基于多因素的連續(xù)高架橋梁設計高度研究

劉維維，祁晨旭，楊乃濤

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，西安 710075)

架設連續(xù)高架橋梁作為解決城市空間不足、緩解交通需求矛盾的重要手段，越來越多地被應用于綜合交通體系構(gòu)建中。國內(nèi)已建高架橋梁數(shù)量龐大，但早期修建的高架橋梁因工程造價限制和技術手段約束，存在技術標準不統(tǒng)一的問題，橋梁縱斷面設計較低易造成橋下行車空間壓抑、橋蔭植物生長困難且橋下空間利用率不高等狀況。

1 連續(xù)高架橋梁縱斷面設計控制因素分析

考慮空間合理利用因素，高架橋梁縱斷面設計控制因素主要為建筑高度和空間利用需求兩部分。

1.1 建筑高度部分

在高架橋梁縱斷面設計中，控制設計標高的建筑高度一般為固定值，主要為上部橋梁高度、蓋梁高度和橋面鋪裝厚度等。我國橋梁上部結(jié)構(gòu)項目常規(guī)選取值如表1所示。

表1 我國橋梁上部結(jié)構(gòu)項目常規(guī)選取值

常用橋面鋪裝厚度為10 cm，蓋梁厚度根據(jù)橋梁寬度、上部橋梁結(jié)構(gòu)形式以及跨徑等確定，相關數(shù)據(jù)在橋梁方案確定后基本固定。

1.2 空間利用需求部分

設計連續(xù)高架橋梁時可拓展縱向空間，合理利用空間能極大節(jié)省道路立體空間，通常橋下空間利用需求主要為橋下通行車輛需求、駕駛員舒適需求以及橋蔭植物生長需求。

橋下通行車輛需求主要由通行凈空、指示標志設置以及橋墩蓋梁高度等部分組成。連續(xù)高架橋梁橋下道路駕駛空間較壓抑，容易造成駕駛員駕駛疲勞、注意力不集中等不良影響，因此橋下凈空高度須考慮駕駛員舒適需求。同時橋梁作為城市景觀的重要組成部分，橋梁綠化必不可少，而橋下空間大小是決定橋蔭植物生長過程中日照強弱的重要因素。

2 橋下車輛通行所需最小高度分析

2.1 凈空需求

我國高速公路和城市道路設計規(guī)范中，對各等級道路通行凈空有明確規(guī)定，一般情況下高速公路、一級公路以及城市主干道路凈空≥5 m。

2.2 橋下設置標志牌所需高度

道路交通標志作為交通運輸體系的組成部分，是保證道路有序、快捷、安全通行的重要手段，任何道路通行都必須設置指示、禁令、誘導等完善的交通標志體系，橋下道路交通標志對橋梁高度的影響主要體現(xiàn)在以下方面。

中分帶設置橋墩時，地面道路位于橋墩兩側(cè)，交通指示牌位于路側(cè)，駕駛員識別視線不受橋梁結(jié)構(gòu)影響，此時道路交通標志對橋梁高度基本無影響。

設置門架式橋墩時，地面道路位于橋墩內(nèi)側(cè)，如果將道路交通標志設置在路側(cè)，駕駛員視線會受橋墩遮擋。因此須將道路交通標志設置在橋墩蓋梁上，中分帶設置橋墩，當路側(cè)設置指示標志受限時，也允許將標志牌設置在蓋梁上。此時存在兩個影響橋梁高度的因素：①標志設置條件，標志板面高度+凈空的影響；②標志識別條件，如橋梁過低，標志牌之前的蓋梁會遮擋視線，因此設計橋下高度時須保證識別視距不受前蓋梁影響。

2.2.1 標志設置條件分析

根據(jù)《道路交通標志和標線第2部分：道路交通標志》(GB 5768.2—2009)[1]規(guī)定，不同設計速度對應不同標志版面字高，速度與漢字高度關系如表2 所示。

表2 速度與漢字高度關系

結(jié)合《公路路線設計規(guī)范》(JTG D20—2017)[2]，不同設計速度對應標志版面漢字高度如表3所示。

表3 不同設計速度對應標志版面漢字高度

《道路交通標志和標線第2部分：道路交通標志》(GB 5768.2—2009)中附錄D給出了交通標志制作圖示例，示例中標志版面高度根據(jù)不同內(nèi)容進行不同布置，高度差別較大，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，考慮橋下標志板面可適當進行調(diào)整，建議最高按6h(h為漢字的高度)進行控制，不同設計速度對應橋下交通標志版面最大高度如表4所示。

表4 不同設計速度對應橋下交通標志版面最大高度

考慮標志設置空間和后期養(yǎng)護需求，適當富余30 cm，不同設計速度對應橋下最小凈空值如表5所示。

表5 不同設計速度對應橋下最小凈空值

2.2.2 標志識別條件分析

駕駛員看到道路交通標志到做出反應的時間所行使的距離為識別視距，考慮交通標志種類較多，駕駛過程中從看到標志牌內(nèi)容到做出相應駕駛操作的行為也較多，最不利情況為車輛停止，因此以停車視距作為橋下交通標志識別的最小距離，考慮標志識別距離的橋下凈空計算示意如圖1所示。

圖1 考慮標志識別距離的橋下凈空計算示意

根據(jù)停車視距計算橋下凈空，如式(1)所示。

(1)

式中，H為橋下凈空值，m；e為駕駛員視高(按貨車駕駛員視高2 m取值)，m；d為停車視距，m；h為蓋梁高度，m；L為橋梁跨徑，m；蓋梁富余高度為0.2 m。

根據(jù)《公路路線設計規(guī)范》(JTG D20—2017)[2]，假定橋梁跨徑采用30 m，蓋梁高度為 2 m，不同設計速度對應停車視距與橋下最小凈空值如表6所示。

表6 不同設計速度對應停車視距與橋下最小凈空值

3 駕駛員視覺所需高度分析

通常在內(nèi)部空間，人與墻體或其他障礙物的間距為2.5 m時，人的感覺較為舒適。而在室外，人的視線內(nèi)障礙物在20～25 m以外時，人自身才不會有壓迫感。人在高架橋下車內(nèi)的視角，按照一般距離和高度之比S/H為2，仰角27°時視線所及的高架橋梁底的水平距離如達到20～25 m，人的感覺較為舒適，對視覺效果壓迫的影響較不明顯[3]。

根據(jù)建筑學“十分之一理論”，駕駛員舒適駕駛所需的橋下凈空高度為12～14.25 m。最舒適駕駛視覺凈空計算示意如圖2所示。

圖2 最舒適駕駛視覺凈空計算示意(單位：m)

4 橋蔭植物日照強度所需高度分析

連續(xù)高架橋梁橋下綠化是城市景觀的組成部分，也是提升高架橋梁整體美觀性的重要手段，根據(jù)龔建平[4]、殷利華[5]等人利用Ecotect Analysis軟件進行橋蔭自然光環(huán)境模擬結(jié)果及武漢、成都高架橋下橋蔭植物調(diào)研分析，當高架橋下空間的凈空高度和橋梁寬度的比值D<0.1且橋下凈空<5 m時，橋蔭平均日照時數(shù)小于20%，但在橋下凈空達到5 m 后，橋蔭平均日照時數(shù)能達到20%；隨著D值的增大，橋蔭相應的平均日照時數(shù)逐漸增大，當D值達到0.3時，橋蔭相應的平均日照時數(shù)變化減緩，逐漸固定。

根據(jù)研究結(jié)果，為保證橋蔭植物生長所需，高架橋考慮橋下綠化時，凈空高度和橋梁寬度的比值D宜>0.3且橋下凈空≥5 m?；诖死碚?，不同高架橋梁寬度對應橋下最小凈空值如表7所示。

表7 不同高架橋梁寬度對應橋下最小凈空值

5 應用實例

杭州灣地區(qū)環(huán)線并行線G92N(杭甬高速復線)寧波段二期甬紹界至小曹娥互通段，是浙江省規(guī)劃的杭紹甬高速公路的重要組成部分，項目地處寧波市規(guī)劃的前灣新區(qū)，位于杭州灣南岸海涂圍墾區(qū)，區(qū)域發(fā)展?jié)摿薮螅恋刭Y源珍貴，為節(jié)省土地資源并合理利用交通資源，項目采用雙層道路交通系統(tǒng)，上部高架橋梁為高速公路，設計速度為120 km/h，采用雙向六車道，34 m標準橋梁寬度，下部地面道路為二級公路，設計速度為80 km/h，采用雙向四車道標準建設，高架橋橋墩設置在中分帶，地面道路位于兩側(cè)。標準斷面示意如圖3所示。

圖3 標準斷面示意(單位：m)

為合理確定橋梁方案，方案設計階段分別擬定了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鋼板組合梁方案，分別對以上橋梁類型進行縱斷面設計標高分析。

1) 上部結(jié)構(gòu)尺寸統(tǒng)計

不同橋梁上部結(jié)構(gòu)尺寸統(tǒng)計如表8所示。

表8 不同橋梁上部結(jié)構(gòu)尺寸統(tǒng)計 (m)

2) 橋下凈空分析

橋下道路采用80 km/h的一級道路標準設計，根據(jù)相關規(guī)范要求，橋下凈空≥5 m，設計中需考慮遠期路面養(yǎng)護等需求，適當富余20 cm。

3) 地面道路交通標志牌設置

地面道路設計速度為80 km/h，最大字高度為60 cm，最大標志牌高度按6倍字高考慮，交通標志牌最大高度為3.6 m。經(jīng)調(diào)研周邊高架項目情況，初步擬定交通標志牌設置在梁下，通過設置門架或單懸臂立柱進行支撐，考慮設置道路交通標志所需的橋下最小凈空高度為5.0 m+3.6 m+0.2 m，總高約9.8 m。

4) 標志牌識別視距計算

考慮為避免前蓋梁遮擋，橋梁標志牌盡量靠近蓋梁設置，按公式(1)計算內(nèi)側(cè)車道識別視距所需的橋下凈空，不同橋型凈空計算值統(tǒng)計如表9所示。

表9 不同橋型凈空計算值統(tǒng)計 (m)

5) 駕駛員舒適駕駛所需凈空高度設置

根據(jù)建筑學“十分之一理論”，駕駛員舒適駕駛所需凈空高度為12～14.25 m。

6) 橋蔭植物生長所需最小高度分析

該項目主線高架橋梁橋?qū)挒?4 m，根據(jù)橋蔭植物所需凈高與凈寬之比>0.3的需求，橋梁凈空最小值應>10.2 m。不同上部結(jié)構(gòu)設計標高計算統(tǒng)計如表10所示。

表10 不同上部結(jié)構(gòu)設計標高計算統(tǒng)計 (m)

控制高架橋梁設計高度的主要因素為橋下設置交通標志所需凈空高度，而駕駛員舒適駕駛所需凈空高度、橋蔭植物生長所需凈空高度與橋下設置交通標志識別所需凈空高度較吻合，因此該項目設計中也以交通標志識別所需的凈空高度作為主要控制因素，不同上部結(jié)構(gòu)設計標高控制如表11所示。

表11 不同上部結(jié)構(gòu)設計標高控制 (m)

6 結(jié)語

通過分析可知，影響高架橋梁設計標高的因素主要有橋梁建筑高度、橋下通行凈空高度、橋下道路交通標志牌識別所需高度、駕駛員舒適駕駛所需高度以及橋蔭植物正常生長所需高度，前三項為控制性指標，必須滿足，后兩項為驗證性指標，當前三項計算所得高度不滿足后兩項所需時，建議結(jié)合工程造價因素綜合考慮，橋下凈空盡量滿足舒適駕駛和橋蔭植物生長所需。