城市高架道路的中日设计规范比较

2021-03-01王德钧

城市道桥与防洪 2021年2期

林康，王德钧

（大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁大连116000）

0 引言

随着我国中心城市和城市群逐渐成为承载发展要素的主要空间，中心城区交通拥堵问题日渐得以重视。有别于欧美各国，日本与我国同样存在人口日趋向少数大城市聚集的特点，城市交通压力巨大。日本在城市中建设了大量的交通基础设施，其中在经济高速成长期建成项目的运营维护压力逐步显现。对其规范进行研究对我国的城市桥梁建设有一定的参考借鉴意义。

1 两国规范的比较

中日两国的城市桥梁设计规范均是在各自的公路桥梁设计规范基础之上制定的，而且由于桥是路的一部分，道路设计规范是桥梁设计规范的上位规范。本文仅对涉及城市高架桥梁方面的规定进行比较，但引用的一些规定出自公路桥梁规范和道路规范，也有一些具体的规定出自桥梁通用规范之外的桥梁设计规范或规程。两国规范的整体思路是一致的：桥梁应符合路线设计的要求；结构按照极限状态法进行设计；从全寿命周期成本出发，对耐久性、可维护性提出比以前更高的要求。本文着重对两国规范的一些不同之处加以说明。

1.1 桥上线形的规定

城市快速路的网络化及与既有道路的无缝对接对缓解城市交通拥堵具有重要意义，城市高架桥往往是城市快速路的重要组成部分。高架桥梁涉及主路上下桥、不同快速路之间及与地面路网之间的匝道和定向匝道。桥梁的纵断首先应符合路线设计的总体要求。由于城市道路路口之间相隔距离比较近，匝道最大允许纵坡往往对互联互通方案的成立与否具有决定性影响。中华人民共和国成立后，交通部引进了苏联规范，同时编制了自有桥梁规范。桥梁规范历经多次修订[1]，最大纵坡的规定基本延续了苏联的做法[2]。除苏联外，加拿大出于桥梁比道路更易结冰的考虑，对大中桥梁纵坡有比道路更加严格的要求；但考虑到小桥上即使车辆产生滑动，也能很快进入道路段恢复控制，所以小桥可以按照路线设置纵断。而日本虽然一些地区降水充沛，但在规范中仍沿袭了英、美等欧美国家的做法，桥梁纵坡完全采用路线纵坡，桥梁最大纵坡与设计速度直接相关。许多通往地面道路的匝道的设计速度仅为30～40 km/h，可以采用较大纵坡。东京城市高速道路上下桥匝道的标准纵坡为7%，降雪时需要封闭交通。名古屋冬季基本无雪，最低记录气温-10.3℃，城市高速上下桥匝道的标准纵坡为8%（见表1）。

小汽车爬坡能力大，纵坡大小对小汽车影响较小，而载重汽车及铰接车的爬坡能力低，纵坡对其影响较大。设计最大纵坡考虑了各种机动车辆的动力性能、道路等级、设计速度、地形条件等选用规范中最大纵坡的一般值。随着我国汽车工业的发展，客车性能已逐步接近国际水平，但载重汽车的性能与国外相比还有一定差距。通过比较可以看出，对于路线纵坡，我国公路规范的一般值与日本的一般值相同，城市道路在低速时稍有降低。而城市快速路通行的小型乘用车的比例很高，往往限制载重汽车通行，可以进行封闭式管理，存在一定有利条件。日本最大纵坡方面的规定详见原规范[7]或相关文献[8]。我国城市道路规范[4]规定，当受条件限制，纵坡大于一般值时应限制坡长，但最大纵坡不得超过最大纵坡极限值。城市快速路规程[5]直接规定了各种车速和纵坡下的最大坡长（见表2）。

表1 最大纵坡规定

表2 最大坡长比较

从表2 可以得出，最大坡长对应的高程变化值在16 m 以上，大于一般的城市高架桥高度。可以认为规范规定的最大坡长均能满足一般城市高架桥梁对纵坡长度的需求。

我国桥梁专业基于安全考虑及桥梁的热容量小于道路的特点，对桥梁纵坡作为较为严格的限制；公路路线规范[3]和城市道路工程规范[4]则认为，桥上纵坡主要从桥梁结构受力和构造方面考虑，而引道最大纵坡主要考虑行车方面的要求。对于采用水平支座垫石，支座具备一定的锚固力，或采用刚构桥等措施，可以抵抗车辆上下坡及急刹车等带来的不利影响。

中华人民共和国成立以来，尤其是改革开放以来，我国桥梁建设事业取得举世瞩目的成就，汽车工业也获得长足发展，根据路线要求按照设计速度确定桥上最大纵坡对桥梁尤其是城市桥梁的建设具有重大意义。城市桥梁虽然常有突破4%的事例，但更为普遍的情形是优化方案或取消匝道。城市交通基础设施同样是国家重要的战略资源，在城市交通拥堵问题日益困扰城市发展的背景下，规范修订具有紧迫性。

1.2 汽车荷载的加载方式

两国的汽车荷载均由车道荷载与车辆荷载组成。我国城市桥梁设计规范[9]的车道荷载沿用了公路桥涵设计通用规范[6]的车道荷载，车辆荷载立面布置和轴重与公路规范有所区别。桥梁结构的整体计算采用车道荷载；桥梁结构的局部加载采用车辆荷载，两者作用不得叠加。日本桥梁规范[10]中的车道荷载称为L 荷载，为面分布荷载，以影响面形式加载。结构分析多采用梁格法，同时考虑L 荷载在顺桥向和横桥向两个方向移动时的影响面。采用面分布荷载的方便之处在于对于有应急车道、路缘带加宽、分合流位置、曲线段加宽，甚至曲线桥梁由于视距扩幅等原因而采取异形结构情况下，能包含特殊条件下的汽车荷载。虽然正常条件下车辆按照车线行驶，不应该进入正常车道以外的位置，但是当发生交通拥堵、车辆故障、操作失误等情况下，车辆有可能处于桥面上的任意位置，影响面加载全面考虑了正常条件和特殊情况下汽车荷载的总体效应。日本的车道荷载详见原规范[10]或相关文献[11]。同时，车辆荷载也并不仅仅适用于桥梁局部加载。日本桥梁规范[10]中特别强调，对于小桥的整体计算，T 荷载（车辆荷载）可能比L 荷载（车道荷载）更加不利，必须按照两者的不利工况进行选取。

1.3 横桥向抗倾覆（支座脱空）验算

我国公路钢结构桥梁设计规范[12]及公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[13]均规定为防止桥梁横桥向倾覆失稳直至垮塌的发生，按作用标准值进行组合时，使上部结构稳定的效应设计值与使上部结构失稳的效应设计值的比值大于等于2.5。日本在桥梁设计规范[10]的通规中有类似规定：支座的负反力取RU=1.65RL+I+RD和RU=RD+RW两者的不利值。式中：RD为恒载产生的反力；RL+I为活载及冲击产生的最大负反力；RW为风荷载产生的最大负反力。地震时的负反力验算式较为复杂。由于2017 版日本桥规[10]中，上述的负反力为设计值，包含了恒载1.05、活载1.25、风载1.25 的分项系数，如果使用荷载标准值，则如2012 版日本桥规[14]的负反力验算式RU=2RL+I+RD，汽车荷载（含冲击）的安全系数为2倍。在东京高速道路等城市桥梁设计规范[15]中，负反力使用了更为严格的验算式，恒载被分为产生负反力的恒载和产生正反力的恒载两部分，正反力的恒载被折减到1/1.5。日本的支座脱空验算详见原规范[10，14-15]或相关文献[11]。由于日本的汽车荷载加载方式与我国不同，难以按照安全系数进行简单比较。我国规范是2015 年起增加抗倾覆验算的，与日本相比除了具体系数取值不同之外，验算范围亦有所区别。日本仅对汽车荷载、风荷载、地震荷载可能导致桥梁倾覆进行验算，温度作用、基础变位作用、混凝土收缩徐变等导致的桥梁倾覆事故没有实例，对于通常的桥梁可以不必考虑。从国内发生桥梁倾覆的事故分析，主要是由于超载引起的，我国规范的验算式没有限定使结构失稳的效应组合种类，一律要求2.5 倍的安全率有时需要较大代价。

1.4 桥面板排水

随着已建成桥梁投入运营时间的增加，越来越显现出可维护性和耐久性的重要性。日本的施工质量和超载治理水平并不能达到桥梁的设计使用寿命，以至于日本2010 年以后在全国范围内大规模更换混凝土桥面板。在维持管理方面，最重要的一点是防止腐蚀。首先是防止雨水滞留和浸入结构内部，但是难以做到完全防止，必须有结构措施使浸入结构内部的水分迅速排出。不仅对于箱梁等空心结构，对于铺装层下面的桥面板也有同样要求。通常的路面排水装置仅能排除铺装层上面的水分。对于桥面板，如果水分滞留在铺装层内部，防水层上方的层间水不能迅速排除，将对桥面板耐久性产生较大的不利影响。日本建设高峰期修建的大量桥梁仅有路面排水和桥面防水层，长期大负荷车辆荷载叠加水分浸入，不仅钢桥面板出现疲劳和腐蚀等问题，钢筋混凝土桥面板的疲劳和腐蚀问题也非常突出。日本在20世纪90 年代开始强制要求必须有桥面板排水系统，迅速排除浸入铺装层内部（桥面板防水层上方）的层间水。混凝土桥面板的桥面排水具体构造如图1、图2 所示，钢桥面板也有类似结构。

图1 漏水孔示例[16]

图2 桥面排水管示例[16]

桥面板排水管的设置间隔比路面排水口要密，可将相邻的路面排水口之间三等分，路面排水口处采用漏水孔进行桥面排水，中间的两处采用桥面排水管排水，铺装层内埋设螺旋形不锈钢钢丝网等方式进行导水。我国的城市桥梁桥面防水工程技术规程[17]中对沥青混凝土铺装层中桥面排水口周围的漏水洞有所规定，在一些工程中采用了渗水弹簧钢管或碎石石料的排水盲沟，建议在此基础上增设桥面排水管。