杨楼互通式立交A匝道桥设计

2014-11-17马宇光

交通运输研究 2014年16期

马宇光

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

1 工程概况

商菏高速公路南起商亳高速公路商丘北互通处，向北在双八和刘口镇之间跨越国道105线、黄河故道大堤，至豫、鲁交界处的黄河故道，路线全长12.0331km。本合同段共有互通式立交桥2座，中桥2座，分离式立交桥1座，盖板涵4座，盖板通道4座，圆管涵4座，另外有线外涵9座。

本合同现浇梁部分包括杨楼互通式立交桥A匝道和坡刘分离式立交桥两大部分。其中杨楼互通立交A匝道桥上跨商荷高速公路主线，全桥长301.54 m，起点桩号为K0+000.39，终点桩号为K0+301.93。全桥共分为四联，跨径组成为（3×25）m+（3×27.5+12）m+（25+32+25）m+（2×25）m。其平面布置如图1所示。

2 上部结构设计

2.1 纵断面设计

本桥设计起点为K0+000.39，设计高程为11.870m；设计终点为K0+301.89，设计高程为6.309m。设计起坡接机场路主线上纵坡为0.3%，下纵坡为-0.5%和-4.95%，变坡点设R=5000m和R=1500m的凸曲线。

图1 互通立交平面布置图

2.2 横断面设计

该匝道桥共分四联，均为整幅布置。其中第一、二联（0～7#墩）桥面为变宽，桥面宽9.0～20.061m，第三、四联（7～12#墩）桥面为等宽9.0m。

第三联因需满足净空要求，采用钢箱梁，为单箱双室斜腹板箱形截面。箱梁梁高1.3m、高跨比为1/24.615，顶板宽8.8m，两翼悬臂长1.42m，箱梁底宽4.54m。采用正交异性板全焊接结构，顶板厚14mm，底板厚16mm，腹板厚16mm。顶底板设置T形加劲肋，顶板加劲肋高156mm、间距为300mm，底板加劲肋高120mm、间距为300mm。以纵向间距1000～1500mm设置箱梁横向框架，顶板横向加劲肋高度为500mm，腹板横向加劲肋高度为350mm，底板横向加劲肋高度为200mm。支点处设置横隔板。

第一、二、四联采用预应力混凝土连续箱梁。其中第四联箱梁顶板宽8.8m，悬臂外侧各设置10cm后浇段。两翼悬臂长2.6m，外腹板采用弧形，半径为2.409m，箱梁底宽3.6m。支点范围箱梁顶板厚0.45m，底板厚0.42m，腹板厚0.7m；跨中范围箱梁顶板厚0.25m，底板厚0.22m，腹板厚0.40m。两翼悬臂长2.6m，悬臂板端部为0.2m。第一、二联箱梁变宽段变宽方式需保证悬臂尺寸不变，箱室数应根据桥面宽度确定，为单箱单室～单箱三室，箱室宽度采用渐变方式。

2.3 预应力设计

全桥进行了纵向和横向结构计算，计算中采用平面杆系有限元程序，部分箱梁采用梁格法进行检算。经计算，箱梁纵向均施加预应力，横向及竖向不施加预应力，第2联5#、6#墩对应的横梁横向施加预应力，其余横梁横向均不施加预应力。

纵向预应力体系采用Φs15.2高强度低松弛预应力钢绞线，钢束按其位置分为①顶板束；②腹板束；③底板束。腹板束为15或12-Φs15.2钢绞线，采用内径Φ90mm塑料波纹管成孔。顶、底板束为9或12-Φs15.2钢绞线，采用内径Φ75mm、Φ90mm的塑料波纹管成孔，均采用真空灌浆工艺及相应辅助措施。

横梁预应力体系采用Φs15.2高强度低松弛钢绞线，预应力束为15-Φs15.2钢绞线，采用内径Φ 90mm塑料波纹管成孔，均采用真空灌浆工艺及相应辅助措施。

2.4 结构计算

主梁主要为预应力混凝土结构，本节以第一联主梁为例，有限元计算时将结构离散为32个梁单元（见图2）。材料类型共有1种，截面类型共有3种。

图2 结构有限元模型

2.4.1 施工阶段

根据施工流程，主梁施工划分为3个施工阶段（见表1）

表1 施工阶段详细信息

施工阶段计算结果见图3～图6。

图3 第1施工阶段截面上缘应力图（单位：MPa）

图4 第1施工阶段截面下缘应力图（单位：MPa）

图5 第3施工阶段截面上缘应力图（单位：MPa）

图6 第3施工阶段截面下缘应力图（单位：MPa）

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）第7.2.8条规定，对于预应力混凝土受弯构件，在预应力和构件自重等施工荷载作用下混凝土正截面的正应力要求如下：

从图3～图6可知，施工阶段最大压应力为13.756MPa，未出现拉应力，满足规范短暂状况应力验算要求。

2.4.2 使用阶段

根据规范要求，结合工程实际，本计算考虑了4组基础变位、2组温度作用，作用组合2组。

（1）基础变位作用

基础变位参数如表2所示。

表2 基础变位参数表

（2）温度作用

混凝土线性膨胀系数取0.000001，考虑以下温度变化模式。

第1组正温度作用为：结构梯度温度效应。从1#单元到32#单元，上缘温度为14℃，下缘温度为5.5℃。

第2组负温度作用为：结构梯度温度效应。从1#单元到32#单元，上缘温度为-7℃，下缘温度为-2.75℃。

（3）作用组合

作用组合内容及类型见表3。

表3 作用组合表

使用阶段计算结果如图7～图10所示。

图7 第1组合截面上缘应力图（单位：MPa）

图8 第1组合截面下缘应力图（单位：MPa）

图9 第2组合截面上缘应力图（单位：MPa）

图10 第2组合截面下缘应力图（单位：MPa）

使用阶段标准值组合混凝土正截面应力如表4所示。

表4 使用阶段标准值组合混凝土正截面应力表（单位：MPa）

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）第7.1.5条规定，对于未开裂的预应力混凝土受弯构件，其使用阶段正截面混凝土压应力应满足：

σkc+σpt≤0.5fck=0.5×32.4=16.2(MPa)

由图7～图10可知，使用阶段标准值组合时混凝土正截面压应力最大值为12.879 MPa，满足规范要求。

3 下部结构设计

3.1 桥墩及基础设计

墩柱采用独柱，造型在原则上尽量与主线高架桥梁墩柱风格一致，外形为宝瓶墩。梁宽标准段墩柱截面为矩形，墩底尺寸为2.2m×1.2m，横桥向墩柱在顶部3.5m范围设置圆弧外倾，墩柱外侧半径为9.1m，墩高小于3.5m的墩柱直线过渡，墩顶尺寸渐变为3.6×1.2m。墩柱截面四角设置R=0.2m抹圆，并在墩柱正面设置凹槽。变宽段采用墩柱拉开以适应桥梁宽度和受力变化。

桥墩基础均采用Φ1.0m群桩基础，每个承台下设4或6根钻孔灌注桩，桩底进入圆砾层，承台厚度均为2.0m，平面尺寸为4.7×4.7m或4.7×7.4m。

3.2 桥台及基础设计

桥台采用轻型桥台，横桥向背墙与台帽宽度均为9m，台帽高1.4m，宽1.6m。

桥台基础采用单排Φ1.0m桩基础，设置2根钻孔灌注桩，桩底进入圆砾层。

墩台身及桩基础等按极限状态法进行结构设计和配筋。钻孔灌注桩基础采用M法设计计算。

4 附属结构设计

4.1 支座和伸缩缝

采用QZ球形钢支座，其材料和力学性能均应符合现行国家和行业标准的规定。

桥梁伸缩缝采用全包式毛勒伸缩缝，根据结构变形长度选择80型及160型。伸缩装置开槽处浇筑C50钢纤维混凝土，每立方混凝土加入50 kg铣削型钢纤维。

4.2 桥面铺装与护栏

预应力混凝土箱梁车行道桥面铺装基层为8cm防水混凝土，钢箱梁车行道桥面铺装基层为11cm钢纤维混凝土，面层均为9cm沥青。混凝土箱梁在梁体上浇筑C40防水纤维混凝土，钢箱梁在梁体上浇筑C40钢纤维混凝土，内铺间距10cm×10cm的直径d=11mm的CRB550冷轧带肋钢筋焊接网片；混凝土基层顶面喷涂DPS—3混凝土防腐保护剂（0.5kg/m2）；其上铺设5cm中粒式改性沥青混凝土（AC—20C型）、改性黏层沥青（0.5L/m2）、4cm改性沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA—13）。底层钢纤维混凝土施工前在钢梁顶焊接M10×80mm剪力栓钉，纵横间距10cm。

钢箱梁桥面铺装钢纤维混凝土掺入70kg/m3铣削型钢纤维，预应力混凝土箱梁桥面铺装防水纤维混凝土，土内掺1kg/m3水泥混凝土抗裂增强纤维——聚丙烯腈（PAN）纤维，抗渗等级应达到P8。

桥面两侧设置钢筋混凝土防撞护栏，混凝土部分护栏高142cm，混凝土底宽50cm，防撞护栏防撞等级为SA级。