連續(xù)剛構(gòu)混凝土彎箱梁匝道橋設(shè)計與計算

秦向杰

（東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司,江蘇 南京 210096）

1 工程概況

1.1 工程簡介

城市高架及互通橋梁設(shè)計大多以多跨現(xiàn)澆連續(xù)箱梁為主，在跨越被交道路時常采用主跨一跨跨越的連續(xù)梁橋，橋梁位于互通匝道上時常被設(shè)計成彎箱梁橋。對于跨徑較大、墩高較高的橋梁，常采用墩梁固結(jié)的變截面連續(xù)剛構(gòu)橋。隨著城市規(guī)模的擴大，高墩大跨變截面彎箱梁橋的應(yīng)用越來越普遍，其設(shè)計也越來越受到橋梁設(shè)計者的重視[1]。以下結(jié)合湖州二環(huán)北路蘇家莊立交節(jié)點匝道橋的設(shè)計介紹該類橋梁的具體設(shè)計方法。

湖州內(nèi)環(huán)北線連接湖州北部片區(qū)，是北部區(qū)域?qū)ν鉁贤ǖ闹匾ǖ溃卷椖繉τ跇?gòu)建湖州市路網(wǎng)體系，加強北部片區(qū)東西方向的溝通均具有重要的意義。路線西起西塞山路，東至三環(huán)東路，途經(jīng)輕紡路、龍溪北路、青銅路、體育場路，內(nèi)環(huán)東路、朱洪南路、大升路等主要交叉道路，沿線跨越龍溪港、新塘港、大錢港三處航道，全長約9.71 km。

SC匝道橋第5聯(lián)是內(nèi)環(huán)北線蘇家莊立交互通節(jié)點上的一聯(lián)箱梁，其平面位于R=100 m圓曲線及A=77.46 m的緩和曲線上，橋梁連續(xù)跨越SE匝道橋、杭長橋路主線橋及SF匝道橋，跨徑布置為30 m+49 m+30 m，橋梁寬度10 m，采用整幅橋斷面形式。其平立面布置見圖1、圖2。

圖1 SC匝道第5聯(lián)平面布置（單位：m）

1.2 橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市快速路兼一級公路。

（2）設(shè)計車速：匝道橋40 km/h。

（3）汽車荷載等級：城-A級并滿足公路-I級。

（4）環(huán)境類別：I類。

（5）設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a。

（6）設(shè)計使用年限（主體結(jié)構(gòu)）：100 a。

（7）設(shè)計安全等級：一級。

2 橋梁結(jié)構(gòu)尺寸初步擬定

初步設(shè)計階段，對箱梁尺寸總體擬定如下：箱梁邊跨及中跨跨中梁高均為1.8 m，主墩處梁高2.8 m，梁高變化規(guī)律采用二次拋物線過渡。箱梁采用單箱單室截面，外側(cè)腹板采用斜腹式+倒圓弧形式，邊腹板斜率為1.5∶1，箱梁懸臂與斜腹板間設(shè)置半徑2.5 m圓弧。箱梁橫坡通過箱梁頂、底板共同傾斜形成，采用搭支架整體現(xiàn)澆的施工方法。

圖2 SC匝道第5聯(lián)橋型布置圖（單位：cm）

箱梁懸臂長1.75 m，懸臂端部厚20 cm，懸臂根部（虛交點）厚38 cm，懸臂端部預(yù)留10 cm長度與外側(cè)墻式護欄一起澆筑；頂板厚度28 cm；跨中腹板厚度為50 cm，主墩墩頂兩側(cè)各8 m范圍內(nèi)腹板厚度80 cm，過渡段長度5m，線性過渡?？缰械装搴穸?8 cm，主墩墩頂附近底板厚度50 cm，厚度變化規(guī)律按二次拋物線變化。

主墩墩頂設(shè)置厚度為2 m的中橫梁，邊墩處設(shè)置厚度1.5 m的端橫梁，主跨跨內(nèi)設(shè)置厚度為0.35 m的均勻布置的橫隔板2道，邊跨跨中設(shè)置厚度為0.35 m的橫隔板1道；中橫梁及橫隔板上設(shè)置人孔，邊跨側(cè)中橫梁附近底板設(shè)置?80 cm檢修孔。

3 縱橋向受力分析及優(yōu)化

縱橋向整體計算采用“橋梁博士3.6”平面桿系計算程序，主梁和主墩共同參與受力，在邊墩位置按支座模擬，主墩底部根據(jù)地基土特性按實際彈性系數(shù)模擬其邊界條件，全橋共劃分為113個單元，見圖3。

3.1 對腹板斜率的優(yōu)化

結(jié)構(gòu)尺寸初步擬定時邊腹板斜率等參數(shù)的選取考慮與相鄰聯(lián)等高箱梁參數(shù)一致。由于匝道箱梁橋?qū)捳▋H為10 m），本聯(lián)箱梁在主墩墩頂處梁高較高（2.8 m），較小的腹板斜率使得墩頂附近位置底板寬度過小，根據(jù)表1計算結(jié)果，在主墩墩頂附近部分截面底板受壓區(qū)高度不滿足規(guī)范要求。

圖3 全橋結(jié)構(gòu)計算模型

表1 結(jié)構(gòu)承載能力驗算表（腹板斜率1.5∶1，倒角R=250 cm）

設(shè)計把邊腹板斜率適當(dāng)增大至3∶1，從表2可以看出，腹板斜率調(diào)整后，截面受壓區(qū)高度均能滿足規(guī)范要求，同時截面構(gòu)造也兼顧了箱梁美觀，見圖4。

表2 結(jié)構(gòu)承載能力驗算表（腹板斜率3∶1，倒角R=170 cm）

3.2 箱梁梁高優(yōu)化調(diào)整

常規(guī)變截面連續(xù)剛構(gòu)橋一般采用縱橋向以主墩為對稱軸左右側(cè)梁高對稱變化，到梁端支點及主跨跨中箱梁梁高均變化至同一數(shù)值，本橋由于平面布置條件受限，箱梁邊中跨跨徑比值為30/49=0.61，邊跨跨徑偏小，導(dǎo)致中跨內(nèi)力和彎矩比邊跨增加較多，結(jié)構(gòu)受力不合理。

圖4 箱梁優(yōu)化前后主墩處斷面布置（單位：cm）

從圖5可以看出，在中跨跨中梁高調(diào)整為2.1 m時（邊跨端部梁高保持1.8 m不變），中跨跨中箱梁底板最小壓應(yīng)力富余從0.5 MPa提高到1.9 MPa，結(jié)構(gòu)受力更為合理。

圖5 正常使用極限狀態(tài)荷載組合II主梁截面應(yīng)力圖（單位：MPa）

4 邊墩支座脫空驗算

平面小半徑彎梁橋需要重點考慮各支座的脫空情況及橋梁整體在最不利工況下是否傾覆。本聯(lián)橋梁為連續(xù)剛構(gòu)，無橋梁整體傾覆風(fēng)險，但仍需考慮端橫梁處各支座的最小支反力驗算，以保證最不利組合下結(jié)構(gòu)處于受壓穩(wěn)定狀態(tài)。

采用Midas civil 2019空間結(jié)構(gòu)計算分析軟件建立模型（見圖6），驗算在不同端支座橫向間距情況下支反力情況。

圖6 全橋Midas空間結(jié)構(gòu)分析模型

從表3可以看出，當(dāng)梁端橫向支座間距為2.3 m時，承載能力最不利組合各支座最小反力均為負(fù)值，結(jié)構(gòu)存在支座脫空的不穩(wěn)定狀況。當(dāng)梁端橫向支座間距加寬至4 m時，3#邊墩處外側(cè)支座有最小支反力139 kN（受壓），所有支座均處于受壓狀態(tài)，且有一定的安全儲備，從而保證了全橋結(jié)構(gòu)的橫向整體穩(wěn)定。

截面位置承載能力最不利組合最小支反力/kN（端橫梁處支座間距2.3 m）承載能力最不利組合最小支反力/kN（端橫梁處支座間距4 m）0#邊墩處外側(cè)支座 -857.1 198.5內(nèi)側(cè)支座 -350.9 562.7 3#邊墩處外側(cè)支座 -923.6 139.0內(nèi)側(cè)支座 -419.4 464.3

5 結(jié)論

連續(xù)剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土彎箱梁匝道橋在設(shè)計過程中，結(jié)合本項目設(shè)計情況，應(yīng)注意以下幾個方面：

（1）匝道橋橋?qū)捿^窄，主墩處梁高較高，較小斜率的斜邊腹板設(shè)計導(dǎo)致主墩處底板寬度較小，容易導(dǎo)致承載能力極限狀態(tài)下底板受壓區(qū)高度驗算不滿足規(guī)范要求。設(shè)計時應(yīng)注意在兼顧橋梁美觀的前提下，適當(dāng)增大邊腹板斜率，以保證主墩附近底板受壓區(qū)高度驗算滿足規(guī)范要求。

（2）由于本橋布跨條件受限，橋梁邊中跨跨徑比值僅為0.61，偏小，直接導(dǎo)致主跨受力不利，本項目采用增大主跨跨中控制點梁高方式改善結(jié)構(gòu)受力狀況。建議在條件允許的情況下，盡量增大邊中跨跨徑比值至0.65～0.8之間。

（3）平面小半徑彎箱梁橋橫橋向支座脫空驗算是設(shè)計應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注的內(nèi)容，本項目當(dāng)端橫梁橫向支座間距由2.3 m調(diào)整為4 m時，結(jié)構(gòu)處于全部受壓穩(wěn)定狀態(tài)。建議在有條件情況下盡量加大橋墩支座橫向距離，保證橋梁結(jié)構(gòu)橫向整體穩(wěn)定性。