空中交叉口異形箱梁設計研究

沈海彬

（蘇邑設計集團有限公司,江蘇 南京 210096）

0 引言

隨著我國城市建設的快速發(fā)展，城市道路交通基礎設施不斷建設與完善，城市道路交通網絡日趨完善[1]。道路交叉口是車輛、行人匯集與發(fā)散的必經之處，是城市道路交通系統(tǒng)中重要的組成節(jié)點，是道路路網中的交通咽喉[2]。在城市建設過程中，尤其是大型城市發(fā)展過程中，受歷史原因、地形地勢、城市總體規(guī)劃要求等因素的制約，城市道路交通的建設呈現出越來越復雜的態(tài)勢。一般道路交叉口通常采用路基形式在地面平交，或高架形式立交來組織交通，當兩種交叉口形式均無法滿足要求時，往往需考慮高架空中平交的特殊結構形式[3]。此類工程中，高架空中交叉口的設計是工程建設中的重點，相較于一般高架，空中交叉口幾何呈現出不規(guī)則的特征，同時其結構布置受上下層道路交通組織限制，構造形式更為復雜，雙向受力的結構體系使得設計與施工難度加大。

該文以實際工程案例為背景，對某項目中空中交叉口正交異形箱梁進行研究，分析正交異形箱梁的受力特征及施工過程中的注意事項，為同類型工程提供參考思路與經驗。

1 項目概況

該項目位于某市保障房片區(qū)，區(qū)域南側為保障房用地，北側為規(guī)劃建設用地，如圖1所示。受地形影響，區(qū)域整體呈現出南高北低的態(tài)勢，地塊高程界限明顯，呈3階梯狀分布，北地塊高程約5～7 m；中地塊高程約9～12 m；南地塊高程約 24～33 m；地勢高差造成片區(qū)交通分割嚴重。片區(qū)內橫貫東西向的鐵路、公路、現狀水系割裂了各個地塊間的聯(lián)系，因而在片區(qū)開發(fā)建設中需構建區(qū)內南北貫通的交通體系，削弱干道分割影響，同時在地塊開發(fā)利用、交通設施建設上需考慮消除空間高差裂縫，重構連續(xù)的生活基礎平面，并破除河道天然阻隔，重建片區(qū)與城市其他區(qū)域的聯(lián)系，如圖2所示。

圖1 項目區(qū)位圖

圖2 區(qū)域現狀及規(guī)劃建設目標

該次建設道路為區(qū)域內貫通南北的主干路，設計采用橋梁形式跨越現狀鐵路、公路及水系。道路連接中地塊規(guī)劃建設的雙層環(huán)路，以滿足中地塊內，主干路與環(huán)路上、下層雙層交通通行的建設目標。

空中交叉口位于該次建設主干路與規(guī)劃環(huán)路相交位置，主干路方向斷面寬40 m，環(huán)路方向斷面寬24 m。南北兩個空中交叉口沿環(huán)路方向跨徑布置均為20 m+22 m+20 m=62 m，北交叉口沿主干路方向跨徑布置為20.364 m+20.024 m+20.512 m=60.9 m；南交叉口沿主干路方向跨徑布置為 15.388 m+20.023 m+19.988 m=55.4 m?？罩薪徊婵诋愋蜗淞簝蓚€方向均采用單箱多室斷面，箱梁梁高2 m，頂、底板厚0.25 m，腹板厚0.5 m，中支點橫梁位置橫梁寬2.5 m，箱梁兩個方向均按照A類預應力構件設計。北交叉口箱梁結構平面如圖3所示。

圖3 交叉口異形箱梁構造平面

2 交叉口設計

2.1 設計原則

交叉口是制約道路通行能力的節(jié)點，正確地設計道路交叉口，合理組織和管理交叉口交通，是提高道路通行能力和保障交通安全所必不可少的。

道路交叉口應根據相交道路的類別以及設計車型、車速、交通流量流向，并考慮未來發(fā)展的可能性進行設計；合理配時，盡量增大交叉口的通行能力。該次設計主干路規(guī)劃紅線僅40 m，相交環(huán)路為城市支路，交通量小，故交叉口不做渠化處理。

2.2 交通組織

考慮環(huán)路交通量、主干路紅線寬度均較小，交叉口均不做渠化處理，各交叉口均采用信號控制的交通組織形式。主干路設計車速50 km/h，交叉口為空中平交，車行道、人行道外側需按規(guī)范設置防撞護欄與人行欄桿，平交口視距受交通安全設施影響，故在空中交叉口位置按限速30 km/h控制。

2.3 豎向設計

為服務于整體區(qū)域開發(fā)，方便未來中地塊建設與道路銜接，主干路在中地塊段縱坡設計為0.5%，相交環(huán)路在交叉口采用雙向0.3%縱坡?？罩薪徊婵诰鶠榛炷两Y構，結構復雜，豎向調整空間有限，較小的縱坡削減了平臺結構的內部高差，平臺圓弧段兩端可通過較小坡度平順連接。

3 結構計算模型及結果分析

相比于直線橋梁，空中交叉口異形箱梁的受力特性復雜得多，采用桿系橋梁計算分析方法無法滿足結構計算精度的需要。梁格法是分析異形橋梁上部結構比較實用有效的空間分析方法。它的特點是用等效梁格代替橋梁上部結構，將分散在板、梁每一段內的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內。

結合異形箱梁受力特征，該工程采用橋梁博士V4計算軟件對交叉口異形箱梁采用梁格法進行建模計算，主干路方向箱梁截面分為7道實縱梁，環(huán)路方向箱梁截面分為5道實縱梁。計算考慮恒載、預應力效應、溫度力、上部活載、收縮徐變等對結構的影響進行計算分析，共建立975個節(jié)點，1 504個單元，結構模型如圖4所示。

圖4 有限元計算模型

異形箱梁雙向實梁相交位置采用剛臂連接，其余位置建立虛擬橫梁連接，通過在相交區(qū)域施加向上的荷載，平衡實際建模中多余的自重以與實際情況匹配。經計算，結構縱梁與橫梁的承載能力、各項應力等常規(guī)指標均滿足規(guī)范要求。該文主要針對異形箱梁兩個方向各階段受力狀況對比展開分析，以此為依據，為類似工程的設計、施工及運營管理提供參考。

根據內力計算，運營階段兩個方向特征節(jié)點兩個方向內力大小如表1、表2所示。

表1 Mx彎矩效應表 /（kN·m）

表2 My彎矩效應表 /（kN·m）

由表1、表2可知，計算得到的單實縱梁在兩個方向上的最大正負彎矩大體相當，受力較大的實梁為中墩墩頂縱梁（表中縱梁2、縱梁6、縱梁8、縱梁12）。這部分梁在實際受力中不僅承擔該方向縱梁作用，同時承擔了相交方向的中橫梁作用，因而受力復雜。在這部分支點相交位置，兩個方向預應力束相交，構造復雜，且體積大，在施工中應引起重視。

4 結構施工

4.1 施工方案

城市市政工程建設中，常用的方法主要有預制吊裝法及滿堂支架法。滿堂支架施工時多點支撐，沉降容易控制，張拉時支架反彈小，對結構健康控制有利，線型也同樣容易控制[4]。該次設計空中交叉口異形箱梁結構不規(guī)則，其頂板標高需滿足豎向設計要求，標高控制精度需求高，宜采用滿堂支架法施工。

4.2 施工注意事項

空中異形交叉口箱梁其裸梁混凝土用量指標要高于一般標準箱梁，結構恒載在整體受力中占比更高，因此施工過程中的控制尤為重要，施工中需注意的事項有：

（1）支架預壓：支架預壓的目的是消除支架的非彈性變形[5]，交叉口異形箱梁混凝土用量更大，標高控制要求更高，施工前沉降觀測時間宜適當延長，施工中應加強梁體及支架變形的檢測和控制。

（2）預應力定位與張拉：異形箱梁在兩個方向存在預應力鋼束交叉的情況，在預應力管道相交位置定位鋼筋宜適當加密。張拉預應力過程中，宜遵循先橫梁后腹板，先主受力方向后次受力方向的原則。施工中應先對中橫梁預應力束進行張拉，再張拉腹板預應力鋼束，兩個方向對撐、交替張拉。

（3）混凝土澆筑：異形箱梁在中支點橫梁相交位置預應力相交、鋼筋構造復雜、節(jié)點混凝土尺寸大，施工時應特別注意，保障節(jié)點混凝土的振搗密實，做好入模前的降溫、施工中的養(yǎng)護工作，減少施工期溫度應力對結構的影響。

（4）模板安裝：異形箱梁結構復雜，安裝前應嚴格檢查模板尺寸及形狀，并加強支撐，防止變形，保障美觀。在中間交叉區(qū)域，應以腹板、橫梁相交點作為控制點確定橋面標高，同時保障梁高相同。安裝中要對標高進行嚴格監(jiān)測，減小誤差。

5 結語

該工程依托工程實例，分析項目中的空中交叉口異形箱梁受力特征及施工注意事項，對于類似結構工程應注意：

（1）空中交叉口的結構設計，尤其是下部結構的布置，應結合受力分析結果與下部交通組織共同確定，合理布置結構的縱橫梁格。

（2）結構橫梁相交位置混凝土體積大，預應力交錯，受力復雜，除進行梁格法受力計算外，宜借助實體有限元分析軟件，分析節(jié)點應力分布情況，為結構設計、施工提供指導。

（3）交叉口箱梁結構構造復雜，且恒荷載在結構整體受力中的占比高，應注重施工過程中的控制。①施工中應以受力更大的方向為主控方向；②預應力的定位應準確無誤，在交叉節(jié)點位置，嚴格控制預應力管道、普通鋼筋相互之間的距離，確保澆筑混凝土均勻、密實；③加強施工過程中的觀測，保障控制點定位及標高準確無誤，以及箱梁外立面的整體平順、美觀。