市政雙層交通橋梁結(jié)構(gòu)體系選型

楊廣安

［上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200125］

0 引 言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地資源的稀缺及橋梁建設(shè)用地緊張的日趨突出，同時(shí)交通流量的快速增長(zhǎng)，造成多數(shù)已建單層交通的城市橋梁日益擁堵，成為阻礙交通暢通的瓶頸。因此，為在有限的土地資源及布置空間內(nèi)極大地提高城市交通的使用效率，改善橋梁通行條件，雙層交通或雙層橋面的城市橋梁設(shè)計(jì)是較佳方案[1]。

目前雙層交通橋梁這類結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)方法和力學(xué)性能暫無(wú)一套完整的知識(shí)體系，對(duì)目前實(shí)際工程中雙層交通體系橋梁進(jìn)行一系列的梳理、總結(jié)與拓展有著較強(qiáng)的工程實(shí)踐意義。

1 結(jié)構(gòu)體系選型

雙層橋梁結(jié)構(gòu)體系的選型在滿足交通功能需求及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下尚應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

（1）應(yīng)在綜合考慮橋位處的客觀條件、結(jié)構(gòu)體系的合理受力、橋梁景觀等因素后因地制宜的選擇其結(jié)構(gòu)體系，不應(yīng)片面為追求景觀效果而弱化其他方面的要求。

（2）斷面上機(jī)動(dòng)車道的空間位置及數(shù)量一般由總體交通需求確定，結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)對(duì)其優(yōu)化調(diào)整的空間不大，而非機(jī)動(dòng)車道尤其是人行道空間位置的優(yōu)化調(diào)整空間較大，可根據(jù)體系受力合理性或景觀需求進(jìn)行較大的突破。

（3）結(jié)構(gòu)體系的選擇需考慮施工因素，施工便捷性、施工期間交通組織、對(duì)現(xiàn)狀交通的影響等均會(huì)影響到結(jié)構(gòu)體系的選擇。

（4）非機(jī)動(dòng)車道縱坡宜小于2.5%，大于或等于2.5%時(shí)，應(yīng)按規(guī)定限制坡長(zhǎng)，但最大不超過(guò)3.5%[2]。若超過(guò)3.5%則不能騎行，只能推行，橋梁結(jié)構(gòu)體系選型時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮騎行。

梁橋、拱橋、斜拉橋及懸索橋等常見(jiàn)橋梁結(jié)構(gòu)體系，除去主梁外其他的上部構(gòu)件僅起到增大主梁跨越能力的輔助作用；因此除特殊情況外，雙層交通橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)主梁形式的變體去實(shí)現(xiàn)。

1.1 上層機(jī)動(dòng)車道+下層機(jī)動(dòng)車道

一般而言，人非荷載低于機(jī)動(dòng)車荷載，機(jī)動(dòng)車道荷載作為橋梁結(jié)構(gòu)的主要荷載，其布置位置應(yīng)直接位于主梁的主體位置，而人非荷載可通過(guò)其他結(jié)構(gòu)措施附加于主梁主體結(jié)構(gòu)上。對(duì)于上下層均布置機(jī)動(dòng)車道的雙層橋梁，其主梁從結(jié)構(gòu)受力方面考慮可采用梁體系和桁架體系。

1.1.1 梁體系

對(duì)于梁體系雙層橋梁，結(jié)合實(shí)際工程案例，主要包括以下四種：

（1）梁與立柱框架組合體系

由于黃浦江沿線大橋、隧道等越江設(shè)施的線位限制，閔浦大橋采用高速公路與地方道路公用一座大橋線位，采用雙層橋梁結(jié)構(gòu)，上層為高速公路八車道，下層為地方道路六車道，上下層橋面共用門式橋墩（見(jiàn)圖1）。

圖1 梁與立柱框架組合雙層梁體系斷面圖

此種體系結(jié)構(gòu)布置緊湊，在鐵路橋梁中使用較多，一般應(yīng)用在布墩區(qū)綠化帶相對(duì)較寬的工程中。根據(jù)上下層橋面的相對(duì)寬度不同，橋墩形式也可采用倒梯形或“干”字形，但由于此類體系均為共用下部結(jié)構(gòu)，且橋墩為整體布置，對(duì)于施工期間不斷交需翻交施工的工程應(yīng)用受限。

（2）品字形雙層梁體系

一般城市高架在跨越河道時(shí)，中幅主線高架沿用與地面段相同的結(jié)構(gòu)布置，高架兩側(cè)地面道路幅以獨(dú)立橋梁結(jié)構(gòu)形式布置于中幅主線高架兩側(cè)，從而衍生出品字形雙層梁體系（見(jiàn)圖2）。

圖2 品字形雙層梁體系斷面圖

此種體系由于上下層橋上下部分別獨(dú)立，三幅橋自成體系。其與兩側(cè)接線高架或地面道路銜接方便，也可滿足翻交施工的需求，但由于下部結(jié)構(gòu)類別較多，施工繁瑣。

（3）巨型箱形梁體系

對(duì)于梁體系，主梁可采用寬大扁平的箱型截面作為承重構(gòu)件，并利用箱室頂?shù)装逍纬呻p層橋面。

澳門西灣大橋主橋?yàn)殡p索面豎琴式稀索斜拉橋，橋梁為分離式單箱單室，每箱頂單向3車道，箱內(nèi)通行輕軌，臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)，關(guān)閉橋面，改由箱內(nèi)通行汽車。為滿足箱體內(nèi)部的通風(fēng)機(jī)采光要求，箱室腹板上每隔8 m加開(kāi)窗洞[3]，見(jiàn)圖3。

圖3 巨型箱形梁體系雙層梁斷面圖（單位：cm）

因箱內(nèi)通車，此巨型箱形截面梁無(wú)法設(shè)置常規(guī)橫隔板且需在腹板上大規(guī)模開(kāi)孔，其整體受力性能、橫向內(nèi)力、剪力滯后效應(yīng)、扭轉(zhuǎn)畸變及腹板孔洞引起的局部應(yīng)力集中等一系列關(guān)鍵問(wèn)題尚需進(jìn)行專門研究[4]。

（4）異形墩雙層梁體系

若有其他邊界約束條件無(wú)法布置門墩體系時(shí)，也可采用其他異形高低墩解決。如臺(tái)北某工程在現(xiàn)狀道路一側(cè)需增設(shè)寬約35 m的雙向交通，但可供布墩范圍局限在現(xiàn)狀地面道路與河道間寬僅13 m的狹長(zhǎng)空間內(nèi)，最終采用雙層箱梁+異形墩的結(jié)構(gòu)體系方案（見(jiàn)圖4）。

圖4 異形墩雙層梁體系斷面圖

此種體系下部結(jié)構(gòu)為異形構(gòu)造，受力較復(fù)雜，且不便工廠化預(yù)制拼裝施工，故僅在特殊情況下才予考慮。

1.1.2 桁架體系

對(duì)于桁架體系，鋼桁梁或組合桁梁作為承重構(gòu)件并利用上下弦桿形成雙層橋面，剛性腹桿作為橋面系間的連接。

蘇州市斜港大橋?yàn)槿摻Y(jié)構(gòu)桁架式梁拱組合結(jié)構(gòu)，是蘇州市第一座雙層鋼結(jié)構(gòu)橋梁。上層為雙向六車道+兩條輔助車道共八車道城市快速路，下層為雙向八車道城市主干道和人非系統(tǒng)[5]，見(jiàn)圖5。

圖5 桁梁體系雙層梁斷面圖（單位：cm）

若上下層有非機(jī)動(dòng)車道，則可將其以挑梁布置在下弦桿外側(cè)，由于挑梁結(jié)構(gòu)高度一般小于弦桿，因此還可通過(guò)挑梁高程的調(diào)整（下層機(jī)動(dòng)車道與人非道相對(duì)錯(cuò)層）來(lái)進(jìn)一步減小非機(jī)動(dòng)車道的縱坡，改善行車舒適度。

綜上，總結(jié)歸納上下層均布置機(jī)動(dòng)車道的雙層橋梁結(jié)構(gòu)體系演變模式見(jiàn)圖6。

圖6 上下層均布置機(jī)動(dòng)車道雙層橋體系演變圖

通過(guò)對(duì)比，梁體系與桁架體系在其適用性上分別有以下一些特點(diǎn)：

（1）箱梁體系（巨型箱梁體系除外）的適用跨徑范圍較大，常見(jiàn)市政橋梁中小跨徑和節(jié)點(diǎn)橋梁的大跨布置均可適用，而桁梁體系從下層橋面凈空及經(jīng)濟(jì)性考慮一般適用于80 m以上跨越河道的大跨橋梁。

（2）桁架體系下層弦桿結(jié)構(gòu)高度小于梁體系下層主梁結(jié)構(gòu)高度，在跨越河道時(shí)可減小引橋規(guī)模、降低下層非機(jī)動(dòng)車道縱坡進(jìn)而改善行車舒適度，故在對(duì)結(jié)構(gòu)高度受限的條件下可優(yōu)先采用桁架體系。

1.2 上層機(jī)動(dòng)車道+下層人非車道

（1）箱梁外掛體系

當(dāng)下層僅有荷載相對(duì)較小的人非通行時(shí)，可將人非通道布置于主梁外腹板底部?jī)蓚?cè)。

崧澤高架路西延伸工程油墩港橋主橋即采用此種體系。主橋橋面層為機(jī)動(dòng)車道，兩側(cè)挑臂分別下掛非機(jī)動(dòng)車道和人行道，在引橋側(cè)通過(guò)梯坡道落地。主橋下掛人非橋吊桿位置設(shè)置加勁橫梁，間距3.0～3.5 m，通過(guò)剛性吊桿連接下掛鋼結(jié)構(gòu)縱橫梁構(gòu)成人非橋面[6]，見(jiàn)圖7。

圖7 箱梁外掛體系雙層梁斷面圖（單位：cm）

為滿足人非車道凈空要求，此種體系一般適用于跨度較大的變截面連續(xù)箱梁，主梁結(jié)構(gòu)高度一般宜大于3 m。對(duì)于局部梁高不滿足處也可在橋下凈空富裕時(shí)通過(guò)特殊構(gòu)造將人非車道布置在主體箱梁底板以下。

（2）桁梁體系

對(duì)于桁梁體系，其結(jié)構(gòu)體系與上下層均為機(jī)動(dòng)車的桁梁體系類似，由于下層人非一般所需寬度小于上層機(jī)動(dòng)車道寬度，因此，其斷面一般采用倒梯形斷面。

上海龍華港橋即采用此種結(jié)構(gòu)體系，其為徐匯濱江公共開(kāi)放空間中的一座橋梁，以動(dòng)物脊梁為原型，通過(guò)形象特征幾何抽象化后設(shè)計(jì)成雙層橋面變截面連續(xù)鋼桁梁，倒梯斷面，上層橋面為機(jī)動(dòng)車道，總寬25 m，下層橋面為人行通道，凈寬12.6～13.6 m，為來(lái)往游客提供了一個(gè)明亮、舒適的休閑空間[7]，見(jiàn)圖8。

圖8 桁梁體系雙層梁斷面圖（單位：cm）

綜上，總結(jié)歸納上層機(jī)動(dòng)車道+下層人非車道的雙層橋梁結(jié)構(gòu)體系演變模式見(jiàn)圖9。

圖9 上層機(jī)動(dòng)車道+下層人非道雙層橋體系演變圖

1.3 上層人非車道+下層機(jī)動(dòng)車道

除在一些特殊邊界條件約束或從景觀造型上必須采用此種布置形式外，一般情況下此種斷面形式采用不多。

下層機(jī)動(dòng)車道一般布置于橋梁核心受力區(qū)，若上層人非車道的布置獨(dú)立于下層橋面單獨(dú)設(shè)置橋墩使之成為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，則經(jīng)濟(jì)性差。因此一般通過(guò)結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施將上層人非道依附于下層橋梁核心受力區(qū)之上。

（1）索承結(jié)構(gòu)體系

通過(guò)拉索支承上部人非車道。如綿陽(yáng)三江大橋，即采用此種人、車分離的設(shè)計(jì)理念，見(jiàn)圖10。上下層主梁完全分離，上層主梁通過(guò)上橋塔橫梁置于下層主梁一側(cè)上方，上下層主梁各自通過(guò)斜拉索與倒Y形橋塔連接，且將傳統(tǒng)人行道設(shè)計(jì)改為獨(dú)立的“S”形曲線梁跨越江面并實(shí)現(xiàn)與堤岸接駁[8]。

圖10 綿陽(yáng)三江大橋?qū)嵕皥D

（2）桁架體系

對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)體系，下層布置機(jī)動(dòng)車道，上層弦桿及平聯(lián)簡(jiǎn)單改造后即可布置人非機(jī)動(dòng)車道，此類桁架布置形式暫未見(jiàn)實(shí)際工程案例。

綜上，總結(jié)歸納上層人非道+下層機(jī)動(dòng)車道的雙層橋梁結(jié)構(gòu)體系演變模式見(jiàn)圖11。

圖11 上層人非+下層機(jī)動(dòng)車雙層橋體系演變圖

2 實(shí)例分析

2.1 概況

浦東運(yùn)河橋?yàn)辇垨|大道改建工程重要節(jié)點(diǎn)之一，浦東運(yùn)河下穿龍東大道段為南北走向，目前屬Ⅶ級(jí)航道，寬約37 m；規(guī)劃河口寬85 m，Ⅲ級(jí)航道，橋梁需一跨過(guò)河。

BSA223S電子天平；JJ－1型電動(dòng)攪拌器；HWS28電子恒溫水浴鍋；ISO水泥稠度測(cè)定儀；TENSOR-27傅立葉紅外光度計(jì)；DFC-0710B增壓稠化儀。

橋位處現(xiàn)狀老橋橫向四幅設(shè)置，中間兩幅為雙向6車道機(jī)動(dòng)車道T梁，斜交約10°；兩側(cè)兩幅為正交65 m跨簡(jiǎn)支鋼管混凝土拱人非橋，見(jiàn)圖12。

圖12 浦東運(yùn)河現(xiàn)狀橋梁實(shí)景圖

根據(jù)完善上海市快速路系統(tǒng)的總體要求，浦東運(yùn)河橋需拆除重建，采用全線高架快速路+地面主干路形式敷設(shè)。

2.2 橋梁主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計(jì)荷載：汽車 城—A級(jí)，人群3.5 kN/m2；

（2）橋面寬度：主線高架橋整幅式雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?5 m，地面橋雙向六車道（2×12 m）+雙側(cè)非機(jī)動(dòng)車道及人行道（2×6 m）；

（3）地震基本烈度：7度；峰值加速度：0.1g。

2.3 結(jié)構(gòu)體系選

根據(jù)交通規(guī)劃上層6車道高架，下層雙向6車道機(jī)動(dòng)車道+人非車道，兩側(cè)接線引橋與龍東大道全線標(biāo)準(zhǔn)段一致采用預(yù)制小箱梁的結(jié)構(gòu)形式，截面整體呈“品”字型，見(jiàn)圖13。

圖13 浦東運(yùn)河引橋標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：cm）

由前文可知，本橋?qū)儆谏舷聦泳袡C(jī)動(dòng)車道的斷面形式，浦東運(yùn)河橋主橋結(jié)構(gòu)體系選型可采用如下思路，見(jiàn)圖14。

圖14 結(jié)構(gòu)體系演化示意圖

據(jù)此結(jié)構(gòu)體系演化思路考慮以下兩種方案：

（1）連續(xù)鋼箱梁

主橋采用80 m+120 m+80 m變截面連續(xù)鋼箱梁方案，主橋采用品字形斷面能與引橋無(wú)縫銜接，見(jiàn)圖15。

圖15 鋼箱方案標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：cm）

但由于引橋兩側(cè)地面路口限制，引橋坡長(zhǎng)受限，根據(jù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)高度要求，下層橋面縱坡達(dá)到5.5%，勢(shì)必導(dǎo)致非機(jī)動(dòng)車無(wú)法騎行。

（2）簡(jiǎn)支雙層鋼桁梁

主橋采用跨徑布置為120 m的單跨簡(jiǎn)支鋼桁梁，由于鋼桁梁上下弦桿的截面高度明顯小于鋼箱梁，下層橋面的縱坡可降低至4%。下層桁架外側(cè)設(shè)置6 m挑臂布置人非道，將挑臂根部底緣與下弦桿底緣對(duì)齊，進(jìn)一步將人非道縱坡降至3.0%，滿足了非機(jī)動(dòng)車騎行需求，見(jiàn)圖16、圖17。

圖16 鋼桁梁方案立面圖（單位：cm）

圖17 鋼桁梁方案標(biāo)準(zhǔn)斷面圖（單位：cm）

考慮到施工期間現(xiàn)狀交通不能中斷，橫橋向?qū)撹炝悍謨煞贾茫ㄟ^(guò)翻交拖拉施工，確保了施工期間現(xiàn)狀交通的順利通行。

綜上所述，簡(jiǎn)支雙層鋼桁梁方案相對(duì)于連續(xù)鋼箱梁方案有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）充分利用高架與地面橋所占用的空間，結(jié)構(gòu)布置緊湊，簡(jiǎn)支靜定結(jié)構(gòu)，受力簡(jiǎn)潔；

（2）施工便捷、工期短，施工期間對(duì)現(xiàn)狀交通干擾小；

（3）地面機(jī)動(dòng)車道縱坡低于連續(xù)梁方案，交通安全性好，且非機(jī)動(dòng)車道縱坡為3%滿足騎行要求；

故120 m跨簡(jiǎn)支雙層鋼桁梁方案作為浦東運(yùn)河橋主橋雙層交通的推薦方案。該橋已于2020年底建成通車。

3 結(jié)語(yǔ)

雙層交通橋梁結(jié)構(gòu)體系的選型是市政橋梁工程前期總體方案設(shè)計(jì)階段需著重進(jìn)行的工作內(nèi)容，橋梁設(shè)計(jì)人員可結(jié)合前文歸納總結(jié)的演化思路，基于對(duì)橋梁力學(xué)、工程材料、施工技術(shù)、交通組織等方面的深刻理解與認(rèn)識(shí)來(lái)綜合比選確定。