復(fù)雜城市道路設(shè)計及跨線橋縱向結(jié)構(gòu)計算分析

■李鵬飛

（中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，西安 400050）

隨著城市的飛速發(fā)展和地理條件的限制，城市內(nèi)道路建設(shè)的復(fù)雜程度愈加嚴峻。 城市立交的項目也逐漸增多， 但由于控制因素繁多帶來的設(shè)計困難，引起眾多研究人員的關(guān)注[1-5]。李偉[6]結(jié)合既有鐵路現(xiàn)狀、橋跨布設(shè)等控制條件，在結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)創(chuàng)新、經(jīng)濟性能、施工方案和對既有鐵路影響等方面進行對比分析， 提出了合理的大跨跨線橋橋式方案。 黃韜等[7]以南寧吳圩機場第二高速公路工程（二期：銀燈立交）為例，介紹了BIM 技術(shù)在市政立交橋工程中的應(yīng)用。 趙殿武[8]基于橫琴口岸交通流的復(fù)雜性，結(jié)合現(xiàn)狀眾多的限制條件，優(yōu)化了環(huán)島東路立交設(shè)計方案。 但目前對于復(fù)雜城市立交研究還較為缺乏，并且主要集中在施工環(huán)節(jié)，對于跨線橋及道路的整體設(shè)計較為缺乏?；谏鲜霰尘埃疚囊灾貞c市江北區(qū)盤溪立交項目工程為例， 進行詳細的設(shè)計和有限元分析， 以期為后續(xù)相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

擬建盤溪立交位于重慶市江北區(qū)石馬河街道核心區(qū)域（圖1），是重慶市市級重點工程。 其是在現(xiàn)狀道路的基礎(chǔ)上進行改造， 設(shè)計范圍包括項目中所包含的道路、交通、綠化、結(jié)構(gòu)及管網(wǎng)工程（圖2），具體包括： 松石大道下穿道采用雙室閉口型框架結(jié)構(gòu)L=140 m； 預(yù)留玉帶北路直行下穿道框架L=125 m，預(yù)留盤溪二支路直行下穿道框架L=75 m；1# 人行天橋采用“H”型平面布置，全長約245.05 m，2# 人行天橋為原橋拆除重建，全長43.5 m；管網(wǎng)工程包括新建及對部分現(xiàn)狀管網(wǎng)進行還建設(shè)計。

圖1 項目所在區(qū)域位置

圖2 盤溪立交總體效果圖

擬建場址處現(xiàn)經(jīng)人工改造成城市主干道道路，項目所在區(qū)域地勢呈北高南低， 東西方向坡度較小，地形較平坦，盤溪路北側(cè)最高標高為277.58 m，南側(cè)最低標高為241.78 m，南北高差為35.8 m。

2 道路工程設(shè)計

2.1 控制因素分析及處理措施

本次設(shè)計盤溪立交改造工程設(shè)計關(guān)鍵節(jié)點包括軌道、鐵塔及電力隧道。

2.1.1 軌道

本項目設(shè)計軌道包括環(huán)線、4 號線西延及21 號線，其中21 號線與4 號線西延為遠期規(guī)劃軌道，與本項目空間距離較遠，如圖3 所示。 環(huán)線（玉帶山至南橋寺區(qū)間段）為在建軌道，本項目對環(huán)線影響最不利點位于玉帶北路下穿道開挖處， 該處松石大道路面與軌道拱頂?shù)淖钚艨崭叨葹?7.2 m，預(yù)留地通道開挖底標高與軌道拱頂豎向最小凈空為8.7 m。

圖3 盤溪立交與軌道交通位置關(guān)系

2.1.2 鐵塔

盤溪立交與軌道交通關(guān)系如圖4 所示，電力鐵塔為220 kV 竹九高壓線20# 塔，采用樁礎(chǔ)，其基底標高243.742 m， 地面標高為263.50 m， 樁基截面1 m×1 m，承臺截面1.8 m×1.8 m；本項目玉帶北路下穿道臨近該鐵塔，在下穿道樁號K1+267.206 位置處，下穿道距離鐵塔最近，開口線距離鐵塔外側(cè)現(xiàn)狀擋墻約6 m，該處下穿道路面標高為253.590 m，在下穿道開挖過程中，需加強對該鐵塔的保護。

圖4 盤溪立交與鐵塔位置關(guān)系

2.1.3 電纜隧道

玉帶二支路下穿道在樁號K0+978.200 處與電力隧道樁號B0+467.761 相交， 設(shè)計下穿道路面標高為243.523 m， 電力隧道管底標高為238.313 m，下穿道開挖后底部距電力隧道頂部距離為0.845 m，距離較近，下穿道的荷載會對電力隧道造成影響，如圖5 所示。 本項目在電力隧道兩側(cè)設(shè)置樁基支承、架空電力隧道頂部方式來避免對電力隧道的影響，在兩側(cè)各設(shè)置3 根直徑1.2 m 的樁基，擬采用人工開挖，避免機械擾動對電力隧道的影響。

圖5 盤溪立交與電纜隧道位置關(guān)系

2.2 主線平面

2.2.1 松石大道

松石大道（盤溪立交段）設(shè)計起點位于松石大道與盤溪一支路交叉口處，終點位于金果園小區(qū)外側(cè)，道路全長1346.601 m。

K0+000～K0+420 段是在現(xiàn)狀道路的基礎(chǔ)上進行渠化拓寬，K0+420～K0+620 段為松石大道下穿道擋墻段，K0+620～K0+760 段為松石大道下穿道框架段，K0+760～K0+985 段為松石大道下穿道擋墻段，K0+985 至終點是在現(xiàn)狀道路的基礎(chǔ)上進行渠化拓寬。

受西側(cè)現(xiàn)有高壓鐵塔220 kV 的竹九東線和110 kV 的竹盤西線的限制，松石大道（立交段）將道路中線在紅線范圍內(nèi)做細微調(diào)整， 在K0+271.824處與K0+392.441 處分別增設(shè)半徑R=2000 m 的圓曲線，道路中線向南側(cè)擺動了約7 m，避開了現(xiàn)狀高壓鐵塔。

2.2.2 盤溪路

盤溪路（盤溪立交段）是在現(xiàn)狀道路基礎(chǔ)上進行改造，起點K0+000 與現(xiàn)狀盤溪三支路平面交叉，終于盤溪一支路交叉口處，道路全長950.312 m，道路線形與現(xiàn)狀保持一致， 全線未設(shè)置平曲線。K0+000～K0+130 段是在現(xiàn)狀道路的基礎(chǔ)上進行渠化拓寬，K0+130～K0+285.335 段為盤溪路上跨橋擋墻路段，K0+285.335～K0+584.135 段為盤溪路上跨橋橋梁段，K0+554.135～K0+740 段為盤溪路上跨橋擋墻路段，K0+740 至終點段是在現(xiàn)狀道路的基礎(chǔ)上進行渠化拓寬。

2.3 立交匝道

在松石大道下穿道以及盤溪路上跨橋兩側(cè)地面設(shè)置A、B、C、D 共4 條匝道， 匝道線形與主線一致，通過匝道進入中層平交口，實現(xiàn)車輛往各個方向的轉(zhuǎn)向功能。 A 匝道全長559.085 m，B 匝道全長570.622 m，C 匝道全長610 m，D 匝道全長610 m，匝道標準寬度為8 m，單向2 車道，具體渠化情況以平面布置為準，匝道設(shè)計時速為40 km/h。

2.4 縱斷面設(shè)計

2.4.1 主線縱斷面設(shè)計

（1）松石大道（盤溪立交段）縱斷面設(shè)計。 松石大道（立交段）全長1346.601 m，其中K0+000～K0+420 為現(xiàn)狀道路縱坡擬合段，K0+420～K0+985 為縱坡改造段，K0+985 至終點為現(xiàn)狀道路縱坡擬合段，如圖6 所示。 設(shè)計起點K0+000 位于松石大道與盤溪一支路交叉口處，起點設(shè)計標高H=259.2 m，先以0.76%的上坡至松石大道（立交段）K0+370.018 處，然后以5.0%的下坡開始下降至樁號K0+702.374，再以5.0%的上坡至樁號K0+940， 最后以0.65%的縱坡與現(xiàn)狀道路縱坡接順， 終點設(shè)計標高H=259.92 m。

圖6 松石大道（盤溪立交段）縱斷面

（2）盤溪路（盤溪立交段）縱斷面設(shè)計。 盤溪路（立交段）全長950.312 m，其中K0+000～K0+130 段為現(xiàn)狀道路縱坡擬合段，K0+130～K0+740 段為縱坡改造段，K0+740～K0+950.312 段為現(xiàn)狀道路縱坡擬合段，如圖7 所示。 盤溪路（立交段）設(shè)計起點K0+000 位于盤溪路與盤溪三支路交叉口處， 起點設(shè)計標高H=277.36 m，先以5.0%的下坡至樁號K0+170處，然后以0.5%的下坡至樁號K0+430，再以6.0%的下坡至樁號K0+690， 進而以5.0%的下坡擬合現(xiàn)狀道路縱坡至樁號K0+848.025， 最后以2.0%的下坡擬合現(xiàn)狀道路縱坡至本次設(shè)計終點K0+950.312，終點設(shè)計標高H=242.02 m。

圖7 盤溪路（盤溪立交段）縱斷面

2.4.2 立交匝道縱斷面設(shè)計

（1）A 匝道：A 匝道為松石大道設(shè)計左幅地面輔道，匝道自西向東全長559.085 m，起點K0+000 與主線松石大道標高順接，道路全線基本擬合現(xiàn)狀道路縱坡，起點設(shè)計標高H設(shè)=258.95 m，先以3.6%的下坡與主線縱坡接順， 至樁號K0+45 處開始變坡，以0.5%的下坡至樁號K0+338.378， 最后以0.65%的上坡至終點。

（2）B 匝道：B 匝道為松石大道設(shè)計右幅地面輔道，匝道自西向東全長570.622 m，起點K0+000 與主線松石大道道路標高順接，道路全線基本擬合現(xiàn)狀道路縱坡， 起點設(shè)計標高H設(shè)=258.95m， 先以3.6%的下坡與主線縱坡接順，至樁號K0+45 處開始變坡，以0.75%的下坡至樁號K0+291.358，最后以0.65%的上坡至終點。

（3）C 匝道：C 匝道為盤溪路設(shè)計右幅地面輔道，匝道自北向南全長610 m，起點K0+000 與主線盤溪路標高順接， 道路全線基本擬合現(xiàn)狀道路縱坡，起點設(shè)計標高H設(shè)=270.74 m，先以5.0%的下坡與主線縱坡接順， 至樁號K0+050 處開始變坡，以6.0%的下坡至樁號K0+245，然后以1.3%的下坡至樁號K0+541.486，最后以5.0%的下坡至終點，與盤溪路主線縱坡及標高接順。

（4）D 匝道：D 匝道為盤溪路設(shè)計左幅地面輔道，匝道自北向南全長610 m，起點K0+000 與現(xiàn)狀道路標高順接， 道路全線基本擬合現(xiàn)狀道路縱坡，起點設(shè)計標高H設(shè)=270.74 m， 先以5.0%的下坡與主線縱坡接順， 至樁號K0+050 處開始變坡，以6.0%的下坡至樁號K0+245，然后以1.3%的下坡至樁號K0+541.486，最后以5.0%的下坡至終點，與盤溪路主線縱坡及標高接順。

2.5 橫斷面設(shè)計

車行道寬度： 本項目為盤溪立交改造工程，兩條相交主線道路分別為松石大道與盤溪路，均為現(xiàn)狀道路，故橫斷面設(shè)計首先應(yīng)考慮本項目起終點道路的銜接。

（1）松石大道下穿道擋墻段橫斷面設(shè)計。 松石大道（立交段）（K0+420～K0+620、K0+760～K0+985）標準路幅寬度根據(jù)規(guī)劃紅線確定為82 m，具體路幅分配如圖8(a)：82.0 m=19.0 m（人行道及綠化帶）+8.0 m （匝道）+0.5 m （設(shè)施帶）+0.75 m （檢修道）+11.75 m（主線車行道）+2.0 m（中分帶）+11.75 m（主線車行道）+0.75 m（檢修道）+0.5 m（設(shè)施帶）+8.0 m（匝道）+19.0 m（人行道及綠化帶）。

（2） 松石大道下穿道框架結(jié)構(gòu)段橫斷面設(shè)計。松石大道下穿道框架結(jié)構(gòu)段 （K0+620～K0+760）路幅分配如圖8(b)：27.0 m=0.75 m（檢修道）+11.75 m（車行道）+0.5 m（檢修道）+1.0 m（隔墻）+0.5 m（檢修道）+11.75 m（車行道）+ 0.75 m（檢修道）。

（3）盤溪路上跨橋擋墻路段橫斷面設(shè)計。 本次盤溪立交改造設(shè)計將盤溪路改為上跨松石大道，上跨橋路幅寬度定為18 m，雙向4 車道。 盤溪立交北側(cè)擋墻路段路幅寬度為75 m （K0+130 ～K0+258.335），其路幅分配如圖8(c)：75.0 m=19.75 m（人行道及綠化帶）+8.0 m （匝道）+0.75 m （檢修道）+0.5 m（設(shè)施帶）+8.25 m（主線車行道）+0.5 m（硬質(zhì)隔離）+8.25 m（主線車行道）+0.5 m（設(shè)施帶）+8.0 m（匝道）+19.75 m（人行道及綠化帶）。 盤溪立交南側(cè)擋墻路段路幅寬度為82 m（K0+584.135～K0+740），其路幅分配為：82.0 m=23.25 m（人行道及綠化帶）+8.0 m （匝道）+0.75 m （檢修道）+0.5 m （設(shè)施帶）+8.25 m（主線車行道）+0.5 m（硬質(zhì)隔離）+8.25 m（主線車行道）+0.5 m（設(shè)施帶）+0.75 m(檢修道)+8.0 m（匝道）+23.25 m（人行道及綠化帶）。

（4）盤溪路上跨橋橋梁段橫斷面設(shè)計。 盤溪立交上跨橋橋梁段（K0+258.335～K0+584.135）路幅分配如圖8(d)：18 m=0.5 m（設(shè)施帶）+8.25 m（車行道）+0.5 m（硬質(zhì)隔離）+8.25 m（車行道）+0.5 m（設(shè)施帶）。

（5）玉帶北路、玉帶二支路框架段橫斷面設(shè)計。預(yù)留玉帶北路、玉帶二支路下穿道標準橫斷面路幅寬度為9.5 m，分配如圖8(e)：9.5 m=0.75 m（檢修道）+8.0 m（車行道）+0.75 m（檢修道）。

圖8 橫斷面設(shè)計

3 盤溪立交跨線橋主線橋計算

3.1 工程概況

盤溪立交跨線橋上跨松石大道及人行天橋。 其中，人行天橋利用吊桿作為支撐，將吊桿上端直接錨固在主線橋的底板內(nèi)。 第二聯(lián)主橋跨徑組成為（40+62+40）m， 上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，單箱三室斷面。

3.2 計算模型及參數(shù)

3.2.1 計算模型

本次設(shè)計計算采用MIDAS/Civil 2017 結(jié)構(gòu)分析軟件。 本橋上部箱梁為單箱雙室等截面箱梁，典型斷面如圖9 所示。 擬采用單梁模型，按主梁豎曲線線形建立有限元模型。 為分析各個支座實際受力情況，預(yù)應(yīng)力鋼束、支座位置均按實際位置模擬準確。主橋（第三聯(lián)）劃分64 個梁單元、69 個節(jié)點及4 個邊界單元，引橋（第一、三聯(lián)）劃分64 個梁單元、69 個節(jié)點以及4 個邊界單元。 主橋計算模型如圖10 所示。

圖9 典型斷面示意圖

圖10 箱梁消隱模型

3.2.2 計算荷載

一期恒載包括預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼筋混凝土容重26 kN/m3；鋼絞線、鋼筋容重78.5 kN/m3；天橋荷載：主橋跨中承受天橋自重荷載為1210 kN。 二期恒載包括護欄：單側(cè)每延米自重為10 kN/m；瀝青混凝土鋪裝厚度10 cm，容重23 kN/m3；天橋人群荷載：主橋跨中承受天橋人群荷載最大為830.8 kN。 基礎(chǔ)不均勻沉降：主橋各橋墩沉降按15 mm 計，引橋各橋墩沉降按10 mm 計，取最不利組合。 溫度梯度根據(jù)規(guī)范規(guī)定，梯度升溫溫度T1=14℃，T2=5.5℃；梯度降溫溫度T1=-7℃，T2=-2.75℃。

3.3 主橋（第二聯(lián)）縱橋向計算結(jié)果分析

圖11（a）為主梁抗彎承載能力包絡(luò)圖，綠線表示抗力，在基本組合作用下，主梁彎矩效應(yīng)均小于抗力，抗彎承載能力極限狀態(tài)滿足規(guī)范要求，并且富裕較大。 圖11（b）為主梁抗剪承載能力包絡(luò)圖，綠線表示抗力，在基本組合作用下，主梁剪力效應(yīng)均小于抗力，抗剪承載能力極限狀態(tài)滿足規(guī)范要求。

圖11 主梁內(nèi)力承載能力包絡(luò)圖

圖12 主梁上下緣最小正應(yīng)力包絡(luò)圖（頻遇值組合）

圖13 為主梁撓度示意圖， 驗算結(jié)果表明汽車荷載撓度值小于L/600，滿足規(guī)范要求，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的長期返拱值大于按荷載頻遇值組合計算的長期撓度值，可不設(shè)置預(yù)拱度。

圖13 主梁撓度示意圖

4 結(jié)論

本文依托重慶市江北區(qū)盤溪立交項目工程，對主要道路進行設(shè)計， 對跨線橋進行設(shè)計和計算分析，主要結(jié)論如下：（1）盤溪路（立交段）全線共設(shè)置4 處豎曲線， 最大縱坡6.0%， 最小豎曲線半徑R=1800 m，最小豎曲線長度L=81.92 m，最小坡長L=158.025 m。（2）通過有限元軟件MIDAS 對主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計進行數(shù)值仿真建模， 采用設(shè)計荷載和組合，分析了主橋結(jié)構(gòu)的安全性， 證明設(shè)計合理且安全；研究成果對今后類似工程具有重要的參考借鑒意義。