Engineering,  Switzerland》ThomasVogel, Kristian Schellenberg.

5)本文图片均来源于网络,版权属于原作者或网站

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