立交匝道橋梁選型設(shè)計(jì)研究

陳文超，吳懷強(qiáng)，李文勃

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

隨著我國(guó)城市化的推進(jìn)，城市交通需求也越來(lái)越大，互通立交逐漸成為城市不可缺少的基礎(chǔ)性設(shè)施。大型城市互通式立交線形復(fù)雜、層次繁多，且一般需要跨越現(xiàn)狀道路，下部條件受到極其嚴(yán)格的限制，互通立交橋梁在有限的空間內(nèi)布設(shè)時(shí)常采用小半徑平曲線[1]，見(jiàn)圖1。

圖1 北京四元立交橋[2]

中小跨徑預(yù)應(yīng)力和鋼筋混凝土箱梁橋，由于技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟且經(jīng)濟(jì)性較好，在國(guó)內(nèi)運(yùn)用最為廣泛。但現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁彎橋因其預(yù)應(yīng)力線形為空間彎曲曲線，設(shè)計(jì)計(jì)算繁瑣、難度大因而在國(guó)內(nèi)匝道彎橋中應(yīng)用較少，預(yù)制的預(yù)應(yīng)力小箱梁一般為直線線形又無(wú)法滿足小半徑平曲線的要求，因此以往國(guó)內(nèi)立交匝道彎橋一般采用18～24 m 跨度的現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋。

鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁通過(guò)鋼梁與混凝土板協(xié)同工作，充分發(fā)揮各自材料的性能，具有強(qiáng)度高、延性好、結(jié)構(gòu)輕、環(huán)保、可回收重復(fù)利用等許多優(yōu)點(diǎn)，其綜合效益顯著[3]。近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)的發(fā)展，組合結(jié)構(gòu)橋梁在國(guó)內(nèi)的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，但鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁大規(guī)模運(yùn)用于立交匝道工程中，國(guó)內(nèi)尚未有探索。

因此，本文以立交匝道橋梁的合理選型為背景，通過(guò)不同橋型方案結(jié)構(gòu)性能的定性分析、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的定量分析及其他綜合性能的對(duì)比分析，探索鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁在國(guó)內(nèi)立交匝道中運(yùn)用的可行性及合理性。

1 立交匝道橋梁合理結(jié)構(gòu)形式選型研究

1.1 立交匝道鋼混組合梁結(jié)構(gòu)選型分析

1.1.1 立交匝道橋梁主要特點(diǎn)及性能需求分析

立交匝道橋梁一般具有以下主要的特點(diǎn)：匝道橋梁為標(biāo)準(zhǔn)寬8.0～9.5 m 的雙車(chē)道；立交匝道橋梁平面線形一般為小半徑平曲線；平曲線轉(zhuǎn)彎處由于車(chē)輛行駛受離心力作用，通常需要設(shè)置超高；立交匝道橋梁常需跨越現(xiàn)狀道路、各層間橋梁相互交叉，橋梁結(jié)構(gòu)選型時(shí)需考慮減少對(duì)現(xiàn)狀交通運(yùn)營(yíng)的影響，提高橋下道路的使用性能。

根據(jù)以上立交匝道橋梁的主要特點(diǎn)，可概括得到立交匝道橋梁相應(yīng)的性能需求如下。

（1）彎扭耦合承載性能

立交橋梁平面線形為小半徑平曲線，彎橋在承受豎向彎曲時(shí)，由于曲率的影響，產(chǎn)生扭矩，而這種扭轉(zhuǎn)作用又將導(dǎo)致截面翹曲變形。彎扭耦合作用將加大橋梁上部結(jié)構(gòu)的受力，因此匝道橋梁對(duì)彎扭耦合的承載力要求高。

（2）抗傾覆性能

彎橋的另一特點(diǎn)是外側(cè)承載較大，在曲線半徑較小時(shí)，梁端的內(nèi)側(cè)支座易產(chǎn)生負(fù)反力，形成支脫空。近年來(lái)國(guó)內(nèi)已有多起傾覆事故發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響，立交匝道橋梁對(duì)抗傾覆性能要求高。

（3）其他綜合性能

為減少對(duì)現(xiàn)狀交通運(yùn)營(yíng)的影響，提高橋下道路的使用性能，立交匝道橋梁應(yīng)具有較大跨越能力和快速化施工的特點(diǎn)。同時(shí)由于橋面超高的存在，橋梁結(jié)構(gòu)的橋面系應(yīng)易于適應(yīng)橫坡變化。另外立交匝道橋梁還應(yīng)注重橋型結(jié)構(gòu)的環(huán)保性能和美觀。

1.1.2 立交匝道鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁選型分析

目前國(guó)內(nèi)工程中的組合結(jié)構(gòu)橋梁，從斷面結(jié)構(gòu)形式上區(qū)分主要有：工形鋼板組合梁和槽形組合梁。為降低鋼梁制造難度、減少后期鋼梁的涂裝和運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用，日本于2000 年起開(kāi)發(fā)窄邊箱組合梁。窄邊箱的鋼箱寬度1.2 m 左右，頂?shù)装鍍H設(shè)置1～2 道縱向加勁肋、箱間設(shè)置60～70 cm 高小橫梁，橫梁間距10 m 左右。窄邊箱組合梁由于構(gòu)件簡(jiǎn)化后，在運(yùn)輸及安裝方面也展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)匝道橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬為8.0～9.5 m 的特點(diǎn)，三種結(jié)構(gòu)形式組合梁的典型斷面布置見(jiàn)圖2～圖4。

圖2 工形鋼板組合梁標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：mm）

圖3 槽形組合梁標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：mm）

圖4 窄邊箱組合梁標(biāo)準(zhǔn)斷面（單位：mm）

根據(jù)立交匝道橋梁的性能需求，將三種斷面形式組合梁橋的性能進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 組合梁橋性能對(duì)比表

表中加工難易包括制造量及制造工序的復(fù)雜程度；維護(hù)難易包括維護(hù)工作量及維護(hù)工序的復(fù)雜程度；安裝難易包括鋼構(gòu)件運(yùn)輸難易、安裝工序的復(fù)雜程度及安裝速度。

由于組合結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)的特性，三種斷面形式的組合梁跨徑一般都能達(dá)到60～80 m，可滿足立交匝道橋跨越能力的需求。但鋼板組合梁在抗彎扭性能方面較差，難滿足匝道彎橋的彎扭耦合承載力要求；相比窄邊箱組合梁，槽形組合梁由于鋼箱截面尺寸大、內(nèi)部構(gòu)件繁多、焊接量大、制造復(fù)雜，不僅安裝難度大，后期的維護(hù)工作也將更復(fù)雜。

通過(guò)以上定性分析可知，窄邊箱組合梁橋是最適宜于立交匝道的組合結(jié)構(gòu)橋梁方案。

1.1.3 窄邊箱鋼混組合橋梁工程實(shí)例

窄邊箱組合梁在國(guó)外已有較豐富的工程實(shí)踐，通過(guò)調(diào)研國(guó)外相關(guān)工程實(shí)例，可得到窄邊箱組合梁橋的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

日本門(mén)真高架立交是于2009 年修建的上跨大阪近畿快速路和第二京阪公路交叉處的重要節(jié)點(diǎn)立交，見(jiàn)圖5。因受周邊建筑無(wú)法拆除的限制和為確?，F(xiàn)狀交通的通行，橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)確定了最大跨徑達(dá)90 m、最小平面曲線半徑僅有100 m 的連續(xù)多跨窄邊箱組合梁[4]。

圖5 日本門(mén)真高架立交橋

日本門(mén)真高架立交橋型結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 門(mén)真高架立交橋型結(jié)構(gòu)參數(shù)表

通過(guò)調(diào)研日本近70 余座窄邊箱組合梁的工程實(shí)例[5]，擬合了其用鋼量與平均跨徑和最大跨徑的相關(guān)曲線，見(jiàn)圖6、圖7。圖8、圖9 擬合了窄邊箱組合梁跨徑與平曲線半徑的相關(guān)關(guān)系圖。

圖6 用鋼量與平均跨徑關(guān)系圖

圖7 用鋼量與最大跨徑關(guān)系圖

圖8 平均跨徑與曲線半徑關(guān)系圖

圖9 最大跨徑與曲線半徑關(guān)系圖

從圖中擬合曲線可以看出：（1）用鋼量與跨徑可大致用直線線性擬合，且用鋼量隨跨徑增大而增大；（2）橋梁跨徑隨曲線半徑增大具有相應(yīng)增大的趨勢(shì)，曲線半徑在400 m 以下時(shí)，橋梁跨徑大部分在40～60 m，曲線半徑在400 m 以上時(shí)，橋梁跨徑可達(dá)90～100 m。

1.2 不同橋型立交匝道橋梁經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

立交匝道橋梁的選型尚應(yīng)通過(guò)計(jì)算不同橋型的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對(duì)比其經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)異。

假定工程場(chǎng)地位于我國(guó)東部沿海地區(qū)，橋梁寬取匝道標(biāo)準(zhǔn)寬度9 m，立交橋下凈空取平均值8 m，下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，樁基按摩擦樁設(shè)計(jì)，樁長(zhǎng)40 m。

下部構(gòu)造尺寸一般由橋墩造型控制，不同跨徑下構(gòu)造尺寸差別不大，因此擬定下部結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸時(shí)暫取統(tǒng)一的構(gòu)造尺寸。上部結(jié)構(gòu)跨徑不同對(duì)下部結(jié)構(gòu)工程量的影響，可通過(guò)下部結(jié)構(gòu)鋼筋數(shù)量指標(biāo)不同加以區(qū)別。同時(shí)經(jīng)設(shè)計(jì)試算可知3×20 m 現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁橋的支反力與3×35 m、3×40 m 窄邊箱組合梁橋的支反力基本相當(dāng)，因此其單個(gè)的下部結(jié)構(gòu)材料數(shù)量也應(yīng)基本相當(dāng)。

標(biāo)準(zhǔn)寬度9 m 的匝道橋上、下部結(jié)構(gòu)尺寸及材料用量指標(biāo)根據(jù)已有的工程實(shí)例擬定后，具體參數(shù)見(jiàn)表3～表5。

表3 擬定3×20 m 現(xiàn)澆箱梁橋的單個(gè)下部結(jié)構(gòu)尺寸及材料數(shù)量表

表5 3×20 m 現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁橋材料數(shù)量表

根據(jù)上述擬定的工程規(guī)模、結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸及工程材料數(shù)量，采用《浙江省市政工程預(yù)算定額（2010版）》[6]編制橋梁預(yù)算清單，進(jìn)行不同橋型方案下的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算時(shí)僅考慮分部分項(xiàng)工程費(fèi)與施工技術(shù)措施費(fèi)之和，規(guī)費(fèi)、稅金及其他暫列金，暫不考慮。

表4 窄邊箱組合梁橋材料數(shù)量表

圖10 分別給出了根據(jù)編制的預(yù)算清單統(tǒng)計(jì)得到的窄邊箱組合梁不同跨徑下（3×30 m、3×40 m、3×50 m、3×60 m、3×70 m）的每平米造價(jià)，從圖10 中曲線可知，3×40 m 窄邊箱組合梁每平米造價(jià)最低。

圖10 窄邊箱組合梁經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

圖10 中不同跨徑組合梁經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化趨勢(shì)雖然以標(biāo)準(zhǔn)寬度9 m 時(shí)統(tǒng)計(jì)得到，但當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)寬度取城市高架主線雙向六車(chē)道25.5 m 時(shí)，仍然能得到相同的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)隨跨徑變化的趨勢(shì)。因此可知，N×40 m為城市高架連續(xù)組合梁的最經(jīng)濟(jì)跨徑布置。

表6 給出了根據(jù)預(yù)算清單統(tǒng)計(jì)得到的3×40 m窄邊箱組合梁、3×20 m 現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁造價(jià)構(gòu)成表。

表6 立交匝道橋梁造價(jià)構(gòu)成表

由表6 可知，3×40 m 窄邊箱組合梁總經(jīng)濟(jì)指標(biāo)約為5 900 元/m2，3×20 m 現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁總經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為約7 000 元/m2。相比現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁，窄邊箱組合梁由于采用鋼結(jié)構(gòu)，在上部結(jié)構(gòu)造價(jià)上更高，但組合梁跨徑增大，相應(yīng)減少了橋墩、承臺(tái)、樁基以及土方開(kāi)挖、轉(zhuǎn)運(yùn)、廢棄等工程量。

綜合而言，下部結(jié)構(gòu)節(jié)省的工程造價(jià)較上部結(jié)構(gòu)增加的工程造價(jià)更多。因此，3×40 m 窄邊箱組合梁最終的綜合單價(jià)相比3×20 m 現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁更低。

3×40 m 窄邊箱組合梁相比3×20 m 現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁每平米綜合單價(jià)節(jié)省了1 100 元/m2，減少了約20%。若考慮全壽命周期內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)綠色可回收的計(jì)算造價(jià)，采用組合結(jié)構(gòu)橋梁其經(jīng)濟(jì)性將更為顯著。

1.3 不同橋型立交匝道橋梁綜合性能對(duì)比

立交匝道橋梁選型除應(yīng)在經(jīng)濟(jì)性上進(jìn)行比選外，尚應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能、耐久性、施工速度及橋梁景觀等綜合性能上進(jìn)行比選研究。

（1）結(jié)構(gòu)力學(xué)性能對(duì)比

組合梁通過(guò)鋼梁與混凝土板協(xié)同工作，充分發(fā)揮各自的材料性能，相比現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁具有更高的強(qiáng)度和延性。

（2）施工速度對(duì)比

立交匝道采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁方案下部結(jié)構(gòu)工程量大，上部結(jié)構(gòu)采用滿堂支架施工，施工周期長(zhǎng)，對(duì)周邊環(huán)境影響大。采用組合梁方案上部結(jié)構(gòu)跨徑大、下部結(jié)構(gòu)工程量小，同時(shí)上部結(jié)構(gòu)可采用預(yù)制吊裝施工，不僅在施工速度上大大加快，同時(shí)減少了對(duì)現(xiàn)狀環(huán)境、交通組織等影響，綜合社會(huì)效益極為顯著。

（3）橋梁景觀

組合梁方案可采用的橋梁跨度大，橋下空間簡(jiǎn)潔、通透，景觀性能更佳。

綜合以上比選可知，窄邊箱組合梁相比現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁具有更優(yōu)的綜合性能。

2 結(jié) 語(yǔ)

本文以立交匝道橋梁合理選型為背景，通過(guò)不同橋型方案結(jié)構(gòu)性能的定性分析、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的定量分析及其他綜合性能的對(duì)比分析可以得到以下結(jié)論：

（1）窄邊箱組合梁相比其他斷面結(jié)構(gòu)形式的組合梁，最適宜于立交匝道橋梁工程。

（2）連續(xù)組合梁運(yùn)用于城市高架主線或立交匝道橋梁工程中時(shí)，N×40 m 為其最經(jīng)濟(jì)的跨徑布置。

（3）相比以往國(guó)內(nèi)立交匝道橋梁工程中20 m 左右跨徑的連續(xù)現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁橋，40 m 跨徑連續(xù)窄邊箱組合梁經(jīng)濟(jì)指標(biāo)預(yù)計(jì)可節(jié)省約20%，且綜合性能更優(yōu)。

立交匝道橋梁工程中采用組合結(jié)構(gòu)橋梁充分發(fā)揮組合結(jié)構(gòu)高強(qiáng)、輕質(zhì)的特點(diǎn)，通過(guò)上部結(jié)構(gòu)大跨度的布置，大幅減少了下部結(jié)構(gòu)工程量，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性、建設(shè)工期、社會(huì)效益和環(huán)保等綜合性能上的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)仍應(yīng)積極發(fā)展鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁技術(shù)，進(jìn)一步研究解決曲線鋼混組合梁的墩梁固結(jié)構(gòu)造、快速化施工等系列技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更大跨、快速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、美觀的目標(biāo)，提升國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)水平。