常規雙層公路橋總體設計、荷載取值及荷載組合分析

黃森華

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司, 廣州 510507)

0 引言

雙層橋梁可充分合理利用土地、岸線和空間，實現過江通道的集約利用、實現多種交通過江的需求。目前常見的雙層橋梁為公鐵、公軌共用，一般上層為公路，接兩岸高速公路、城市快速路；下層為鐵路、輕軌、市政道路，接兩岸的鐵路線、輕軌線、市政路線。雙層橋梁可承擔較大的交通量，實現區域交通和過境交通的分層設計，交通組織功能較好。隨著城市快速發展，出現了不少的雙層公路橋梁，但目前對雙層公路橋的設計尚無明確的規范進行指導設計。

本文對常規雙層公路橋的荷載取值和組合進行分析，為該類型橋梁設計提供一定的參考和借鑒。

1 常規雙層橋總體設計

合建橋梁常用的斷面布置方式有共梁雙層、共梁單層、分梁共墩、分梁分墩共基礎等[1]，如圖1～圖4所示。

圖1 共梁雙層

圖2 共梁單層

圖3 分梁共墩

圖4 分梁分墩共基礎

共梁雙層的主梁采用雙層橋面，兩層交通分別布置在上層和下層橋面(多用于特大橋、斷面多為桁梁)。

分梁共墩的上層和下層交通分別布置在梁片獨立的主梁上，共用橋墩。

本文重點介紹多用于常規橋的分梁共墩的斷面布置。

1.1 常規雙層橋斷面及下部結構形式

高速公路的寬度通常為雙向4車道、6車道和8車道；城市道路的寬度大部分為雙向4車道、6車道。國內雙層交通共線設計中，上層為高速公路、下層為城市道路的居多，當然也有上、下兩層均為高速公路的設計。雙層下部結構的斷面形式與上、下層通行的寬度需求密切相關。斷面及下部結構形式常選用獨柱墩式、雙柱墩式和三柱墩式。

表1 常規雙層橋常用斷面及下部結構形式

對于雙層橋，第一層高度的選擇往往與通行需求、當地景觀、居住采光等因素相關，在滿足功能需求且具備經濟性條件下，第一層層高多數選擇為7m，當然也有要求具備設置人行天橋凈空的需求，此時層高選擇需達到9m。

第二層高度的選擇與上部結構的施工工藝(例如考慮吊裝架設空間需達到8m左右)、檢修空間、行車視距、通行安全、交通標志牌布設空間等因素相關。

圖5 雙層常規橋(第一層高度h1和第二層高度h2示意)

1.1.1 獨柱墩式

獨柱墩式下部結構主要為采用“干”字形的方案，下層交通布設于獨柱懸挑的兩側。獨柱墩式多用于城市高架橋中，適應于對橋下通行空間較為有限的場合，其優點是橋墩數量少，行車視野通透；但懸臂根部受力較大，橋梁的橫向偏心荷載靠獨柱墩來承擔，且橫向地震作用下結構響應較大，墩底受力較為不利[2]。

圖6 “干”字形獨柱橋墩、單墩大懸挑橫梁、F形單柱式雙層共構橋墩

例如：上海閔浦二橋引橋上部結構為40m跨徑的簡支小箱梁(橋面連續)，下部結構為獨柱“干”字形橋墩，上層為公路橋面，下層為軌道交通橋面[2]；重慶涪陵烏江二橋螺旋匝道采用單墩大懸挑橫梁整體連續結構設計，橋墩均設置于內、外幅匝道之間，內、外幅箱梁通過大懸挑橫梁與橋墩連為一體，實現墩梁固結[3]；臺灣省中山高速公路五股-楊梅段拓寬工程采用F形單柱式共構橋墩設計[4]。

1.1.2 雙柱墩式

雙柱墩式受力簡單，整體性好，也有采用雙柱“干”字形大挑臂橋墩方案。

例如：武罐高速公路洛塘河雙層高架特大橋上部結構采用30m跨PC梁，下部結構采用雙柱式框架式橋墩[5]；大連星海灣跨海大橋引橋上部采用50m跨簡支轉結構連續箱梁，下部采用雙矩形柱式墩[6]；東莞市某雙層橋，投標推薦方案采用雙柱“干”字形大挑臂橋墩。

圖7 雙柱“干”字形中央大挑臂雙柱墩

1.1.3 三柱墩式

當上層和下層的車道數量達到6車道及以上時，雙層下部結構的斷面形式較多選擇采用三柱框架墩。例如：國內建成的楊泗港長江大橋引橋、東莞東江大橋引橋，以及正在施工的溫州甌江北口大橋引橋上部結構采用30m跨預應力混凝土連續梁，下部結構采用橫向三柱式橋墩布設的雙層斷面[7-8]。

圖8 三柱墩式雙層斷面

1.2 常規雙層橋上部結構形式及跨徑

雙層橋可選的上部結構形式主要有：

(1)裝配式混凝土小箱梁(例如洛塘河高架橋、上海閔浦二橋上層引橋)，優點：施工簡單、經濟性較好。

(2)混凝土連續箱梁(例如東莞東江大橋引橋、楊泗港大橋引橋、溫州甌江北口大橋引橋)，優點：結構較為美觀。

(3)鋼箱梁(例如楊泗港大橋引橋、日本神戶高架橋)，優點：吊裝重量輕、結構較輕、抗震性能較好、適用于各種變寬褲衩交匯位置。

(4)鋼-混組合梁(例如汕頭市牛田洋大橋引橋、溫州甌江北口大橋引橋)，優點：吊裝重量輕、結構較輕、較為美觀、抗震性能較好。

(5)整體式斷面的桁式結構(例如滬通長江大橋引橋、廣州明珠灣大橋引橋)，優點：橋梁可適應較大跨越能力需求。

上部結構跨徑的選取與跨越地形地物、結構經濟性、施工組織以及周邊環境等因素相關，范圍選擇可在30～100m。對于陸上無特殊跨越需求的，可選擇PC小箱梁、PC連續箱梁。對于跨河跨堤的橋梁，跨越能力增大，上部結構可采用組合梁、鋼箱梁和鋼桁梁等結構。

表2 雙層引橋上部結構跨徑和結構形式

1.3 常規雙層橋施工方案

雙層橋的施工組織復雜，施工有效工作面小，若采用常規的單層橋梁施工方法，存在常規的架橋機高度在第二層架設過程中受限，且現場施工機械多、支架搭設難度大、施工順序繁瑣等問題，對結構施工組織、施工措施、施工方法、施工機械設備等提出新的挑戰。

雙層公路橋上部結構的施工方案有：架橋機架設、滿堂支架現澆、預制節段拼裝、頂推、對稱懸拼等。下部結構主要為蓋梁的施工。

表3 雙層引橋上部結構施工方案

1.3.1 架橋機架設

當下層凈空滿足時(至少8m凈空)可采用架橋機同時架設上、下層預制梁。

當下層凈空不足時可采用高低吊的方法完成架設：下層箱梁通過公路橋面運輸，每孔在架設時，先安裝下層箱梁，再安裝上層箱梁[9]。

圖9 架橋機同時架設上、下層預制梁

圖10 PC小箱梁架橋機吊裝架設(傾斜架設下層主梁)

1.3.2 滿堂支架現澆

滿堂支架先施工下層箱梁。下層箱梁達到強度并張拉鋼束后，搭設支架，現澆上層箱梁。

圖11 滿堂支架現澆

1.3.3 預制節段拼裝

PC連續箱梁采用先下層后上層逐跨拼裝的方案(雙層高度上無阻礙)。

(1)在下層箱梁頂面搭設臨時墩，架設上層首跨箱梁節段進行拼裝。

(2)依次架設上層箱梁節段進行拼裝，完成上層箱梁施工。

圖12 下層箱梁逐跨拼裝

圖13 下層節段梁架設斷面

圖14 上層節段梁架設斷面

1.3.4 頂推

對于鋼-砼組合梁，上部結構常用的施工方案可選整孔頂推。

1.3.5 對稱懸拼

對于鋼桁梁，上部結構施工可采用雙懸臂對稱拼裝[10]。

圖15 鋼-砼組合梁頂推施工

圖16 鋼桁梁雙懸臂對稱懸拼

1.3.6 蓋梁施工

常規雙層公路橋的蓋梁施工可采用橫向少支架現澆蓋梁[11]。

圖17 橫向少支架現澆蓋梁

也可采用斜拉支架法施工：下層墩身施工→搭設斜拉支架，施工下層蓋梁→上層墩身施工→搭設斜拉支架，施工上層蓋梁。

圖18 蓋梁采用斜拉支架法施工

目前國內單層橋蓋梁有采用全預制拼裝的方案，墩柱與承臺、蓋梁與墩柱間采用灌漿套筒連接，尚無雙層橋蓋梁采用預制拼裝的實例。若雙層橋下部結構采用預制拼裝，則可能出現較多的拼接節段，受力及施工均較為復雜；對于地震高烈度地區，不建議采用預制拼裝下部結構。

圖19 橋墩、蓋梁采用預制拼裝

2 荷載取值及荷載組合

2.1 荷載取值

目前國內對雙層公路橋梁荷載取值無明確的規范可查閱，對于公軌、公鐵合建橋梁可查閱的規范：

(1)《城市道路與軌道交通合建橋梁設計規范》(CJJ 242-2016)。

(2)《城市軌道交通橋梁設計規范》(GB/T 51234-2017)。

(3)《鐵路橋涵設計規范》(TB10002-2017)。

(4)《公路與鐵路兩用橋梁通用技術要求》(JT/T 1046-2019)。

對于雙層公路橋大部分荷載的取值可按照《公路橋涵設計通用規范》JTG D60-2015取值，但對如下列舉的有別于單層橋梁的荷載取值則有必要進行重點分析和研究：活載、溫度作用、風荷載、疲勞荷載等。

2.1.1 活載

目前國內規范對公軌共用、公鐵共用的活載取值有具體的規定，見表1。

表1 國內規范對公軌共用、公鐵共用的活載取值規定

國內規范對公軌共用、公鐵共用的活載取值依據見表2。

表2 公軌共用、公鐵共用活載規范取值依據

因為公路汽車荷載并不連續，多線雙層同時滿載的可能性極少，即便偶爾有這種情況出現，加載速度也不快，所以公路雙層橋在極短時間內達到滿載設計應力是幾乎不可能出現的。

對于雙層公路橋，雖然上下層同時出現最不利活載的可能性較小(我國規范汽車荷載的標準值結合實際工程經驗，選取了設計基準期內(100年)最大值概率分布的0.95分位值，若按概率分布應進行折減)，考慮到折減部分活載占總荷載比重小(對于常規雙層公路PC小箱梁，活載占比約為28%；對于大跨雙層公路鋼桁梁橋，活載占比約為20%；折減部分活載占比在5%以內)，并且上層公路交通與下層公路交通完全獨立。

雙層公路橋活載取值建議：(1)當缺乏統計資料時，可偏安全將上、下層汽車荷載效應直接疊加，不作折減；(2)特殊情況時，活載的組合多線折減系數宜進行專題研究。

2.1.2 溫度作用

應同時考慮均勻溫度作用和梯度溫度作用引起的結構效應，上層橋溫度與下層橋溫度有區別。

2.1.2.1 均勻溫度

體系溫差應按《公路橋涵設計通用規范》計算。

2.1.2.2 豎向梯度溫度

豎向梯度溫差效應按《公路橋涵設計通用規范》計算。

2.1.2.3 構件間的溫差

(1)拉索、吊桿等鋼構件與梁、塔、拱肋等混凝土構件之間的溫差宜取±10℃～±15℃；斜拉橋斜拉索與鋼主梁溫差宜取±10℃。

(2)板桁間溫差：根據《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10091-2017)第4.1.3條：板桁組合結構應考慮鋼橋面板與主桁桿件的日照溫度變化不同步的影響。條文說明中對重慶朝天門大橋病害研究表明板和桁之間的最大溫度差為15 ℃；近年來，武漢天興洲及重慶朝天門等幾座橋梁在建造過程中的測量數據表明，橋面板結構與主桁結構存在溫差，溫差大約在5℃～15℃。

2.1.2.4 橫向梯度溫度

四車道以上寬幅無懸臂加勁梁，宜考慮橫橋向梯度溫度作用的影響。現有規范對混凝土箱梁和鋼箱梁有明確的取值，但對于鋼桁梁仍無明確的取值規定。

2.1.3 風荷載

雙層公路橋風荷載取值應按《公路橋梁抗風設計規范》JTG/T3360-01-2018取值。

(1)與汽車荷載組合的W1風作用：①重現期10年(即10年超越概率65.1%的設計風速);②當按①確定的主梁上的風速值大于25m/s時，取25m/s。

(2)不與汽車荷載組合的W2風作用：重現期100年(即100年超越概率63.2%的設計風速)。

雙層公路橋與汽車荷載組合風荷載取值建議：按上、下層均為有車風速25m/s進行考慮。

2.1.4 疲勞荷載

《公路與鐵路兩用橋梁通用技術要求》(JT/T 1046-2019)第5.3.6條：對同時承受公路荷載和鐵路荷載的結構宜開展專題研究確定疲勞荷載。

《城市道路與軌道交通合建橋梁設計規范》(CJJ 242-2016)第4.3.7條：對同時承受城市道路與軌道交通荷載的結構宜開展專題研究確定疲勞荷載。

對雙層公路橋，目前國內的規范尚沒有規定雙層疲勞車的加載方式，建議對雙層公路橋開展專題研究確定疲勞荷載。

2.2 荷載組合

2.2.1 設計方法

公鐵兩用橋梁，根據《公路與鐵路兩用橋梁通用技術要求》(JT/T 1046-2019)規定：公鐵兩用橋梁結構中同時承受公路和鐵路荷載的構件應同時滿足容許應力法和極限狀態法設計要求，對僅承受公路荷載的構件可僅滿足極限狀態法設計要求。

城市道路與軌道交通合建橋梁，根據《城市道路與軌道交通合建橋梁設計規范》(CJJ 242-2016)規定：城市道路及軌道交通合建橋梁(除僅承擔軌道交通的主梁)的設計采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法(公路規范采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法，更為先進、可靠，在目前的技術發展條件下，對于同時承受城市道路及軌道交通荷載的橋梁結構設計采用公路規范是合理的)。

建議對雙層公路橋，采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法。

2.2.2 驗算內容

雙層公路橋涵結構按承載能力極限狀態設計：

(1)對持久設計狀況和短暫設計狀況應采用作用的基本組合。

(2)對偶然設計狀況應采用作用的偶然組合。

(3)對地震設計狀況應采用地震組合。

雙層公路橋涵結構按正常使用極限狀態設計：采用作用頻遇組合、作用準永久組合。

建議對于雙層公路橋，各種荷載組合中所需的作用效應分項系數、組合系數、頻遇值系數、準永久值系數等均按照《公路橋涵設計通用規范》 JTGD60的規定取值。

3 需進一步深入研究和探討的問題

(1)抗震分析。相對于單層橋墩，雙層高架橋橋墩在遭受橫向地震作用時，受力非常復雜，結構潛在的塑性鉸區域可能多達8個，在結構達到延性能力之前有可能先發生結構整體穩定的問題。

設計超出了現有國內外抗震設計規范的應用范圍，建議進行專門研究。

(2)高烈度區上部結構輕型化。對于雙層橋結構，尤其是上部結構采用混凝土結構的雙層橋，自重大，質量重心高，上下層之間的地震響應會有相互干擾和放大的效應，使得其地震響應遠比普通橋梁大且復雜；當處于地震高烈度區，雙層橋上部結構不宜采用混凝土結構，應重視上部結構的輕型化設計，可選用受力性能較好的鋼-砼組合梁。

(3)防災減災。目前國內對于雙層橋的防火問題研究較少，建議重視雙層橋的抗火設計。