枢纽小半径斜弯坡桥梁设计问题研究

1 概述

吉县至河津高速公路是山西省高速公路网西纵的重要组成部分，北接西纵隰县至吉县段高速公路并与临吉高速十字交叉，南接西纵河津至运城段高速公路并与侯禹高速十字交叉，在与临吉高速交叉位置设置吉县枢纽。

该立交枢纽设 A，B，C，D，E，F，G，H 共 8 条匝道，枢纽所处地形异常复杂，共设置小半径斜弯坡桥梁15座，设计难度很大，其中位于G，H上的匝道桥梁均处于半径70 m～80 m的小半径曲线上，其他匝道桥梁所处半径也较小，且分别位于变宽分叉线形上。

本枢纽桥梁设计中，主要采用了现浇曲线连续箱梁结构，考虑到施工的进度及方便性，部分桥跨采用了装配式与现浇组合结构。枢纽立面布置图及枢纽桥梁断面图见图1，图2。

图1 枢纽立面布置图

2 设计问题分析

2．1 总体计算

立交枢纽中的桥梁多以小半径、斜弯坡等其他异型结构为主，对于半径较大或者平面宽度变化趋势不大的桥梁，可以采用平面杆系的理论进行结构分析计算。但是对于立交枢纽内大部分平面半径较小(通常小于150 m)或斜交角度大于10°的桥梁及宽度变化较为剧烈的分叉变宽异型桥梁，就必须采用梁格法进行梁体空间结构分析，这样才能更准确的反映出梁体各部位的受力状态。

图2 枢纽桥梁断面图

工程设计人员在进行实际工程设计操作时，可以先采用平面杆系软件进行配束调束工作，完成配束调束后，再利用梁格法空间分析软件进行结构的验算。

需要特别注意的是，在工程设计人员配束调束的过程中，对于受力复杂的桥梁结构，在应力、承载力等受力指标上应该进行严格的控制，以便于在空间分析时，结构验算能够满足要求。

2．2 横隔板受力分析

就我国目前现行的桥梁规范而言，没有对桥梁横隔板的计算分析给出详细的指导方法。但是，目前比较惯用的实际设计方法是以“腹板剪力法”“恒载按腹板均布，活载按影响线移动布置”及“荷载均布法”等方法为主。实际设计时，恒载按照恒载产生的支反力除以腹板数，作用在腹板具体位置，对位于平曲线内的桥梁，需要考虑外侧腹板的增大系数，护栏的荷载按照实际位置加载，活载则按照影响线移动布置。从目前国内大量的参考文献中可以得知，这种计算模式应该和主梁实际的受力状态较为接近。

工程设计人员在进行实际工程设计时，需要特别注意的是，按照这种方法计算完成后，需要用其他的计算方法对其结果进行校核，以确保桥梁主体结构的安全。

2．3 支座预设置偏心问题

在我们实际工程设计中，绝大部分的匝道桥梁中间桥墩都设置为无抗扭刚度的点支撑支座，预设中间支座一定的偏心值，可以改善桥梁的内扭矩，从而使得桥梁的最大、最小的绝对扭矩值基本接近，以减少抗扭钢筋的用量，同时也能够有效的改善桥台处的扭矩，避免支座的落空现象，使得各个支座能够协同工作，有效的防止了主梁的倾覆。

2．4 桥面板横向计算

通常桥面板的横向计算采用框架模拟计算，而没有采用单向板或者双向板的计算模式。我们在计算中会发现:按照单向板计算桥面板时，与桥面板的实际受力情况不符合，容易导致错误的配筋形式;在布置横向预应力时，在箱室顶板跨中处下弯，而实际上是不需要的，只需要在桥面板的上缘配置直线通长的预应力钢绞线即可。因此，采用框架式计算模型对桥面板进行横向分析，其结果更接近梁板的实际受力状态。

3 桥梁布孔探讨

本项目立交枢纽属于大型枢纽式互通立交，受到地形地物及交叉物的限制，平面线形较为复杂。桥梁布设大部分均以小半径弯桥和其他异型现浇桥梁为主，对工程设计人员的专业水平及设计经验都会有较高的要求。特别是在当前设计任务重，工作量大，时间要求紧迫的情况下，如何更好、更快、更经济、更安全、更美观的设计出好的立交枢纽桥梁，对设计人员是较大的考验。

互通枢纽内桥梁布孔方案的设计是枢纽立交桥梁设计的灵魂，直接关系到桥梁的安全、造价、施工难易程度、美观程度，甚至关系到桥梁在互通方案中的合理性。互通枢纽内的桥梁往往要将整个枢纽区内的桥涵布设统一考虑进去，而且更多的要考虑施工的可行性。

互通枢纽内桥梁布孔的设计还应充分考虑沿线的自然条件、社会条件、地质条件，同时还要结合本项目的特点和难点，从而选择合理的桥型方案，以尽可能的减少工程对土壤环境、水环境、生物环境、自然环境的影响和破坏。

互通枢纽内的桥梁施工方案的选择对桥梁布设也有着很重要的影响。桥梁全部采用现浇连续结构虽然造型较为美观，且可以适应绝大多数平面线形的要求，但是施工难度较大，工期较长。因此，工程技术人员应该在有条件的情况下，尽可能的选用预制结构，或者预制与现浇组合结构的设计方案。这样既减少了项目的建设成本，也解决了现浇桥梁曲线多跨钢绞线施工空间问题，同时还可以有效的解决单端逐孔张拉引起的各联桥梁施工相互制约的问题。但是需要注意的是，采用的预制结构应该在外观上与现浇结构协调一致，既外形美观又方便施工。

桥梁在布孔时除考虑所跨越的构造物外，应结合实际线形，桥梁高度，变宽趋势等指标。布孔时应尽可能优先采用16 m～30 m的常用跨径，分联尽可能设置在宽度变化的起终点。S形桥梁当两侧反向半径均较小的情况下，桥梁受力特别复杂，尤其是采用独柱结构的S形桥梁受力更为复杂，此时应该考虑在中间连接的缓和曲线上分割成两联不同方向的桥梁结构进行受力分析。同时可适当的减小桥梁的联长或者有选择性的采用双柱式支撑结构体系。

在实际的工程设计中，需要特别注意的是，多数桥梁工程技术人员往往认为路线平纵面资料是桥梁设计的基础资料，无论桥梁设计多么复杂都不能改变。实际上立交枢纽方案和桥梁设计方案是相辅相成的，不是一点都不可以改变的。立交枢纽的匝道线形布设时应同时考虑到桥梁设计施工的可能性及难易程度。比如，分叉端的桥梁布置受到路线分叉的影响就会很难设计，但是如果分叉的位置能够前后适当调整，就可以给桥梁的设计提供很大的便利，同时也方便施工。

4 结语

互通枢纽区的桥梁设计除要求有丰富的桥梁设计经验、扎实的结构分析理论基础外，还应该具备一个全局性的统筹思考的思维角度，要具备总体设计的思想意识。

小半径曲线桥梁的内外支反力很不均匀，主要原因是由于预应力和温度梯度引起的，温度由桥梁所处的环境决定，不可改变。预应力的设置则根据弯梁桥的受力特点进行合理的调束，内外侧腹板钢束会有所不同。因此建议小半径的曲线桥梁(半径小于80 m的桥梁)宜设计成钢筋混凝土结构的连续梁桥或者钢结构箱梁桥，因为预应力的布置以及支座的设置，作为空间特性非常明显的小半径曲线桥梁，位移趋势难以预测，很有可能导致支座脱空和梁体的横向爬移。

斜交的连续箱梁桥的梁端变形会比较复杂，伸缩缝的设置应该比正交桥梁的伸缩量要大一些，或者建议选择多向变形的伸缩缝装置。

小半径曲线桥梁的支座布置，应该在计算约束的情况下必须有效约束，结构位移的位置需要释放的就应该放开。众所周知，国内多起桥梁倾覆变形事故已经说明了支座在小半径桥梁中的设置方式与结构本身的受力安全处于同样重要的地位。

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