市政雙層交通橋梁結構體系選型

楊廣安

［上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海市200125］

0 引 言

隨著中國經濟的發展，土地資源的稀缺及橋梁建設用地緊張的日趨突出，同時交通流量的快速增長，造成多數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計是較佳方案[1]。

目前雙層交通橋梁這類結構形式的設計方法和力學性能暫無一套完整的知識體系，對目前實際工程中雙層交通體系橋梁進行一系列的梳理、總結與拓展有著較強的工程實踐意義。

1 結構體系選型

雙層橋梁結構體系的選型在滿足交通功能需求及相關設計規范的前提下尚應注意以下幾個方面：

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

（2）斷面上機動車道的空間位置及數量一般由總體交通需求確定，結構體系設計對其優化調整的空間不大，而非機動車道尤其是人行道空間位置的優化調整空間較大，可根據體系受力合理性或景觀需求進行較大的突破。

（3）結構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、對現狀交通的影響等均會影響到結構體系的選擇。

（4）非機動車道縱坡宜小于2.5%，大于或等于2.5%時，應按規定限制坡長，但最大不超過3.5%[2]。若超過3.5%則不能騎行，只能推行，橋梁結構體系選型時應優先考慮騎行。

梁橋、拱橋、斜拉橋及懸索橋等常見橋梁結構體系，除去主梁外其他的上部構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，雙層交通橋梁結構的實現主要是通過主梁形式的變體去實現。

1.1 上層機動車道+下層機動車道

一般而言，人非荷載低于機動車荷載，機動車道荷載作為橋梁結構的主要荷載，其布置位置應直接位于主梁的主體位置，而人非荷載可通過其他結構措施附加于主梁主體結構上。對于上下層均布置機動車道的雙層橋梁，其主梁從結構受力方面考慮可采用梁體系和桁架體系。

1.1.1 梁體系

對于梁體系雙層橋梁，結合實際工程案例，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，采用雙層橋梁結構，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

此種體系結構布置緊湊，在鐵路橋梁中使用較多，一般應用在布墩區綠化帶相對較寬的工程中。根據上下層橋面的相對寬度不同，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構，且橋墩為整體布置，對于施工期間不斷交需翻交施工的工程應用受限。

（2）品字形雙層梁體系

一般城市高架在跨越河道時，中幅主線高架沿用與地面段相同的結構布置，高架兩側地面道路幅以獨立橋梁結構形式布置于中幅主線高架兩側，從而衍生出品字形雙層梁體系（見圖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立，三幅橋自成體系。其與兩側接線高架或地面道路銜接方便，也可滿足翻交施工的需求，但由于下部結構類別較多，施工繁瑣。

（3）巨型箱形梁體系

對于梁體系，主梁可采用寬大扁平的箱型截面作為承重構件，并利用箱室頂底板形成雙層橋面。

澳門西灣大橋主橋為雙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，箱內通行輕軌，臺風來臨時，關閉橋面，改由箱內通行汽車。為滿足箱體內部的通風機采光要求，箱室腹板上每隔8 m加開窗洞[3]，見圖3。

圖3 巨型箱形梁體系雙層梁斷面圖（單位：cm）

因箱內通車，此巨型箱形截面梁無法設置常規橫隔板且需在腹板上大規模開孔，其整體受力性能、橫向內力、剪力滯后效應、扭轉畸變及腹板孔洞引起的局部應力集中等一系列關鍵問題尚需進行專門研究[4]。

（4）異形墩雙層梁體系

若有其他邊界約束條件無法布置門墩體系時，也可采用其他異形高低墩解決。如臺北某工程在現狀道路一側需增設寬約35 m的雙向交通，但可供布墩范圍局限在現狀地面道路與河道間寬僅13 m的狹長空間內，最終采用雙層箱梁+異形墩的結構體系方案（見圖4）。

圖4 異形墩雙層梁體系斷面圖

此種體系下部結構為異形構造，受力較復雜，且不便工廠化預制拼裝施工，故僅在特殊情況下才予考慮。

1.1.2 桁架體系

對于桁架體系，鋼桁梁或組合桁梁作為承重構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。

蘇州市斜港大橋為全鋼結構桁架式梁拱組合結構，是蘇州市第一座雙層鋼結構橋梁。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[5]，見圖5。

圖5 桁梁體系雙層梁斷面圖（單位：cm）

若上下層有非機動車道，則可將其以挑梁布置在下弦桿外側，由于挑梁結構高度一般小于弦桿，因此還可通過挑梁高程的調整（下層機動車道與人非道相對錯層）來進一步減小非機動車道的縱坡，改善行車舒適度。

綜上，總結歸納上下層均布置機動車道的雙層橋梁結構體系演變模式見圖6。

圖6 上下層均布置機動車道雙層橋體系演變圖

通過對比，梁體系與桁架體系在其適用性上分別有以下一些特點：

（1）箱梁體系（巨型箱梁體系除外）的適用跨徑范圍較大，常見市政橋梁中小跨徑和節點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濟性考慮一般適用于80 m以上跨越河道的大跨橋梁。

（2）桁架體系下層弦桿結構高度小于梁體系下層主梁結構高度，在跨越河道時可減小引橋規模、降低下層非機動車道縱坡進而改善行車舒適度，故在對結構高度受限的條件下可優先采用桁架體系。

1.2 上層機動車道+下層人非車道

（1）箱梁外掛體系

當下層僅有荷載相對較小的人非通行時，可將人非通道布置于主梁外腹板底部兩側。

崧澤高架路西延伸工程油墩港橋主橋即采用此種體系。主橋橋面層為機動車道，兩側挑臂分別下掛非機動車道和人行道，在引橋側通過梯坡道落地。主橋下掛人非橋吊桿位置設置加勁橫梁，間距3.0～3.5 m，通過剛性吊桿連接下掛鋼結構縱橫梁構成人非橋面[6]，見圖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箱梁，主梁結構高度一般宜大于3 m。對于局部梁高不滿足處也可在橋下凈空富裕時通過特殊構造將人非車道布置在主體箱梁底板以下。

（2）桁梁體系

對于桁梁體系，其結構體系與上下層均為機動車的桁梁體系類似，由于下層人非一般所需寬度小于上層機動車道寬度，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構體系，其為徐匯濱江公共開放空間中的一座橋梁，以動物脊梁為原型，通過形象特征幾何抽象化后設計成雙層橋面變截面連續鋼桁梁，倒梯斷面，上層橋面為機動車道，總寬25 m，下層橋面為人行通道，凈寬12.6～13.6 m，為來往游客提供了一個明亮、舒適的休閑空間[7]，見圖8。

圖8 桁梁體系雙層梁斷面圖（單位：cm）

綜上，總結歸納上層機動車道+下層人非車道的雙層橋梁結構體系演變模式見圖9。

圖9 上層機動車道+下層人非道雙層橋體系演變圖

1.3 上層人非車道+下層機動車道

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。

下層機動車道一般布置于橋梁核心受力區，若上層人非車道的布置獨立于下層橋面單獨設置橋墩使之成為獨立結構，則經濟性差。因此一般通過結構構造措施將上層人非道依附于下層橋梁核心受力區之上。

（1）索承結構體系

通過拉索支承上部人非車道。如綿陽三江大橋，即采用此種人、車分離的設計理念，見圖10。上下層主梁完全分離，上層主梁通過上橋塔橫梁置于下層主梁一側上方，上下層主梁各自通過斜拉索與倒Y形橋塔連接，且將傳統人行道設計改為獨立的“S”形曲線梁跨越江面并實現與堤岸接駁[8]。

圖10 綿陽三江大橋實景圖

（2）桁架體系

對于桁架結構體系，下層布置機動車道，上層弦桿及平聯簡單改造后即可布置人非機動車道，此類桁架布置形式暫未見實際工程案例。

綜上，總結歸納上層人非道+下層機動車道的雙層橋梁結構體系演變模式見圖11。

圖11 上層人非+下層機動車雙層橋體系演變圖

2 實例分析

2.1 概況

浦東運河橋為龍東大道改建工程重要節點之一，浦東運河下穿龍東大道段為南北走向，目前屬Ⅶ級航道，寬約37 m；規劃河口寬85 m，Ⅲ級航道，橋梁需一跨過河。

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

橋位處現狀老橋橫向四幅設置，中間兩幅為雙向6車道機動車道T梁，斜交約10°；兩側兩幅為正交65 m跨簡支鋼管混凝土拱人非橋，見圖12。

圖12 浦東運河現狀橋梁實景圖

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

2.2 橋梁主要技術標準

（1）設計荷載：汽車 城—A級，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準橋寬25 m，地面橋雙向六車道（2×12 m）+雙側非機動車道及人行道（2×6 m）；

（3）地震基本烈度：7度；峰值加速度：0.1g。

2.3 結構體系選

根據交通規劃上層6車道高架，下層雙向6車道機動車道+人非車道，兩側接線引橋與龍東大道全線標準段一致采用預制小箱梁的結構形式，截面整體呈“品”字型，見圖13。

圖13 浦東運河引橋標準斷面圖（單位：cm）

由前文可知，本橋屬于上下層均有機動車道的斷面形式，浦東運河橋主橋結構體系選型可采用如下思路，見圖14。

圖14 結構體系演化示意圖

據此結構體系演化思路考慮以下兩種方案：

（1）連續鋼箱梁

主橋采用80 m+120 m+80 m變截面連續鋼箱梁方案，主橋采用品字形斷面能與引橋無縫銜接，見圖15。

圖15 鋼箱方案標準斷面圖（單位：cm）

但由于引橋兩側地面路口限制，引橋坡長受限，根據鋼箱梁結構高度要求，下層橋面縱坡達到5.5%，勢必導致非機動車無法騎行。

（2）簡支雙層鋼桁梁

主橋采用跨徑布置為120 m的單跨簡支鋼桁梁，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%。下層桁架外側設置6 m挑臂布置人非道，將挑臂根部底緣與下弦桿底緣對齊，進一步將人非道縱坡降至3.0%，滿足了非機動車騎行需求，見圖16、圖17。

圖16 鋼桁梁方案立面圖（單位：cm）

圖17 鋼桁梁方案標準斷面圖（單位：cm）

考慮到施工期間現狀交通不能中斷，橫橋向將鋼桁梁分兩幅布置，通過翻交拖拉施工，確保了施工期間現狀交通的順利通行。

綜上所述，簡支雙層鋼桁梁方案相對于連續鋼箱梁方案有如下優點：

（1）充分利用高架與地面橋所占用的空間，結構布置緊湊，簡支靜定結構，受力簡潔；

（2）施工便捷、工期短，施工期間對現狀交通干擾小；

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

故120 m跨簡支雙層鋼桁梁方案作為浦東運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 結語

雙層交通橋梁結構體系的選型是市政橋梁工程前期總體方案設計階段需著重進行的工作內容，橋梁設計人員可結合前文歸納總結的演化思路，基于對橋梁力學、工程材料、施工技術、交通組織等方面的深刻理解與認識來綜合比選確定。