一座双层公路桥的设计构思

孔德军

（上海市市政规划设计研究院有限公司，上海市 200031）

1 工程背景

广东某城市快速环路与高速公路在桥址跨越东江南支流，为了共享桥位资源，形成双层桥方案。以该工程为背景，提出一种新型双层公路桥设计思路。

1.1 建设条件

两岸地势平坦，江面宽度约500 m，河床浅平，流速较缓，设有防洪大堤。工程地质勘探表明：覆盖层为第四系地层，基岩由两大类组成，即下古生界混合片麻岩（Pz1）和第三系中新统砂岩，埋深较浅，持力层为微风化岩带，单轴极限抗压强度7～13.5 MPa。

1.2 技术标准

（1）两条道路主要技术标准

高速公路：设计行车速度100 km/h，双向6车道，桥面宽度32.5 m，设计荷载为公路－I级。

城市快速环路：设计行车速度80 km/h，双向6车道，桥面宽度32.5 m，设计荷载为城市A级。

下层桥面行车净空：5.5 m。

（2）设计洪水频率

设计洪水频率1/300，相应设计水位8.244 m（85国家高程，下同）。

（3）通航技术要求

内河三级航道，净高不小于10 m，设计最高通航水位为20 a一遇的洪水位6.600 m。因桥轴线法线方向与水流方向夹角达12°，航道要求采用一孔通航，跨径不小于180 m。

（4）地震：基本烈度Ⅵ度。

1.3 总体布置

大桥分为主桥（高速公路位于上层、快速环路位于下层）、引桥两大部分；引桥又分为双层引桥、单层引桥。双层引桥在平面上分离后，就成为一般的单层桥梁。全桥平面总布置如图1所示。

图1 全桥平面总体布置

2 设计构思

桥址上、下游相距不远处已建多座混凝土梁式桥，为避免景观上的重复，不宜再考虑梁式桥。江面宽度约480 m，满足通航要求的主孔跨度在200 m以上，三跨结构布置较为合理。

钢桁梁是双层桥合理构造基本结构型式。其优点是：杆件规模不大，结构自重轻，起吊重量轻。其缺点也是明显的：杆件、节点类型多，下层桥面通透性差，防腐、养护维修难度大，工程投资规模大，景观上类似铁路桥。

针对钢桁梁方案的缺点，构思中央单索面斜拉桥，上、下层桥面分别采用独立箱梁，共用主塔和基础，下层桥面所需的斜拉索从上层预留钢套管穿过，斜拉索保持相同的斜率，全桥具有最好的通透性和独特的景观效果。

3 方案研究

3.1 桥式布置

该方案采用跨径为120m+240m+120m的3跨双层主梁中央索面斜拉桥（见图2），全长480 m，上层为钢箱梁，下层为混凝土箱梁，主塔为钢筋混凝土结构，斜拉索面扇形布置，上层主梁每塔两侧各8对索，下层主梁各15对索，两层主梁的斜拉索在立面布置上完全重合，视觉上简洁。梁上标准索距，上层钢箱梁约12 m，下层混凝土箱梁7.2 m，全桥共94对、188根。

图2 桥式立面布置（单位：m）

上层塔、梁间设置0号斜拉索，下层塔、梁间设置纵向滑动支座，主梁纵向漂浮，塔、梁之间设置横向限位装置。边墩均设置纵向滑动支座提供竖向约束，设置横向挡块。为了克服负反力，在边墩顶附近主梁内进行压重，上、下层压分别重量约300 t、600 t。

3.2 主梁

（1）上层钢箱梁（见图 3a）

钢梁断面采用展翅型箱形断面，主梁横向两侧悬臂板为开口断面，其余形成一闭合钢箱梁，梁中心线处高3.5 m，顶板宽35.2 m，底板宽14.0 m。顶板厚14 mm，底板厚14～16 mm，钢梁材质Q345qD。箱梁顶、底板采用U形闭口加劲肋，顶、底板U形加劲肋高260 mm，板厚为8 mm。主梁每3.0 m设置一道横隔梁。钢箱梁节段工地连接采用栓焊结合方式。

图3 上、下层主梁横截面图（单位：m）

（2）下层混凝土梁（见图3b）

主梁采用和上层钢箱梁外形类似的倒梯形箱截面展翅梁构造，梁高3.5 m，顶宽35.2 m，底宽14 m。断面为单箱三室截面，两侧悬臂板长4.5 m。横梁间距3.6 m，有索处两边室横梁厚度26 cm，中室因锚固斜拉索的需要，厚度增加至43 cm，无索横梁厚度均为26 cm。主梁混凝土为C50级。

3.3 主塔

主塔为独柱，塔高86.0 m，塔顶高程+89.00 m，塔底高程+3.00 m。主塔顺桥向中、上塔柱截面为矩形，顺桥向塔宽7.0 m，横桥向塔宽4.0 m。主塔锚固区横向塔壁厚1.5 m，纵向塔壁厚0.7 m。中塔柱为实心塔柱；下塔柱为六边形断面，横桥向底宽11.0 m，顺桥向底宽13.0 m。下塔柱顶部设置承托以放置竖向支座。为景观需要，在上塔柱设置有装饰结构。主塔混凝土为C50级。主塔锚固区采用环向预应力锚固方式。图4为主塔构造。

图4 主塔构造（单位：m）

3.4 斜拉索

采用平行钢丝斜拉索体系。塔柱两侧共23对索，其中锚固于下层混凝土主梁15对，锚固于上层钢箱梁8对，同时在上层钢箱梁塔、梁间设置横向稳定索。除最外侧一对索外，锚固在钢箱梁上的其余7对索和锚固于下层主梁斜拉索在立面上重合。锚固在下层混凝土主梁上的斜拉索穿过上层钢箱梁的通道用钢导管进行成孔。为了防止风雨振，斜拉索外表设螺旋线或压花护套。

3.5 主塔基础

采用钻孔桩基础，每个主塔墩共13根钻孔桩，桩径2.5 m，桩长17 m，承台尺寸为长29 m，宽16.5 m，厚4 m。考虑低水位时不露出桩基，承台顶标高定为+3.0 m。

3.6 方案实施

基础采用钻孔桩，插打钢护筒搭设平台进行钻孔施工；承台采用套箱围堰施工；主塔采用常规方法翻模爬升施工，分段浇注。

上层钢箱梁采用工厂预制，预制长度12 m，驳船运输就位。钢箱梁共41个节段，其中塔下0＃、1＃节段在墩旁支架上小块拼装，其余节段利用架梁吊机悬臂吊装。

下层混凝土箱梁在塔墩附近33.6 m长的梁段采用支架现浇，其他部位主梁采用预制场预制，预制节段长3.6 m，宽33.7 m，预制节段共113个。预制梁吊段重量控制在220 t以内，预制节段采用运输船运输，桥面吊机吊装。节段吊装就位后利用环氧树脂胶拼。主梁拼装完成后，滞后30 m现浇两侧0.75 m悬臂板。总工期18个月。图5为施工方案示意图。

图5 施工方案示意图

4 结构分析

4.1 主梁扭转分析

上层钢箱梁载汽车活载一侧满载的最不利工况下最大扭转角为0.007 rad，相当于0.7%横坡；下层混凝土箱梁最大扭转角为0.003 rad，相当于0.3%横坡。全桥有良好的抗扭刚度，满足行车要求。

4.2 抗风分析

采用ANSYS有限元分析软件对双层主梁斜拉桥方案成桥状态和主要的施工状态的动力特性进行分析。设计基准风速和桥梁断面的颤振临界风速见表1。

表1 颤振临界风速及检验风速

双层主梁斜拉桥方案的颤振稳定性足以满足桥址处的抗风要求，且抗风安全性等级较高。阵风荷载的计算结果表明，桥塔在100 a一遇的大风作用下，强度满足设计要求，双层主梁斜拉桥在风荷载作用下安全。

4.3 结构抗震

抗震分析采用规范标准的地震动加速度反应谱。地震基本烈度为6度，设计烈度取7度，重要性系数取1.7，综合影响系数取1.0。地震力取顺桥向、横桥向二种工况分别验算，以检验主塔、主梁在两个方向地震力作用下的安全可靠性。计算表明结构的动力性能良好，结构各部位的地震响应均在设计允许范围之内，结构具有较高抗震能力。

5 方案进一步演变

主塔索锚区采用钢锚箱或钢锚梁锚固型式，缩小主塔尺度，减小桥面宽度，降低工程投资。调整斜拉索在塔、梁上的锚固位置，使之成为竖琴型，可以取得更完美的景观效果（见图6）。

图6 桥型方案效果图

6 结论

在体现双层桥梁共建优势的前提下，构思了独立的分离式双层主梁斜拉桥，上、下层桥面分别采用钢箱梁及混凝土箱梁，不但减少了用钢量，而且下层桥面视线通透，避免了钢桁梁杆件对行车视线的干扰，方便了运营管理与养护维修。经过结构的动、静力计算分析研究，既满足使用功能要求，又有良好的景观效果，桥型结构新颖。

通过对双层主梁斜拉桥方案的研究，提出一条与钢桁加劲梁体系完全不同的双层桥设计思路，对今后类似工程具有参考意义。