半幅高架与环形匝道组合互通式立交桥设计

胡学奎

（甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730030）

1 项目背景

兰州市为破解交通拥堵难题，启动了重要拥堵路段交通节点的改造，完善市区交通服务功能，提升城市整体形象。小西湖立交桥改造是兰州市立体交通节点的改造的首个开建工程和重点工程。

小西湖立交改造工程位于南滨河中路。南滨河中路是一条沿东西方向布设的双向6车道的城市主干路，是兰州黄河风情线重要组成部分。原小西湖立交由于受修建时资金、地理条件等制约，未修建左转弯车道，为不完全互通式立交。自西向东行驶的车辆只能违章掉头后从自东向西的方向右转弯上桥；而自北向南过河的车辆也无法左转弯下桥，只能右转弯下桥后在兰州军区总医院附近掉头后向东行驶。伴随着兰州城市交通量的不断增加，由此造成的交通不便和存在的交通安全隐患日益凸现，迫切需要对小西湖立交进行改造。通过改造尽量消除或减少小西湖立交缺陷造成的上下左转弯及直行左转弯不畅问题。

该立交改造主线技术标准：城市主干路，路幅宽度40 m，桥面净宽10 m，净空高度为5 m，设计车速50 km/h，最大纵坡3.9%，设计荷载为城-A级。匝道技术标准：路幅宽度8m，桥面净宽 6.5m，设计车速20～30 km/h，匝道最小半径为15m，匝道最大纵坡3.9%。

场地位于祁连山褶皱带中祁连隆起带东段的兰州断陷盆地，金城关活动断裂及刘家堡隐伏活动断裂以南，雷坛河活动断裂以西的断块上。其中：刘家堡隐伏活动断裂距工程区较近，对工程影响较大。该工程场地主要由卵石、漂石和第三系泥岩、砂岩组成，场区范围内场地土平均剪切波速为330 m/s左右，场地土类型为中硬土，场地类别为Ⅱ类，设防烈度为Ⅷ度。

2 立交方案构思

南滨河路南侧分布大量永久性高层建筑物，无法拆迁，对立交扩建带来较大的局限性。立交北侧为兰州市主要景点—“黄河风情线”，受南侧建筑物和“黄河风情线”夹逼，立交布置空间有限。方案设计阶段提出了南滨河路高架方案、环形高架立交方案、南滨河路部分高架与环形匝道组合方案、苜蓿叶与定向匝道组合方案等四个方案。综合考虑研究范围内交通组织情况及沿线建筑物分布情况，结合平纵面指标、工程地质条件及工程造价、环境影响等多种因素，最终采用南滨河路半幅高架与环形匝道组合方案，如图1所示。该方案除满足交通功能外，对南滨河路靠河侧原有的景观带破坏较小，工程方案能较好地与周边环境相协调，尽量利用南滨河路北侧半幅路节省工程投资。

图1 小西湖立交桥效果图

该方案将南滨河路南侧右半幅车道采用单幅高架桥，左半幅（即靠河侧）利用现有道路，在原立交桥东西200 m各修一条环形匝道与高架桥连接，实现北向东、西向北左转，南向西及东向南左转车辆利用右转匝道到达地面后左转汇入主线，原立交四个右转匝道靠河侧两匝道改建，其余两个匝道直接利用。小西湖立交改造交通组织设计解决的交通问题分为三个层次，第一层次为重点解决全部或部分南滨河路与小西湖东街、黄河大桥四个左转向匝道的交通问题；第二层次为研究解决兰州军区兰州总医院出入口的交通通行问题；三层次为兼顾立交以东街坊道路与南滨河路的交叉口交通通行问题。

3 小西湖立交改造技术难点

城市立交桥为适应现代城市交通的需要，具有斜、弯、坡、异形等特点，给桥梁线型的设计和构造处理带来很大困难，既有立交桥的改造困难尤甚，技术难点主要体现在以几点。

3.1 路线布设难度大

立交南北两侧受既有高层建筑和黄河风情线夹逼，布置空间有限，需要在南北宽39 m范围内展线完成四个方向互通的立交主体工程，因此环形匝道被迫采用最小平面指标，曲线半径仅15m。

3.2 既有地下管道错综复杂，桥梁孔跨及墩柱布置难度大

有19种既有管道在改造的立交桥下穿过，这些管道包括热力管道、燃气管道、电力隧道、军用光缆等，其中军用光缆、电力隧道不能改移；热力管道、燃气管道改移成本太高；大直径给水管道等存着无改移空间的问题，桥墩为避让管道造成下部结构类型较多。

3.3 施工交通组织设计难度大

南滨河路是东西方向交通的大动脉，施工期间需要保证四个车道通行。由于受道路宽度限制，立交南北方向空间紧张，既要满足工期要求，又要满足四个车道保通。

3.4 跨越要求各异，桥梁孔跨类型较多

主线高架桥主要采用预制箱梁，跨度有20 m和30 m两种；匝道桥受力复杂，为满足避让管道和受力要求，跨度有13 m和20 m两种；主线高架桥为跨越陆军总总院既有门诊大门、办公大门和规划的门诊大门、办公大门、黄峪沟大桥，需布设55 m跨。

3.5 上部结构类型较多

上部结构类型包括20 m连续预制小箱梁桥、30 m跨连续预制小箱梁桥、20 m跨现浇箱梁桥（包括异形梁）、13 m跨现浇箱梁桥（包括变宽梁）、55 m简支结合梁桥、（30+4×55+30）m连续结合梁桥、13 m简支空心板桥、15 m地下通道桥、曲线人行天桥。

3.6 下部结构类型较多

墩柱布置为避让管道且不侵占桥下车道，需采用大悬臂双柱墩，或采用门式墩，或用墩柱支撑外伸的中横梁，或采用钢管混凝土墩，基于以上原则，主线共布置了16种桥墩类型，匝道布置了6种类型桥墩。

3.7 桥梁抗震设计难度大

该桥为我国Ⅷ度以上高震区较大规模的立交桥，且桥梁上部结构及下部结构类型较多，匝道最小半径仅15 m（国内最小），增加了桥梁抗震设计难度。

4 桥梁结构设计

4.1 桥梁设计原则

（1）桥梁结构原则上采用技术先进，结构合理、施工条件成熟及经济、美观的结构形式；

（2）桥梁布置应尽量减少上下部结构的类型，在方便设计、施工、降低造价的同时体现立交的整体结构美；

（3）新建桥梁应尽量与既有桥梁结构形式及设计风格统一，尽量做到“天衣无缝”；

（4）桥梁上部结构以工厂化预制、现场安装为主，减少施工对交通的干扰；

（5）采用地下管线物探仪探明现有管网的布局及走向，通过合理布孔、灵活设墩、调整盖梁悬臂、采用桩基地基梁等方案尽量避免管线迁移；

（6）分合流口异形梁受力复杂，布设小跨径钢筋混凝土箱梁；

（7）采用抗震设计新理念，增加了多道设防体系，提高了大桥的抗灾能力。

4.2 主线结构设计

主线桥除分合流口桥面宽度变化较大外，其余桥梁均位于直线或大直径曲线上，较适宜采用可标准化、机械化施工的预制安装构件，以降低投资、加快施工进度和减少施工期对交通的干扰。结合近几年甘肃省预制梁应用经验，预应力混凝土预制箱梁经济指标优，应用较为广泛。因此，该项目主线桥除在分合流口处布置异形现浇钢筋混凝土箱梁、跨越南滨河路黄峪沟、兰州陆军区总院门口布设55 m跨的结合梁外，其余均布置先简后连预应力混凝土预制箱梁。按适宜的跨高比关系和跨越要求，采用30 m和20 m两种跨径形式。异形梁受力和构造复杂，若采用钢箱梁，加工制造难度大、焊缝较多，焊接残余变形等影响较大；另外，附近无大型钢结构加工厂，又存在运输困难的问题。因此，异形梁宜采用小跨径、短联现浇钢筋混凝土结构，跨径不宜超过20 m。

4.3 匝道结构设计

该项目受地形限制，匝道桥平曲线指标较低，最小半径仅15 m，且受分合流口处“异形”断面控制，无较长段落的直线或大半径曲线，且为提高抗扭能力和减少结构类型，体现立交整体结构美，匝道桥均采用现浇箱梁。小半径处布设13 m跨钢筋混凝土现浇箱梁，其余均布设20 m跨现浇钢筋混凝土箱梁。

5 结构分析

该立交改造工程上部结构类型主要包括20 m预制小箱梁桥、30 m跨预制小箱梁桥、20 m跨现浇箱梁桥（包括异形梁）、13 m跨现浇箱梁桥（包括变宽梁）、55 m简支结合梁桥、（30+4×55+30）m连续结合梁桥。对于上部结构，20 m、30 m跨预制小箱梁桥采用标准设计，结合梁采用平面模型进行有限元分析，考虑了活载横向分布系数；20 m跨异形梁和13 m跨小半径曲线现浇箱梁采用空间模型进行有限元分析。限于篇幅，仅给出13 m跨小半径曲线箱梁有限元模型，如图2所示。

图2 小半径曲线箱梁有限元模型

该立交主线共16种桥墩类型，匝道共6种桥墩类型，下部结构分析难道和工作量较大，主线共19联，除简支联外的17联均建立了有限元模型进行正常使用计算和抗震计算；匝道下部结构形式复杂，分别对20 m异形梁、20 m等宽现浇梁、13 m曲线梁建立模型进行正常使用计算和抗震计算。限于篇幅，仅给出30 m跨异形箱梁有限元模型，如图3所示。该立交位于Ⅷ度高震区，下部结构配筋受抗震控制，采用了抗震设计新理念，增加了多道设防体系，提高大桥的抗灾能力。

图3 主线异形梁有限元模型

6 结语

小西湖立交改造工程于2012年7月开工建设,为我国Ⅷ度以上高震区较大规模的立交桥。工程主要包括南滨河路主线桥、四个匝道桥（NE匝道桥、NW匝道桥、WN匝道桥、EN匝道桥），立交桥总面积26 512.7m2，其中主线桥面积20 820 m2，匝道桥面积5 692.7 m2，主线全桥长1 775 m。对于斜、弯、坡、异形梁及小半径梁设计时充分考虑结构空间受力特点，进行了整体空间受力分析和约束体系研究，确保结构安全；采用抗震设计新理念，增加了多道设防体系，提高了大桥的抗灾能力，大桥设计具有鲜明的时代特色。

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