一座雙層公路橋的設(shè)計構(gòu)思

孔德軍

（上海市市政規(guī)劃設(shè)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(huán)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(shè)計思路。

1.1 建設(shè)條件

兩岸地勢平坦，江面寬度約500 m，河床淺平，流速較緩，設(shè)有防洪大堤。工程地質(zhì)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(tǒng)砂巖，埋深較淺，持力層為微風(fēng)化巖帶，單軸極限抗壓強(qiáng)度7～13.5 MPa。

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）兩條道路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

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

城市快速環(huán)路：設(shè)計行車速度80 km/h，雙向6車道，橋面寬度32.5 m，設(shè)計荷載為城市A級。

下層橋面行車凈空：5.5 m。

（2）設(shè)計洪水頻率

設(shè)計洪水頻率1/300，相應(yīng)設(shè)計水位8.244 m（85國家高程，下同）。

（3）通航技術(shù)要求

內(nèi)河三級航道，凈高不小于10 m，設(shè)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(dá)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(huán)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(shè)計構(gòu)思

橋址上、下游相距不遠(yuǎn)處已建多座混凝土梁式橋，為避免景觀上的重復(fù)，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(jié)構(gòu)布置較為合理。

鋼桁梁是雙層橋合理構(gòu)造基本結(jié)構(gòu)型式。其優(yōu)點(diǎn)是：桿件規(guī)模不大，結(jié)構(gòu)自重輕，起吊重量輕。其缺點(diǎn)也是明顯的：桿件、節(jié)點(diǎn)類型多，下層橋面通透性差，防腐、養(yǎng)護(hù)維修難度大，工程投資規(guī)模大，景觀上類似鐵路橋。

針對鋼桁梁方案的缺點(diǎn)，構(gòu)思中央單索面斜拉橋，上、下層橋面分別采用獨(dú)立箱梁，共用主塔和基礎(chǔ)，下層橋面所需的斜拉索從上層預(yù)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(dú)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(jié)構(gòu)，斜拉索面扇形布置，上層主梁每塔兩側(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)置0號斜拉索，下層塔、梁間設(shè)置縱向滑動支座，主梁縱向漂浮，塔、梁之間設(shè)置橫向限位裝置。邊墩均設(shè)置縱向滑動支座提供豎向約束，設(shè)置橫向擋塊。為了克服負(fù)反力，在邊墩頂附近主梁內(nèi)進(jìn)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(cè)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(zhì)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(shè)置一道橫隔梁。鋼箱梁節(jié)段工地連接采用栓焊結(jié)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(gòu)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(cè)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(dú)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(qū)橫向塔壁厚1.5 m，縱向塔壁厚0.7 m。中塔柱為實(shí)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(shè)置承托以放置豎向支座。為景觀需要，在上塔柱設(shè)置有裝飾結(jié)構(gòu)。主塔混凝土為C50級。主塔錨固區(qū)采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固方式。圖4為主塔構(gòu)造。

圖4 主塔構(gòu)造（單位：m）

3.4 斜拉索

采用平行鋼絲斜拉索體系。塔柱兩側(cè)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(shè)置橫向穩(wěn)定索。除最外側(cè)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(dǎo)管進(jìn)行成孔。為了防止風(fēng)雨振，斜拉索外表設(shè)螺旋線或壓花護(hù)套。

3.5 主塔基礎(chǔ)

采用鉆孔樁基礎(chǔ)，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(biāo)高定為+3.0 m。

3.6 方案實(shí)施

基礎(chǔ)采用鉆孔樁，插打鋼護(hù)筒搭設(shè)平臺進(jìn)行鉆孔施工；承臺采用套箱圍堰施工；主塔采用常規(guī)方法翻模爬升施工，分段澆注。

上層鋼箱梁采用工廠預(yù)制，預(yù)制長度12 m，駁船運(yùn)輸就位。鋼箱梁共41個節(jié)段，其中塔下0＃、1＃節(jié)段在墩旁支架上小塊拼裝，其余節(jié)段利用架梁吊機(jī)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(xiàn)澆，其他部位主梁采用預(yù)制場預(yù)制，預(yù)制節(jié)段長3.6 m，寬33.7 m，預(yù)制節(jié)段共113個。預(yù)制梁吊段重量控制在220 t以內(nèi)，預(yù)制節(jié)段采用運(yùn)輸船運(yùn)輸，橋面吊機(jī)吊裝。節(jié)段吊裝就位后利用環(huán)氧樹脂膠拼。主梁拼裝完成后，滯后30 m現(xiàn)澆兩側(cè)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(jié)構(gòu)分析

4.1 主梁扭轉(zhuǎn)分析

上層鋼箱梁載汽車活載一側(cè)滿載的最不利工況下最大扭轉(zhuǎn)角為0.007 rad，相當(dāng)于0.7%橫坡；下層混凝土箱梁最大扭轉(zhuǎn)角為0.003 rad，相當(dāng)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(fēng)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(tài)和主要的施工狀態(tài)的動力特性進(jìn)行分析。設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速和橋梁斷面的顫振臨界風(fēng)速見表1。

表1 顫振臨界風(fēng)速及檢驗風(fēng)速

雙層主梁斜拉橋方案的顫振穩(wěn)定性足以滿足橋址處的抗風(fēng)要求，且抗風(fēng)安全性等級較高。陣風(fēng)荷載的計算結(jié)果表明，橋塔在100 a一遇的大風(fēng)作用下，強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，雙層主梁斜拉橋在風(fēng)荷載作用下安全。

4.3 結(jié)構(gòu)抗震

抗震分析采用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的地震動加速度反應(yīng)譜。地震基本烈度為6度，設(shè)計烈度取7度，重要性系數(shù)取1.7，綜合影響系數(shù)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(jié)構(gòu)的動力性能良好，結(jié)構(gòu)各部位的地震響應(yīng)均在設(shè)計允許范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)具有較高抗震能力。

5 方案進(jìn)一步演變

主塔索錨區(qū)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(diào)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(jié)論

在體現(xiàn)雙層橋梁共建優(yōu)勢的前提下，構(gòu)思了獨(dú)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(yùn)營管理與養(yǎng)護(hù)維修。經(jīng)過結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計思路，對今后類似工程具有參考意義。