常规双层公路桥总体设计、荷载取值及荷载组合分析

黄森华

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司, 广州 510507)

0 引言

双层桥梁可充分合理利用土地、岸线和空间，实现过江通道的集约利用、实现多种交通过江的需求。目前常见的双层桥梁为公铁、公轨共用，一般上层为公路，接两岸高速公路、城市快速路；下层为铁路、轻轨、市政道路，接两岸的铁路线、轻轨线、市政路线。双层桥梁可承担较大的交通量，实现区域交通和过境交通的分层设计，交通组织功能较好。随着城市快速发展，出现了不少的双层公路桥梁，但目前对双层公路桥的设计尚无明确的规范进行指导设计。

本文对常规双层公路桥的荷载取值和组合进行分析，为该类型桥梁设计提供一定的参考和借鉴。

1 常规双层桥总体设计

合建桥梁常用的断面布置方式有共梁双层、共梁单层、分梁共墩、分梁分墩共基础等[1]，如图1～图4所示。

图1 共梁双层

图2 共梁单层

图3 分梁共墩

图4 分梁分墩共基础

共梁双层的主梁采用双层桥面，两层交通分别布置在上层和下层桥面(多用于特大桥、断面多为桁梁)。

分梁共墩的上层和下层交通分别布置在梁片独立的主梁上，共用桥墩。

本文重点介绍多用于常规桥的分梁共墩的断面布置。

1.1 常规双层桥断面及下部结构形式

高速公路的宽度通常为双向4车道、6车道和8车道；城市道路的宽度大部分为双向4车道、6车道。国内双层交通共线设计中，上层为高速公路、下层为城市道路的居多，当然也有上、下两层均为高速公路的设计。双层下部结构的断面形式与上、下层通行的宽度需求密切相关。断面及下部结构形式常选用独柱墩式、双柱墩式和三柱墩式。

表1 常规双层桥常用断面及下部结构形式

对于双层桥，第一层高度的选择往往与通行需求、当地景观、居住采光等因素相关，在满足功能需求且具备经济性条件下，第一层层高多数选择为7m，当然也有要求具备设置人行天桥净空的需求，此时层高选择需达到9m。

第二层高度的选择与上部结构的施工工艺(例如考虑吊装架设空间需达到8m左右)、检修空间、行车视距、通行安全、交通标志牌布设空间等因素相关。

图5 双层常规桥(第一层高度h1和第二层高度h2示意)

1.1.1 独柱墩式

独柱墩式下部结构主要为采用“干”字形的方案，下层交通布设于独柱悬挑的两侧。独柱墩式多用于城市高架桥中，适应于对桥下通行空间较为有限的场合，其优点是桥墩数量少，行车视野通透；但悬臂根部受力较大，桥梁的横向偏心荷载靠独柱墩来承担，且横向地震作用下结构响应较大，墩底受力较为不利[2]。

图6 “干”字形独柱桥墩、单墩大悬挑横梁、F形单柱式双层共构桥墩

例如：上海闵浦二桥引桥上部结构为40m跨径的简支小箱梁(桥面连续)，下部结构为独柱“干”字形桥墩，上层为公路桥面，下层为轨道交通桥面[2]；重庆涪陵乌江二桥螺旋匝道采用单墩大悬挑横梁整体连续结构设计，桥墩均设置于内、外幅匝道之间，内、外幅箱梁通过大悬挑横梁与桥墩连为一体，实现墩梁固结[3]；台湾省中山高速公路五股-杨梅段拓宽工程采用F形单柱式共构桥墩设计[4]。

1.1.2 双柱墩式

双柱墩式受力简单，整体性好，也有采用双柱“干”字形大挑臂桥墩方案。

例如：武罐高速公路洛塘河双层高架特大桥上部结构采用30m跨PC梁，下部结构采用双柱式框架式桥墩[5]；大连星海湾跨海大桥引桥上部采用50m跨简支转结构连续箱梁，下部采用双矩形柱式墩[6]；东莞市某双层桥，投标推荐方案采用双柱“干”字形大挑臂桥墩。

图7 双柱“干”字形中央大挑臂双柱墩

1.1.3 三柱墩式

当上层和下层的车道数量达到6车道及以上时，双层下部结构的断面形式较多选择采用三柱框架墩。例如：国内建成的杨泗港长江大桥引桥、东莞东江大桥引桥，以及正在施工的温州瓯江北口大桥引桥上部结构采用30m跨预应力混凝土连续梁，下部结构采用横向三柱式桥墩布设的双层断面[7-8]。

图8 三柱墩式双层断面

1.2 常规双层桥上部结构形式及跨径

双层桥可选的上部结构形式主要有：

(1)装配式混凝土小箱梁(例如洛塘河高架桥、上海闵浦二桥上层引桥)，优点：施工简单、经济性较好。

(2)混凝土连续箱梁(例如东莞东江大桥引桥、杨泗港大桥引桥、温州瓯江北口大桥引桥)，优点：结构较为美观。

(3)钢箱梁(例如杨泗港大桥引桥、日本神户高架桥)，优点：吊装重量轻、结构较轻、抗震性能较好、适用于各种变宽裤衩交汇位置。

(4)钢-混组合梁(例如汕头市牛田洋大桥引桥、温州瓯江北口大桥引桥)，优点：吊装重量轻、结构较轻、较为美观、抗震性能较好。

(5)整体式断面的桁式结构(例如沪通长江大桥引桥、广州明珠湾大桥引桥)，优点：桥梁可适应较大跨越能力需求。

上部结构跨径的选取与跨越地形地物、结构经济性、施工组织以及周边环境等因素相关，范围选择可在30～100m。对于陆上无特殊跨越需求的，可选择PC小箱梁、PC连续箱梁。对于跨河跨堤的桥梁，跨越能力增大，上部结构可采用组合梁、钢箱梁和钢桁梁等结构。

表2 双层引桥上部结构跨径和结构形式

1.3 常规双层桥施工方案

双层桥的施工组织复杂，施工有效工作面小，若采用常规的单层桥梁施工方法，存在常规的架桥机高度在第二层架设过程中受限，且现场施工机械多、支架搭设难度大、施工顺序繁琐等问题，对结构施工组织、施工措施、施工方法、施工机械设备等提出新的挑战。

双层公路桥上部结构的施工方案有：架桥机架设、满堂支架现浇、预制节段拼装、顶推、对称悬拼等。下部结构主要为盖梁的施工。

表3 双层引桥上部结构施工方案

1.3.1 架桥机架设

当下层净空满足时(至少8m净空)可采用架桥机同时架设上、下层预制梁。

当下层净空不足时可采用高低吊的方法完成架设：下层箱梁通过公路桥面运输，每孔在架设时，先安装下层箱梁，再安装上层箱梁[9]。

图9 架桥机同时架设上、下层预制梁

图10 PC小箱梁架桥机吊装架设(倾斜架设下层主梁)

1.3.2 满堂支架现浇

满堂支架先施工下层箱梁。下层箱梁达到强度并张拉钢束后，搭设支架，现浇上层箱梁。

图11 满堂支架现浇

1.3.3 预制节段拼装

PC连续箱梁采用先下层后上层逐跨拼装的方案(双层高度上无阻碍)。

(1)在下层箱梁顶面搭设临时墩，架设上层首跨箱梁节段进行拼装。

(2)依次架设上层箱梁节段进行拼装，完成上层箱梁施工。

图12 下层箱梁逐跨拼装

图13 下层节段梁架设断面

图14 上层节段梁架设断面

1.3.4 顶推

对于钢-砼组合梁，上部结构常用的施工方案可选整孔顶推。

1.3.5 对称悬拼

对于钢桁梁，上部结构施工可采用双悬臂对称拼装[10]。

图15 钢-砼组合梁顶推施工

图16 钢桁梁双悬臂对称悬拼

1.3.6 盖梁施工

常规双层公路桥的盖梁施工可采用横向少支架现浇盖梁[11]。

图17 横向少支架现浇盖梁

也可采用斜拉支架法施工：下层墩身施工→搭设斜拉支架，施工下层盖梁→上层墩身施工→搭设斜拉支架，施工上层盖梁。

图18 盖梁采用斜拉支架法施工

目前国内单层桥盖梁有采用全预制拼装的方案，墩柱与承台、盖梁与墩柱间采用灌浆套筒连接，尚无双层桥盖梁采用预制拼装的实例。若双层桥下部结构采用预制拼装，则可能出现较多的拼接节段，受力及施工均较为复杂；对于地震高烈度地区，不建议采用预制拼装下部结构。

图19 桥墩、盖梁采用预制拼装

2 荷载取值及荷载组合

2.1 荷载取值

目前国内对双层公路桥梁荷载取值无明确的规范可查阅，对于公轨、公铁合建桥梁可查阅的规范：

(1)《城市道路与轨道交通合建桥梁设计规范》(CJJ 242-2016)。

(2)《城市轨道交通桥梁设计规范》(GB/T 51234-2017)。

(3)《铁路桥涵设计规范》(TB10002-2017)。

(4)《公路与铁路两用桥梁通用技术要求》(JT/T 1046-2019)。

对于双层公路桥大部分荷载的取值可按照《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015取值，但对如下列举的有别于单层桥梁的荷载取值则有必要进行重点分析和研究：活载、温度作用、风荷载、疲劳荷载等。

2.1.1 活载

目前国内规范对公轨共用、公铁共用的活载取值有具体的规定，见表1。

表1 国内规范对公轨共用、公铁共用的活载取值规定

国内规范对公轨共用、公铁共用的活载取值依据见表2。

表2 公轨共用、公铁共用活载规范取值依据

因为公路汽车荷载并不连续，多线双层同时满载的可能性极少，即便偶尔有这种情况出现，加载速度也不快，所以公路双层桥在极短时间内达到满载设计应力是几乎不可能出现的。

对于双层公路桥，虽然上下层同时出现最不利活载的可能性较小(我国规范汽车荷载的标准值结合实际工程经验，选取了设计基准期内(100年)最大值概率分布的0.95分位值，若按概率分布应进行折减)，考虑到折减部分活载占总荷载比重小(对于常规双层公路PC小箱梁，活载占比约为28%；对于大跨双层公路钢桁梁桥，活载占比约为20%；折减部分活载占比在5%以内)，并且上层公路交通与下层公路交通完全独立。

双层公路桥活载取值建议：(1)当缺乏统计资料时，可偏安全将上、下层汽车荷载效应直接叠加，不作折减；(2)特殊情况时，活载的组合多线折减系数宜进行专题研究。

2.1.2 温度作用

应同时考虑均匀温度作用和梯度温度作用引起的结构效应，上层桥温度与下层桥温度有区别。

2.1.2.1 均匀温度

体系温差应按《公路桥涵设计通用规范》计算。

2.1.2.2 竖向梯度温度

竖向梯度温差效应按《公路桥涵设计通用规范》计算。

2.1.2.3 构件间的温差

(1)拉索、吊杆等钢构件与梁、塔、拱肋等混凝土构件之间的温差宜取±10℃～±15℃；斜拉桥斜拉索与钢主梁温差宜取±10℃。

(2)板桁间温差：根据《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10091-2017)第4.1.3条：板桁组合结构应考虑钢桥面板与主桁杆件的日照温度变化不同步的影响。条文说明中对重庆朝天门大桥病害研究表明板和桁之间的最大温度差为15 ℃；近年来，武汉天兴洲及重庆朝天门等几座桥梁在建造过程中的测量数据表明，桥面板结构与主桁结构存在温差，温差大约在5℃～15℃。

2.1.2.4 横向梯度温度

四车道以上宽幅无悬臂加劲梁，宜考虑横桥向梯度温度作用的影响。现有规范对混凝土箱梁和钢箱梁有明确的取值，但对于钢桁梁仍无明确的取值规定。

2.1.3 风荷载

双层公路桥风荷载取值应按《公路桥梁抗风设计规范》JTG/T3360-01-2018取值。

(1)与汽车荷载组合的W1风作用：①重现期10年(即10年超越概率65.1%的设计风速);②当按①确定的主梁上的风速值大于25m/s时，取25m/s。

(2)不与汽车荷载组合的W2风作用：重现期100年(即100年超越概率63.2%的设计风速)。

双层公路桥与汽车荷载组合风荷载取值建议：按上、下层均为有车风速25m/s进行考虑。

2.1.4 疲劳荷载

《公路与铁路两用桥梁通用技术要求》(JT/T 1046-2019)第5.3.6条：对同时承受公路荷载和铁路荷载的结构宜开展专题研究确定疲劳荷载。

《城市道路与轨道交通合建桥梁设计规范》(CJJ 242-2016)第4.3.7条：对同时承受城市道路与轨道交通荷载的结构宜开展专题研究确定疲劳荷载。

对双层公路桥，目前国内的规范尚没有规定双层疲劳车的加载方式，建议对双层公路桥开展专题研究确定疲劳荷载。

2.2 荷载组合

2.2.1 设计方法

公铁两用桥梁，根据《公路与铁路两用桥梁通用技术要求》(JT/T 1046-2019)规定：公铁两用桥梁结构中同时承受公路和铁路荷载的构件应同时满足容许应力法和极限状态法设计要求，对仅承受公路荷载的构件可仅满足极限状态法设计要求。

城市道路与轨道交通合建桥梁，根据《城市道路与轨道交通合建桥梁设计规范》(CJJ 242-2016)规定：城市道路及轨道交通合建桥梁(除仅承担轨道交通的主梁)的设计采用以概率理论为基础的极限状态设计法(公路规范采用以概率理论为基础的极限状态设计法，更为先进、可靠，在目前的技术发展条件下，对于同时承受城市道路及轨道交通荷载的桥梁结构设计采用公路规范是合理的)。

建议对双层公路桥，采用以概率理论为基础的极限状态设计法。

2.2.2 验算内容

双层公路桥涵结构按承载能力极限状态设计：

(1)对持久设计状况和短暂设计状况应采用作用的基本组合。

(2)对偶然设计状况应采用作用的偶然组合。

(3)对地震设计状况应采用地震组合。

双层公路桥涵结构按正常使用极限状态设计：采用作用频遇组合、作用准永久组合。

建议对于双层公路桥，各种荷载组合中所需的作用效应分项系数、组合系数、频遇值系数、准永久值系数等均按照《公路桥涵设计通用规范》 JTGD60的规定取值。

3 需进一步深入研究和探讨的问题

(1)抗震分析。相对于单层桥墩，双层高架桥桥墩在遭受横向地震作用时，受力非常复杂，结构潜在的塑性铰区域可能多达8个，在结构达到延性能力之前有可能先发生结构整体稳定的问题。

设计超出了现有国内外抗震设计规范的应用范围，建议进行专门研究。

(2)高烈度区上部结构轻型化。对于双层桥结构，尤其是上部结构采用混凝土结构的双层桥，自重大，质量重心高，上下层之间的地震响应会有相互干扰和放大的效应，使得其地震响应远比普通桥梁大且复杂；当处于地震高烈度区，双层桥上部结构不宜采用混凝土结构，应重视上部结构的轻型化设计，可选用受力性能较好的钢-砼组合梁。

(3)防灾减灾。目前国内对于双层桥的防火问题研究较少，建议重视双层桥的抗火设计。