图1 典型框架式桥墩立面图
赵 磊
(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300142)
摘 要：高速铁路桥梁对结构变形要求严格，设计刚度大，致使桥梁结构尺寸较大，与周围事物形成强烈的对比。为了使高速铁路桥梁建筑更好地与自然环境、文化历史以及风土人情等融合为一体，文章结合一座跨黄河公铁两用桥桥墩结构型式方案的研究比选，提出了大跨度高速铁路桥梁下部结构设计应关注的重点。通过桥墩方案比选归纳总结得出，宏观方面，桥墩造型应与使用功能恰当结合，转变大型桥梁只注重上部结构造型设计而忽视下部结构的传统设计理念，实现建筑艺术与自然景观的完美结合。微观方面，把桥墩截面选择与破冰棱设计及桥墩整体造型设计有机结合在一起，将多元合一的理念融入桥梁设计。文章旨在通过对高速铁路大跨度公铁两用桥下部结构型式的比选研究，唤起桥梁设计师对桥梁下部结构美学设计的更多思考。
关键词：公铁两用桥； 桥墩； 型式
近年来，随着我国铁路和公路的快速发展，跨越黄河的桥位资源越来越紧张。为了增加桥梁的运输能力，同时满足铁路和公路跨越黄河的要求，公铁两用桥越来越多被采用。公铁两用桥在跨越河流主河槽时，为了满足排洪及通航要求，一般采用双层桥面大跨度钢桁梁，下部结构采用单层桥墩，而主河槽以外其它部位的上部结构则大多采用梁式结构，与之对应的桥墩，则需要采用满足下层铁路梁传力和铁路限界要求及上层公路梁传力要求的双层框架墩。在公铁合建段两端公铁分离的位置，为了满足下层铁路桥限界要求，桥墩型式将更加复杂多样化。
公铁两用桥从使用功能方面可分为3种类型，第1类为主桥单层桥墩，第2类为引桥双层框架墩，第3类为公路弯出部分异型框架墩。以往公铁两用桥双层框架墩大多以满足桥梁使用功能和受力需要为目标进行设计，桥梁的景观效果稍差。现代桥梁设计越来越注重以人为本的设计理念，从使用、经济、美观、安全等方面综合考虑，黄河之上的每一座桥梁都是一座代表性的建筑，其景观设计应该具有鲜明的形象，强烈的艺术感染力：既要满足交通、防洪、通航等主要功能，又要满足桥梁美学要求。桥梁应造型新颖、设计理念先进、适用、结构安全、经济，同时需与周边环境景观和谐一致[1-2]。本文旨在使桥墩即满足使用功能和受力要求，又着眼于桥墩造型、文化内涵及与周围环境相协调等桥梁建筑景观方面的研究。
目前，公铁两用桥双层多门式桥墩结构在国内外工程实例中均很少见，可供参考的实例资料非常少。国内桥梁中可供参考的实例主要有：
(1)武汉天兴洲公铁两用长江大桥，主桥上层公路活载等级为公路Ⅰ级，双向六车道；下层为铁路客运专线双线加Ⅰ级铁路双线活载。主桥边墩上层公路墩采用双门式框架墩，墩高为15.8 m，墩柱轴心距离为14.6 m；下层铁路墩采用矩形空心墩。桥墩立面如图1(a)所示。
图1 典型框架式桥墩立面图
(2)郑州黄河公铁两用桥，主桥上层公路活载等级为公路Ⅰ级，双向六车道；下层为铁路客运专线双线活载。主桥边墩采用双层框架墩结构，上层框架墩为单门型式，墩柱截面为矩形，墩柱轴心距离为18 m。公路墩横梁为钢筋混凝土结构；下层铁路框架墩为双门型式，边墩柱和中墩柱截面为矩形，墩柱轴心距离为8.5 m。铁路墩顶帽为钢筋混凝土结构。桥墩立面如图1(b)所示。
(3)上海闵浦大桥，引桥结构形式为双层引桥，上层为高速公路八车道，下层为地方道路六车道。下部结构采用双层门式桥墩，两边柱采用薄壁钢筋混凝土结构。上层盖梁以及下层横梁均采用空心薄壁式预应力混凝土结构。门式墩立面如图1(c)所示。
跨黄河公铁两用桥位于泺口和利津断面之间。该桥将连接黄河南、北两岸，形成新的济南绕城太北环，大大缓解济南市过境交通压力，改善济南市内交通状况；同时对济南市“北跨”战略的实施和沿线县(区)的经济社会发展都将起到较大的推动作用。
本桥铁路为四线，公路为双向六车道，公路、铁路采用上下层布置，公路在上层，铁路在下层。主桥上部结构采用(128+3×180+128)m连续钢桁梁。
跨黄河公铁两用大桥主桥部分为公路铁路共用，下部结构主墩采用单层结构；引桥部分公路铁路分开，为满足跨黄河公路铁路两用大桥下层四线铁路行车限界要求，主桥边墩采用双层门式框架墩。
桥墩结构外形比选主要从以下几个方面开展。
4.1 满足桥墩使用功能
跨黄河大桥主桥结构形式采用(128+3×180+128)m连续钢桁梁，钢桁梁主桁采用三片桁方案。考虑上部结构联长大、横向尺寸大、活载自重大，因此要求下部结构具有足够大的纵向和横向刚度。根据上述要求设计了以下几种主墩方案，如图2所示。
图2 主桥桥墩造型比选图
方案1采用三柱式桥墩，墩顶采用系梁连接，结构轻盈，桥墩立面外形中规中矩，线型较单一；作为刚性桥墩，桥墩侧面采用等截面，从桥墩纵向受力看，墩底截面刚度偏小，在最不利荷载工况下受力极为不利。
方案2采用实心板式截面，外形与方案1相似，缺少舒展的线型。墩身采用实心板式结构连接，虽增加了纵向和横向的刚度，但是，由于墩身横向尺寸较大，从全桥纵向看，桥墩的通透性较差。
方案3采用变截面的实体桥墩，外形较前2个方案有较大的改善，线型协调舒展。由于主桥下部结构纵横向尺寸均较大，采用实体桥墩大大增加了自重，为基础设计增加了一定的难度。从材料用量考虑，实体桥墩墩身和基础材料用量要远大于三柱式桥墩。
方案4在外型上采用了大半径曲线与直线相结合，桥墩整体造型更加新颖流畅，为了节约材料用量，桥墩采用空心墩形式。另外，桥墩顺桥向为变截面，沿黄河顺流而下，高耸的桥墩更显其挺拔而有力，与奔腾的黄河形成相得益彰的效果，而且变截面可以更好的适应桥墩顺桥向的受力要求。该方案的唯一缺点是，由于桥墩立柱间的空心板连接，致使桥墩顺桥向的通透性稍差，在桥墩横桥向尺寸比较大的情况下，船只在桥下通过时视线会有阻挡，而且两侧宛如高墙的桥墩会给人压抑的感觉。
鉴于以上3种桥墩方案的优缺点分析，对主桥桥墩结构进行优化，推出最终的结构型式如图3所示。
图3 主桥主墩结构图
三柱式桥墩与上部钢桁梁三片式主桁相呼应，结构受力较好，墩身及基础材料用量大大节省，外轮廓线型流畅舒展，墩身变截面与桥墩受力特点协调一致。
4.2 满足桥墩防冰凌破坏功能[3]
由于桥位地处黄河冰凌多发河段，桥墩结构防冰凌破坏格外重要，根据三柱式桥墩截面特点及冰凌对桥墩作用位置及方向，2个边柱选用带尖角的五边形截面，尖角为120°。作为桥墩的破冰棱，破冰棱内预埋钢轨以提高抵抗冰凌对桥墩撞击时的破冰能力。桥墩立柱顶部以系梁连接，桥墩整体性较好，纵横向刚度大，桥墩整体破冰和抵抗冰压力的能力较强。桥墩边立柱破冰棱设置如图4所示。
图4 桥墩边立柱破冰棱横断面示意图(cm)
4.3 满足桥敦造型景观功能〖4-5〗
本桥主墩外形线条直曲结合，体现出桥墩充满力量的同时更显优美，桥墩立面造型取形自古代货币外形。桥体的分层结构，使该桥轻透巧致，彰显浓厚的黄河流域建筑风格。该桥梁造型立意深刻，体现了黄河沿岸深厚的历史文化内涵。
由于公路平面线型与铁路平面线型不一致，为适应公路与铁路桥梁上部结构平面相对位置变化的要求，使得主桥边墩需要采用双层框架墩。主桥边墩外形及墩柱截面设计原则与主墩保持一致。边墩特殊性在于一侧接连续钢桁梁，一侧接混凝土梁。接混凝土梁一侧，桥墩应分为上下2层，为适应此结构要求，主桥边墩设计为双层四门式框架墩。边墩立面如图5所示。
综上所述，本文介绍的跨黄河公铁两用大桥，主桥主墩采用单层框架墩，主桥边墩采用双层框架墩，桥墩外形比选对桥墩的使用性能、景观效果以及建筑结构与地方文化融合程度都有重要影响。黄河流域是中华民族五千年文化的发源地，跨越黄河的桥梁座座宏伟壮丽，并且造型与周围环境紧密结合、相得益彰。本桥旨在打通黄河南北两岸交通要道的同时，通过桥墩外形的比选充分展现黄河流域源远流长的文化底蕴，在黄河之上再添一座壮美的风景。
图6 主桥边墩结构图(cm)
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Study on Structural Type of Large Span Combined Highway and Railway Bridge Piers
ZHAO Lei
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142， China)
Abstract：High Speed Railway Bridge has strict requirements on the structure deformation, if the stiffness of the structure is big, the bridge would be large in size, and the bridge would form a strong contrast with the things around. In order to integrate the bridge and the natural environment, history and local customs and culture together, this paper studied the structure selection of the Yellow River combined bridge pier to conclude the focus of the long-span high-speed railway bridge substructure design. The scheme reached the following conclusion, in macrcscopic view, the pier shape should be appropriately combined with function, change the stereotype of the large bridge that focuses only on the upper structure design and ignores the substructure design, to achieve the perfect combination of architectural art and the natural landscape. In microscopic view combining the section of the bridge pier and ice edge design and pier style design together, integrate the multivariate integration concept into the design of bridge. This paper aims at studying piers of large-span bridge and arousing the designer’s attention to aesthetic design of the underpart bridge scheme.
Key words：combined bridge; pier; type
收稿日期：2014-03-04
作者简介：赵磊(1981-)，男，高级工程师。
文章编号：1674—8247(2014)04—0048—04
中图分类号：U448.12+1
文献标志码：A