基于多因素的连续高架桥梁设计高度研究

刘维维，祁晨旭，杨乃涛

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安 710075)

架设连续高架桥梁作为解决城市空间不足、缓解交通需求矛盾的重要手段，越来越多地被应用于综合交通体系构建中。国内已建高架桥梁数量庞大，但早期修建的高架桥梁因工程造价限制和技术手段约束，存在技术标准不统一的问题，桥梁纵断面设计较低易造成桥下行车空间压抑、桥荫植物生长困难且桥下空间利用率不高等状况。

1 连续高架桥梁纵断面设计控制因素分析

考虑空间合理利用因素，高架桥梁纵断面设计控制因素主要为建筑高度和空间利用需求两部分。

1.1 建筑高度部分

在高架桥梁纵断面设计中，控制设计标高的建筑高度一般为固定值，主要为上部桥梁高度、盖梁高度和桥面铺装厚度等。我国桥梁上部结构项目常规选取值如表1所示。

表1 我国桥梁上部结构项目常规选取值

常用桥面铺装厚度为10 cm，盖梁厚度根据桥梁宽度、上部桥梁结构形式以及跨径等确定，相关数据在桥梁方案确定后基本固定。

1.2 空间利用需求部分

设计连续高架桥梁时可拓展纵向空间，合理利用空间能极大节省道路立体空间，通常桥下空间利用需求主要为桥下通行车辆需求、驾驶员舒适需求以及桥荫植物生长需求。

桥下通行车辆需求主要由通行净空、指示标志设置以及桥墩盖梁高度等部分组成。连续高架桥梁桥下道路驾驶空间较压抑，容易造成驾驶员驾驶疲劳、注意力不集中等不良影响，因此桥下净空高度须考虑驾驶员舒适需求。同时桥梁作为城市景观的重要组成部分，桥梁绿化必不可少，而桥下空间大小是决定桥荫植物生长过程中日照强弱的重要因素。

2 桥下车辆通行所需最小高度分析

2.1 净空需求

我国高速公路和城市道路设计规范中，对各等级道路通行净空有明确规定，一般情况下高速公路、一级公路以及城市主干道路净空≥5 m。

2.2 桥下设置标志牌所需高度

道路交通标志作为交通运输体系的组成部分，是保证道路有序、快捷、安全通行的重要手段，任何道路通行都必须设置指示、禁令、诱导等完善的交通标志体系，桥下道路交通标志对桥梁高度的影响主要体现在以下方面。

中分带设置桥墩时，地面道路位于桥墩两侧，交通指示牌位于路侧，驾驶员识别视线不受桥梁结构影响，此时道路交通标志对桥梁高度基本无影响。

设置门架式桥墩时，地面道路位于桥墩内侧，如果将道路交通标志设置在路侧，驾驶员视线会受桥墩遮挡。因此须将道路交通标志设置在桥墩盖梁上，中分带设置桥墩，当路侧设置指示标志受限时，也允许将标志牌设置在盖梁上。此时存在两个影响桥梁高度的因素：①标志设置条件，标志板面高度+净空的影响；②标志识别条件，如桥梁过低，标志牌之前的盖梁会遮挡视线，因此设计桥下高度时须保证识别视距不受前盖梁影响。

2.2.1 标志设置条件分析

根据《道路交通标志和标线第2部分：道路交通标志》(GB 5768.2—2009)[1]规定，不同设计速度对应不同标志版面字高，速度与汉字高度关系如表2 所示。

表2 速度与汉字高度关系

结合《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)[2]，不同设计速度对应标志版面汉字高度如表3所示。

表3 不同设计速度对应标志版面汉字高度

《道路交通标志和标线第2部分：道路交通标志》(GB 5768.2—2009)中附录D给出了交通标志制作图示例，示例中标志版面高度根据不同内容进行不同布置，高度差别较大，结合以往工程经验，考虑桥下标志板面可适当进行调整，建议最高按6h(h为汉字的高度)进行控制，不同设计速度对应桥下交通标志版面最大高度如表4所示。

表4 不同设计速度对应桥下交通标志版面最大高度

考虑标志设置空间和后期养护需求，适当富余30 cm，不同设计速度对应桥下最小净空值如表5所示。

表5 不同设计速度对应桥下最小净空值

2.2.2 标志识别条件分析

驾驶员看到道路交通标志到做出反应的时间所行使的距离为识别视距，考虑交通标志种类较多，驾驶过程中从看到标志牌内容到做出相应驾驶操作的行为也较多，最不利情况为车辆停止，因此以停车视距作为桥下交通标志识别的最小距离，考虑标志识别距离的桥下净空计算示意如图1所示。

图1 考虑标志识别距离的桥下净空计算示意

根据停车视距计算桥下净空，如式(1)所示。

(1)

式中，H为桥下净空值，m；e为驾驶员视高(按货车驾驶员视高2 m取值)，m；d为停车视距，m；h为盖梁高度，m；L为桥梁跨径，m；盖梁富余高度为0.2 m。

根据《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)[2]，假定桥梁跨径采用30 m，盖梁高度为 2 m，不同设计速度对应停车视距与桥下最小净空值如表6所示。

表6 不同设计速度对应停车视距与桥下最小净空值

3 驾驶员视觉所需高度分析

通常在内部空间，人与墙体或其他障碍物的间距为2.5 m时，人的感觉较为舒适。而在室外，人的视线内障碍物在20～25 m以外时，人自身才不会有压迫感。人在高架桥下车内的视角，按照一般距离和高度之比S/H为2，仰角27°时视线所及的高架桥梁底的水平距离如达到20～25 m，人的感觉较为舒适，对视觉效果压迫的影响较不明显[3]。

根据建筑学“十分之一理论”，驾驶员舒适驾驶所需的桥下净空高度为12～14.25 m。最舒适驾驶视觉净空计算示意如图2所示。

图2 最舒适驾驶视觉净空计算示意(单位：m)

4 桥荫植物日照强度所需高度分析

连续高架桥梁桥下绿化是城市景观的组成部分，也是提升高架桥梁整体美观性的重要手段，根据龚建平[4]、殷利华[5]等人利用Ecotect Analysis软件进行桥荫自然光环境模拟结果及武汉、成都高架桥下桥荫植物调研分析，当高架桥下空间的净空高度和桥梁宽度的比值D<0.1且桥下净空<5 m时，桥荫平均日照时数小于20%，但在桥下净空达到5 m 后，桥荫平均日照时数能达到20%；随着D值的增大，桥荫相应的平均日照时数逐渐增大，当D值达到0.3时，桥荫相应的平均日照时数变化减缓，逐渐固定。

根据研究结果，为保证桥荫植物生长所需，高架桥考虑桥下绿化时，净空高度和桥梁宽度的比值D宜>0.3且桥下净空≥5 m。基于此理论，不同高架桥梁宽度对应桥下最小净空值如表7所示。

表7 不同高架桥梁宽度对应桥下最小净空值

5 应用实例

杭州湾地区环线并行线G92N(杭甬高速复线)宁波段二期甬绍界至小曹娥互通段，是浙江省规划的杭绍甬高速公路的重要组成部分，项目地处宁波市规划的前湾新区，位于杭州湾南岸海涂围垦区，区域发展潜力巨大，土地资源珍贵，为节省土地资源并合理利用交通资源，项目采用双层道路交通系统，上部高架桥梁为高速公路，设计速度为120 km/h，采用双向六车道，34 m标准桥梁宽度，下部地面道路为二级公路，设计速度为80 km/h，采用双向四车道标准建设，高架桥桥墩设置在中分带，地面道路位于两侧。标准断面示意如图3所示。

图3 标准断面示意(单位：m)

为合理确定桥梁方案，方案设计阶段分别拟定了30 m T梁方案、30 m箱梁方案、35 m T梁方案、35 m 箱梁方案和35 m钢板组合梁方案，分别对以上桥梁类型进行纵断面设计标高分析。

1) 上部结构尺寸统计

不同桥梁上部结构尺寸统计如表8所示。

表8 不同桥梁上部结构尺寸统计 (m)

2) 桥下净空分析

桥下道路采用80 km/h的一级道路标准设计，根据相关规范要求，桥下净空≥5 m，设计中需考虑远期路面养护等需求，适当富余20 cm。

3) 地面道路交通标志牌设置

地面道路设计速度为80 km/h，最大字高度为60 cm，最大标志牌高度按6倍字高考虑，交通标志牌最大高度为3.6 m。经调研周边高架项目情况，初步拟定交通标志牌设置在梁下，通过设置门架或单悬臂立柱进行支撑，考虑设置道路交通标志所需的桥下最小净空高度为5.0 m+3.6 m+0.2 m，总高约9.8 m。

4) 标志牌识别视距计算

考虑为避免前盖梁遮挡，桥梁标志牌尽量靠近盖梁设置，按公式(1)计算内侧车道识别视距所需的桥下净空，不同桥型净空计算值统计如表9所示。

表9 不同桥型净空计算值统计 (m)

5) 驾驶员舒适驾驶所需净空高度设置

根据建筑学“十分之一理论”，驾驶员舒适驾驶所需净空高度为12～14.25 m。

6) 桥荫植物生长所需最小高度分析

该项目主线高架桥梁桥宽为34 m，根据桥荫植物所需净高与净宽之比>0.3的需求，桥梁净空最小值应>10.2 m。不同上部结构设计标高计算统计如表10所示。

表10 不同上部结构设计标高计算统计 (m)

控制高架桥梁设计高度的主要因素为桥下设置交通标志所需净空高度，而驾驶员舒适驾驶所需净空高度、桥荫植物生长所需净空高度与桥下设置交通标志识别所需净空高度较吻合，因此该项目设计中也以交通标志识别所需的净空高度作为主要控制因素，不同上部结构设计标高控制如表11所示。

表11 不同上部结构设计标高控制 (m)

6 结语

通过分析可知，影响高架桥梁设计标高的因素主要有桥梁建筑高度、桥下通行净空高度、桥下道路交通标志牌识别所需高度、驾驶员舒适驾驶所需高度以及桥荫植物正常生长所需高度，前三项为控制性指标，必须满足，后两项为验证性指标，当前三项计算所得高度不满足后两项所需时，建议结合工程造价因素综合考虑，桥下净空尽量满足舒适驾驶和桥荫植物生长所需。