一座雙層公路橋的設計構思

孔德軍

（上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海市 200031）

1 工程背景

廣東某城市快速環路與高速公路在橋址跨越東江南支流，為了共享橋位資源，形成雙層橋方案。以該工程為背景，提出一種新型雙層公路橋設計思路。

1.1 建設條件

兩岸地勢平坦，江面寬度約500 m，河床淺平，流速較緩，設有防洪大堤。工程地質勘探表明：覆蓋層為第四系地層，基巖由兩大類組成，即下古生界混合片麻巖（Pz1）和第三系中新統砂巖，埋深較淺，持力層為微風化巖帶，單軸極限抗壓強度7～13.5 MPa。

1.2 技術標準

（1）兩條道路主要技術標準

高速公路：設計行車速度100 km/h，雙向6車道，橋面寬度32.5 m，設計荷載為公路－I級。

城市快速環路：設計行車速度80 km/h，雙向6車道，橋面寬度32.5 m，設計荷載為城市A級。

下層橋面行車凈空：5.5 m。

（2）設計洪水頻率

設計洪水頻率1/300，相應設計水位8.244 m（85國家高程，下同）。

（3）通航技術要求

內河三級航道，凈高不小于10 m，設計最高通航水位為20 a一遇的洪水位6.600 m。因橋軸線法線方向與水流方向夾角達12°，航道要求采用一孔通航，跨徑不小于180 m。

（4）地震：基本烈度Ⅵ度。

1.3 總體布置

大橋分為主橋（高速公路位于上層、快速環路位于下層）、引橋兩大部分；引橋又分為雙層引橋、單層引橋。雙層引橋在平面上分離后，就成為一般的單層橋梁。全橋平面總布置如圖1所示。

圖1 全橋平面總體布置

2 設計構思

橋址上、下游相距不遠處已建多座混凝土梁式橋，為避免景觀上的重復，不宜再考慮梁式橋。江面寬度約480 m，滿足通航要求的主孔跨度在200 m以上，三跨結構布置較為合理。

鋼桁梁是雙層橋合理構造基本結構型式。其優點是：桿件規模不大，結構自重輕，起吊重量輕。其缺點也是明顯的：桿件、節點類型多，下層橋面通透性差，防腐、養護維修難度大，工程投資規模大，景觀上類似鐵路橋。

針對鋼桁梁方案的缺點，構思中央單索面斜拉橋，上、下層橋面分別采用獨立箱梁，共用主塔和基礎，下層橋面所需的斜拉索從上層預留鋼套管穿過，斜拉索保持相同的斜率，全橋具有最好的通透性和獨特的景觀效果。

3 方案研究

3.1 橋式布置

該方案采用跨徑為120m+240m+120m的3跨雙層主梁中央索面斜拉橋（見圖2），全長480 m，上層為鋼箱梁，下層為混凝土箱梁，主塔為鋼筋混凝土結構，斜拉索面扇形布置，上層主梁每塔兩側各8對索，下層主梁各15對索，兩層主梁的斜拉索在立面布置上完全重合，視覺上簡潔。梁上標準索距，上層鋼箱梁約12 m，下層混凝土箱梁7.2 m，全橋共94對、188根。

圖2 橋式立面布置（單位：m）

上層塔、梁間設置0號斜拉索，下層塔、梁間設置縱向滑動支座，主梁縱向漂浮，塔、梁之間設置橫向限位裝置。邊墩均設置縱向滑動支座提供豎向約束，設置橫向擋塊。為了克服負反力，在邊墩頂附近主梁內進行壓重，上、下層壓分別重量約300 t、600 t。

3.2 主梁

（1）上層鋼箱梁（見圖 3a）

鋼梁斷面采用展翅型箱形斷面，主梁橫向兩側懸臂板為開口斷面，其余形成一閉合鋼箱梁，梁中心線處高3.5 m，頂板寬35.2 m，底板寬14.0 m。頂板厚14 mm，底板厚14～16 mm，鋼梁材質Q345qD。箱梁頂、底板采用U形閉口加勁肋，頂、底板U形加勁肋高260 mm，板厚為8 mm。主梁每3.0 m設置一道橫隔梁。鋼箱梁節段工地連接采用栓焊結合方式。

圖3 上、下層主梁橫截面圖（單位：m）

（2）下層混凝土梁（見圖3b）

主梁采用和上層鋼箱梁外形類似的倒梯形箱截面展翅梁構造，梁高3.5 m，頂寬35.2 m，底寬14 m。斷面為單箱三室截面，兩側懸臂板長4.5 m。橫梁間距3.6 m，有索處兩邊室橫梁厚度26 cm，中室因錨固斜拉索的需要，厚度增加至43 cm，無索橫梁厚度均為26 cm。主梁混凝土為C50級。

3.3 主塔

主塔為獨柱，塔高86.0 m，塔頂高程+89.00 m，塔底高程+3.00 m。主塔順橋向中、上塔柱截面為矩形，順橋向塔寬7.0 m，橫橋向塔寬4.0 m。主塔錨固區橫向塔壁厚1.5 m，縱向塔壁厚0.7 m。中塔柱為實心塔柱；下塔柱為六邊形斷面，橫橋向底寬11.0 m，順橋向底寬13.0 m。下塔柱頂部設置承托以放置豎向支座。為景觀需要，在上塔柱設置有裝飾結構。主塔混凝土為C50級。主塔錨固區采用環向預應力錨固方式。圖4為主塔構造。

圖4 主塔構造（單位：m）

3.4 斜拉索

采用平行鋼絲斜拉索體系。塔柱兩側共23對索，其中錨固于下層混凝土主梁15對，錨固于上層鋼箱梁8對，同時在上層鋼箱梁塔、梁間設置橫向穩定索。除最外側一對索外，錨固在鋼箱梁上的其余7對索和錨固于下層主梁斜拉索在立面上重合。錨固在下層混凝土主梁上的斜拉索穿過上層鋼箱梁的通道用鋼導管進行成孔。為了防止風雨振，斜拉索外表設螺旋線或壓花護套。

3.5 主塔基礎

采用鉆孔樁基礎，每個主塔墩共13根鉆孔樁，樁徑2.5 m，樁長17 m，承臺尺寸為長29 m，寬16.5 m，厚4 m。考慮低水位時不露出樁基，承臺頂標高定為+3.0 m。

3.6 方案實施

基礎采用鉆孔樁，插打鋼護筒搭設平臺進行鉆孔施工；承臺采用套箱圍堰施工；主塔采用常規方法翻模爬升施工，分段澆注。

上層鋼箱梁采用工廠預制，預制長度12 m，駁船運輸就位。鋼箱梁共41個節段，其中塔下0＃、1＃節段在墩旁支架上小塊拼裝，其余節段利用架梁吊機懸臂吊裝。

下層混凝土箱梁在塔墩附近33.6 m長的梁段采用支架現澆，其他部位主梁采用預制場預制，預制節段長3.6 m，寬33.7 m，預制節段共113個。預制梁吊段重量控制在220 t以內，預制節段采用運輸船運輸，橋面吊機吊裝。節段吊裝就位后利用環氧樹脂膠拼。主梁拼裝完成后，滯后30 m現澆兩側0.75 m懸臂板。總工期18個月。圖5為施工方案示意圖。

圖5 施工方案示意圖

4 結構分析

4.1 主梁扭轉分析

上層鋼箱梁載汽車活載一側滿載的最不利工況下最大扭轉角為0.007 rad，相當于0.7%橫坡；下層混凝土箱梁最大扭轉角為0.003 rad，相當于0.3%橫坡。全橋有良好的抗扭剛度，滿足行車要求。

4.2 抗風分析

采用ANSYS有限元分析軟件對雙層主梁斜拉橋方案成橋狀態和主要的施工狀態的動力特性進行分析。設計基準風速和橋梁斷面的顫振臨界風速見表1。

表1 顫振臨界風速及檢驗風速

雙層主梁斜拉橋方案的顫振穩定性足以滿足橋址處的抗風要求，且抗風安全性等級較高。陣風荷載的計算結果表明，橋塔在100 a一遇的大風作用下，強度滿足設計要求，雙層主梁斜拉橋在風荷載作用下安全。

4.3 結構抗震

抗震分析采用規范標準的地震動加速度反應譜。地震基本烈度為6度，設計烈度取7度，重要性系數取1.7，綜合影響系數取1.0。地震力取順橋向、橫橋向二種工況分別驗算，以檢驗主塔、主梁在兩個方向地震力作用下的安全可靠性。計算表明結構的動力性能良好，結構各部位的地震響應均在設計允許范圍之內，結構具有較高抗震能力。

5 方案進一步演變

主塔索錨區采用鋼錨箱或鋼錨梁錨固型式，縮小主塔尺度，減小橋面寬度，降低工程投資。調整斜拉索在塔、梁上的錨固位置，使之成為豎琴型，可以取得更完美的景觀效果（見圖6）。

圖6 橋型方案效果圖

6 結論

在體現雙層橋梁共建優勢的前提下，構思了獨立的分離式雙層主梁斜拉橋，上、下層橋面分別采用鋼箱梁及混凝土箱梁，不但減少了用鋼量，而且下層橋面視線通透，避免了鋼桁梁桿件對行車視線的干擾，方便了運營管理與養護維修。經過結構的動、靜力計算分析研究，既滿足使用功能要求，又有良好的景觀效果，橋型結構新穎。

通過對雙層主梁斜拉橋方案的研究，提出一條與鋼桁加勁梁體系完全不同的雙層橋設計思路，對今后類似工程具有參考意義。