黃森華

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)過江通道的集約利用、實(shí)現(xiàn)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(dān)較大的交通量，實(shí)現(xiàn)區(qū)域交通和過境交通的分層設(shè)計(jì)，交通組織功能較好。隨著城市快速發(fā)展，出現(xiàn)了不少的雙層公路橋梁，但目前對(duì)雙層公路橋的設(shè)計(jì)尚無明確的規(guī)范進(jìn)行指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

本文對(duì)常規(guī)雙層公路橋的荷載取值和組合進(jìn)行分析，為該類型橋梁設(shè)計(jì)提供一定的參考和借鑒。

1 常規(guī)雙層橋總體設(shè)計(jì)

合建橋梁常用的斷面布置方式有共梁雙層、共梁?jiǎn)螌?、分梁共墩、分梁分墩共基礎(chǔ)等[1]，如圖1～圖4所示。

圖1 共梁雙層

圖2 共梁?jiǎn)螌?/p>

圖3 分梁共墩

圖4 分梁分墩共基礎(chǔ)

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(dú)立的主梁上，共用橋墩。

本文重點(diǎn)介紹多用于常規(guī)橋的分梁共墩的斷面布置。

1.1 常規(guī)雙層橋斷面及下部結(jié)構(gòu)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(guó)內(nèi)雙層交通共線設(shè)計(jì)中，上層為高速公路、下層為城市道路的居多，當(dāng)然也有上、下兩層均為高速公路的設(shè)計(jì)。雙層下部結(jié)構(gòu)的斷面形式與上、下層通行的寬度需求密切相關(guān)。斷面及下部結(jié)構(gòu)形式常選用獨(dú)柱墩式、雙柱墩式和三柱墩式。

表1 常規(guī)雙層橋常用斷面及下部結(jié)構(gòu)形式

對(duì)于雙層橋，第一層高度的選擇往往與通行需求、當(dāng)?shù)鼐坝^、居住采光等因素相關(guān)，在滿足功能需求且具備經(jīng)濟(jì)性條件下，第一層層高多數(shù)選擇為7m，當(dāng)然也有要求具備設(shè)置人行天橋凈空的需求，此時(shí)層高選擇需達(dá)到9m。

第二層高度的選擇與上部結(jié)構(gòu)的施工工藝(例如考慮吊裝架設(shè)空間需達(dá)到8m左右)、檢修空間、行車視距、通行安全、交通標(biāo)志牌布設(shè)空間等因素相關(guān)。

圖5 雙層常規(guī)橋(第一層高度h1和第二層高度h2示意)

1.1.1 獨(dú)柱墩式

獨(dú)柱墩式下部結(jié)構(gòu)主要為采用“干”字形的方案，下層交通布設(shè)于獨(dú)柱懸挑的兩側(cè)。獨(dú)柱墩式多用于城市高架橋中，適應(yīng)于對(duì)橋下通行空間較為有限的場(chǎng)合，其優(yōu)點(diǎn)是橋墩數(shù)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(dú)柱墩來承擔(dān)，且橫向地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)較大，墩底受力較為不利[2]。

圖6 “干”字形獨(dú)柱橋墩、單墩大懸挑橫梁、F形單柱式雙層共構(gòu)橋墩

例如：上海閔浦二橋引橋上部結(jié)構(gòu)為40m跨徑的簡(jiǎn)支小箱梁(橋面連續(xù))，下部結(jié)構(gòu)為獨(dú)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(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，橋墩均設(shè)置于內(nèi)、外幅匝道之間，內(nèi)、外幅箱梁通過大懸挑橫梁與橋墩連為一體，實(shí)現(xiàn)墩梁固結(jié)[3]；臺(tái)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(gòu)橋墩設(shè)計(jì)[4]。

1.1.2 雙柱墩式

雙柱墩式受力簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)采用30m跨PC梁，下部結(jié)構(gòu)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(jiǎn)支轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連續(xù)箱梁，下部采用雙矩形柱式墩[6]；東莞市某雙層橋，投標(biāo)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(dāng)上層和下層的車道數(shù)量達(dá)到6車道及以上時(shí)，雙層下部結(jié)構(gòu)的斷面形式較多選擇采用三柱框架墩。例如：國(guó)內(nèi)建成的楊泗港長(zhǎng)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(jié)構(gòu)采用30m跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，下部結(jié)構(gòu)采用橫向三柱式橋墩布設(shè)的雙層斷面[7-8]。

圖8 三柱墩式雙層斷面

1.2 常規(guī)雙層橋上部結(jié)構(gòu)形式及跨徑

雙層橋可選的上部結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)：施工簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性較好。

(2)混凝土連續(xù)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(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)：吊裝重量輕、結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)：吊裝重量輕、結(jié)構(gòu)較輕、較為美觀、抗震性能較好。

(5)整體式斷面的桁式結(jié)構(gòu)(例如滬通長(zhǎng)江大橋引橋、廣州明珠灣大橋引橋)，優(yōu)點(diǎn)：橋梁可適應(yīng)較大跨越能力需求。

上部結(jié)構(gòu)跨徑的選取與跨越地形地物、結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性、施工組織以及周邊環(huán)境等因素相關(guān)，范圍選擇可在30～100m。對(duì)于陸上無特殊跨越需求的，可選擇PC小箱梁、PC連續(xù)箱梁。對(duì)于跨河跨堤的橋梁，跨越能力增大，上部結(jié)構(gòu)可采用組合梁、鋼箱梁和鋼桁梁等結(jié)構(gòu)。

表2 雙層引橋上部結(jié)構(gòu)跨徑和結(jié)構(gòu)形式

1.3 常規(guī)雙層橋施工方案

雙層橋的施工組織復(fù)雜，施工有效工作面小，若采用常規(guī)的單層橋梁施工方法，存在常規(guī)的架橋機(jī)高度在第二層架設(shè)過程中受限，且現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械多、支架搭設(shè)難度大、施工順序繁瑣等問題，對(duì)結(jié)構(gòu)施工組織、施工措施、施工方法、施工機(jī)械設(shè)備等提出新的挑戰(zhàn)。

雙層公路橋上部結(jié)構(gòu)的施工方案有：架橋機(jī)架設(shè)、滿堂支架現(xiàn)澆、預(yù)制節(jié)段拼裝、頂推、對(duì)稱懸拼等。下部結(jié)構(gòu)主要為蓋梁的施工。

表3 雙層引橋上部結(jié)構(gòu)施工方案

1.3.1 架橋機(jī)架設(shè)

當(dāng)下層凈空滿足時(shí)(至少8m凈空)可采用架橋機(jī)同時(shí)架設(shè)上、下層預(yù)制梁。

當(dāng)下層凈空不足時(shí)可采用高低吊的方法完成架設(shè)：下層箱梁通過公路橋面運(yùn)輸，每孔在架設(shè)時(shí)，先安裝下層箱梁，再安裝上層箱梁[9]。

圖9 架橋機(jī)同時(shí)架設(shè)上、下層預(yù)制梁

圖10 PC小箱梁架橋機(jī)吊裝架設(shè)(傾斜架設(shè)下層主梁)

1.3.2 滿堂支架現(xiàn)澆

滿堂支架先施工下層箱梁。下層箱梁達(dá)到強(qiáng)度并張拉鋼束后，搭設(shè)支架，現(xiàn)澆上層箱梁。

圖11 滿堂支架現(xiàn)澆

1.3.3 預(yù)制節(jié)段拼裝

PC連續(xù)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(shè)臨時(shí)墩，架設(shè)上層首跨箱梁節(jié)段進(jìn)行拼裝。

(2)依次架設(shè)上層箱梁節(jié)段進(jìn)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(jié)段梁架設(shè)斷面

圖14 上層節(jié)段梁架設(shè)斷面

1.3.4 頂推

對(duì)于鋼-砼組合梁，上部結(jié)構(gòu)常用的施工方案可選整孔頂推。

1.3.5 對(duì)稱懸拼

對(duì)于鋼桁梁，上部結(jié)構(gòu)施工可采用雙懸臂對(duì)稱拼裝[10]。

圖15 鋼-砼組合梁頂推施工

圖16 鋼桁梁雙懸臂對(duì)稱懸拼

1.3.6 蓋梁施工

常規(guī)雙層公路橋的蓋梁施工可采用橫向少支架現(xiàn)澆蓋梁[11]。

圖17 橫向少支架現(xiàn)澆蓋梁

也可采用斜拉支架法施工：下層墩身施工→搭設(shè)斜拉支架，施工下層蓋梁→上層墩身施工→搭設(shè)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(guó)內(nèi)單層橋蓋梁有采用全預(yù)制拼裝的方案，墩柱與承臺(tái)、蓋梁與墩柱間采用灌漿套筒連接，尚無雙層橋蓋梁采用預(yù)制拼裝的實(shí)例。若雙層橋下部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制拼裝，則可能出現(xiàn)較多的拼接節(jié)段，受力及施工均較為復(fù)雜；對(duì)于地震高烈度地區(qū)，不建議采用預(yù)制拼裝下部結(jié)構(gòu)。

圖19 橋墩、蓋梁采用預(yù)制拼裝

2 荷載取值及荷載組合

2.1 荷載取值

目前國(guó)內(nèi)對(duì)雙層公路橋梁荷載取值無明確的規(guī)范可查閱，對(duì)于公軌、公鐵合建橋梁可查閱的規(guī)范：

(1)《城市道路與軌道交通合建橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 242-2016)。

(2)《城市軌道交通橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 51234-2017)。

(3)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002-2017)。

(4)《公路與鐵路兩用橋梁通用技術(shù)要求》(JT/T 1046-2019)。

對(duì)于雙層公路橋大部分荷載的取值可按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60-2015取值，但對(duì)如下列舉的有別于單層橋梁的荷載取值則有必要進(jìn)行重點(diǎn)分析和研究：活載、溫度作用、風(fēng)荷載、疲勞荷載等。

2.1.1 活載

目前國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)公軌共用、公鐵共用的活載取值有具體的規(guī)定，見表1。

表1 國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)公軌共用、公鐵共用的活載取值規(guī)定

國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)公軌共用、公鐵共用的活載取值依據(jù)見表2。

表2 公軌共用、公鐵共用活載規(guī)范取值依據(jù)

因?yàn)楣菲嚭奢d并不連續(xù)，多線雙層同時(shí)滿載的可能性極少，即便偶爾有這種情況出現(xiàn)，加載速度也不快，所以公路雙層橋在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到滿載設(shè)計(jì)應(yīng)力是幾乎不可能出現(xiàn)的。

對(duì)于雙層公路橋，雖然上下層同時(shí)出現(xiàn)最不利活載的可能性較小(我國(guó)規(guī)范汽車荷載的標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，選取了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)(100年)最大值概率分布的0.95分位值，若按概率分布應(yīng)進(jìn)行折減)，考慮到折減部分活載占總荷載比重小(對(duì)于常規(guī)雙層公路PC小箱梁，活載占比約為28%；對(duì)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(nèi))，并且上層公路交通與下層公路交通完全獨(dú)立。

雙層公路橋活載取值建議：(1)當(dāng)缺乏統(tǒng)計(jì)資料時(shí)，可偏安全將上、下層汽車荷載效應(yīng)直接疊加，不作折減；(2)特殊情況時(shí)，活載的組合多線折減系數(shù)宜進(jìn)行專題研究。

2.1.2 溫度作用

應(yīng)同時(shí)考慮均勻溫度作用和梯度溫度作用引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，上層橋溫度與下層橋溫度有區(qū)別。

2.1.2.1 均勻溫度

體系溫差應(yīng)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》計(jì)算。

2.1.2.2 豎向梯度溫度

豎向梯度溫差效應(yīng)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》計(jì)算。

2.1.2.3 構(gòu)件間的溫差

(1)拉索、吊桿等鋼構(gòu)件與梁、塔、拱肋等混凝土構(gòu)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(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10091-2017)第4.1.3條：板桁組合結(jié)構(gòu)應(yīng)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(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)表明，橋面板結(jié)構(gòu)與主桁結(jié)構(gòu)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?，F(xiàn)有規(guī)范對(duì)混凝土箱梁和鋼箱梁有明確的取值，但對(duì)于鋼桁梁仍無明確的取值規(guī)定。

2.1.3 風(fēng)荷載

雙層公路橋風(fēng)荷載取值應(yīng)按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/T3360-01-2018取值。

(1)與汽車荷載組合的W1風(fēng)作用：①重現(xiàn)期10年(即10年超越概率65.1%的設(shè)計(jì)風(fēng)速);②當(dāng)按①確定的主梁上的風(fēng)速值大于25m/s時(shí)，取25m/s。

(2)不與汽車荷載組合的W2風(fēng)作用：重現(xiàn)期100年(即100年超越概率63.2%的設(shè)計(jì)風(fēng)速)。

雙層公路橋與汽車荷載組合風(fēng)荷載取值建議：按上、下層均為有車風(fēng)速25m/s進(jìn)行考慮。

2.1.4 疲勞荷載

《公路與鐵路兩用橋梁通用技術(shù)要求》(JT/T 1046-2019)第5.3.6條：對(duì)同時(shí)承受公路荷載和鐵路荷載的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 242-2016)第4.3.7條：對(duì)同時(shí)承受城市道路與軌道交通荷載的結(jié)構(gòu)宜開展專題研究確定疲勞荷載。

對(duì)雙層公路橋，目前國(guó)內(nèi)的規(guī)范尚沒有規(guī)定雙層疲勞車的加載方式，建議對(duì)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(shè)計(jì)方法

公鐵兩用橋梁，根據(jù)《公路與鐵路兩用橋梁通用技術(shù)要求》(JT/T 1046-2019)規(guī)定：公鐵兩用橋梁結(jié)構(gòu)中同時(shí)承受公路和鐵路荷載的構(gòu)件應(yīng)同時(shí)滿足容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)要求，對(duì)僅承受公路荷載的構(gòu)件可僅滿足極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)要求。

城市道路與軌道交通合建橋梁，根據(jù)《城市道路與軌道交通合建橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 242-2016)規(guī)定：城市道路及軌道交通合建橋梁(除僅承擔(dān)軌道交通的主梁)的設(shè)計(jì)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法(公路規(guī)范采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，更為先進(jìn)、可靠，在目前的技術(shù)發(fā)展條件下，對(duì)于同時(shí)承受城市道路及軌道交通荷載的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用公路規(guī)范是合理的)。

建議對(duì)雙層公路橋，采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。

2.2.2 驗(yàn)算內(nèi)容

雙層公路橋涵結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)：

(1)對(duì)持久設(shè)計(jì)狀況和短暫設(shè)計(jì)狀況應(yīng)采用作用的基本組合。

(2)對(duì)偶然設(shè)計(jì)狀況應(yīng)采用作用的偶然組合。

(3)對(duì)地震設(shè)計(jì)狀況應(yīng)采用地震組合。

雙層公路橋涵結(jié)構(gòu)按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)：采用作用頻遇組合、作用準(zhǔn)永久組合。

建議對(duì)于雙層公路橋，各種荷載組合中所需的作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)、組合系數(shù)、頻遇值系數(shù)、準(zhǔn)永久值系數(shù)等均按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》 JTGD60的規(guī)定取值。

3 需進(jìn)一步深入研究和探討的問題

(1)抗震分析。相對(duì)于單層橋墩，雙層高架橋橋墩在遭受橫向地震作用時(shí)，受力非常復(fù)雜，結(jié)構(gòu)潛在的塑性鉸區(qū)域可能多達(dá)8個(gè)，在結(jié)構(gòu)達(dá)到延性能力之前有可能先發(fā)生結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的問題。

設(shè)計(jì)超出了現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用范圍，建議進(jìn)行專門研究。

(2)高烈度區(qū)上部結(jié)構(gòu)輕型化。對(duì)于雙層橋結(jié)構(gòu)，尤其是上部結(jié)構(gòu)采用混凝土結(jié)構(gòu)的雙層橋，自重大，質(zhì)量重心高，上下層之間的地震響應(yīng)會(huì)有相互干擾和放大的效應(yīng)，使得其地震響應(yīng)遠(yuǎn)比普通橋梁大且復(fù)雜；當(dāng)處于地震高烈度區(qū)，雙層橋上部結(jié)構(gòu)不宜采用混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)重視上部結(jié)構(gòu)的輕型化設(shè)計(jì)，可選用受力性能較好的鋼-砼組合梁。

(3)防災(zāi)減災(zāi)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于雙層橋的防火問題研究較少，建議重視雙層橋的抗火設(shè)計(jì)。