大型互通立交桥中心柱结构设计

2016-11-18黄晓彬

城市道桥与防洪 2016年7期

关键词：盖梁互通腹板

黄晓彬

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市　200092）

大型互通立交桥中心柱结构设计

黄晓彬

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

某大型全互通枢纽立交由于受到用地限制，采用“以高度换空间”的思想，布置为5层，立交中心处设置一根直径达5.0 m的大圆柱（在此称之为中心柱），支承起第2～5层桥梁结构。中心柱的安全关系整个立交桥的结构安全，其受力及构造极为复杂，主要介绍了中心柱的结构构造设计与受力计算分析。

互通立交；中心柱；结构设计；计算分析；抗震

1　工程概况

某大型全互通立交位于城市中心，其相交的两条主线为中心城区东西、南北贯通的重要干线，也是快速路网的中轴线。立交采用全定向、全互通的枢纽立交形式。该立交的设置对整合市区快速交通，实现东西、南北交通转换，提高市区出行效率都具有十分重要的意义和作用。

但是该立交地处城市中心地带，路网密集，建筑林立，立交布线十分困难。经过反复多次的方案比较，决定采用“以高度换空间”的思想，将整个立交层次设计为5层，总高度约30 m。1层为地面道路系统，南北方向快速路主线位于地上2层，转向匝道分别位于地上3、4层，东西方向主线位于地上5层（立交方案见图1）。立交匝道布置紧凑，真可谓“螺蛳壳里做道场”。该方案极大限度的缩减了立交占地空间，有效减少周边建筑物的拆迁。

图1　立交整体效果图

2　中心柱设计概况

该立交方案“以高度换空间”的特点，代价是立交层次高，总高度约30 m。同时根据立交方案的特点，需要在立交中心五层通道的交汇处设置一个大直径独柱墩，中心柱类似于一根大树干，在各层道路处伸出“树枝”以支承各层结构的荷载。表1给出立交中心柱支撑结构概况。

表1　立交中心柱支撑结构概况

立交总体平面布置和中心柱净效果图如图2 和3所示。

3　立交中心柱结构型式比选

立交中心柱结构型式主要考虑了钢筋混凝土柱、钢柱和钢混组合柱几种方案。几种方案的优缺点详细比较见表2。

通过比选，混凝土柱因与钢盖梁的连接构造过于复杂及施工工期长等因素，不推荐采用。而钢柱和钢混组合柱各有优缺点，设计时可以充分吸收两者长处，推荐使用。最终确定本桥中心柱在三层桥面以下采用钢混凝土组合柱，以上采用钢柱。

图2　立交平面布置图

图3　立交中心柱效果图

表2　立交中心柱结构型式比选

4　中心柱结构设计

如图4所示，中心柱钢柱外环直径5.0 m，壁厚30 mm，内环直径2.6 m，壁厚20 mm，内外环之间采用4道正交布置的腹板相连，以使内外环协同受力。外环内侧以及内环外侧设置板肋。中心柱下半段设计为钢混组合柱，在内、外环之间填充混凝土，该段钢柱腹板及内外环加劲肋上均开孔，使混凝土穿过以形成剪力销，使混凝土与钢管共同作用。

图4　固结方案中心柱构造图（单位：mm）

图5　悬挑盖梁方案中心柱构造图（单位：mm）

二层悬挑盖梁设计为倒T结构，悬挑长度自柱中心约18 m，悬挑盖梁顶宽3.5 m，底宽6.6 m，根部高度4.1 m，通过3道腹板伸入中心柱内锚固。为缓解顶板与中心柱T接焊缝处疲劳，顶板与中心柱采用抱箍构造连接，抱箍宽度0.8 m，倒圆后与悬挑盖梁顶板连接，通过该构造扩散盖梁顶板应力，达到降低T型接头位置应力幅，改善其疲劳性能的目的。其它层悬挑盖梁与柱连接均采用类似构造。

三层、四层匝道与中心柱有两种连接方式：一种为中心柱与钢箱梁固结，另一种为中心柱悬挑盖梁以支承钢箱梁。经过比选，最终均选用固结方案。

三层与中心柱固结方案中，固结区高度与梁高一致，为3.0 m。固结箱型盖梁总宽度9.5 m，共设置7道腹板，其中，中间3道腹板伸入中心柱内锚固，两侧4道腹板与垂直固结区盖梁腹板方向伸出中心柱的腹板进行连接。该构造传递匝道箱梁的弯、剪、扭内力至中心柱。

三层与中心柱斜交盖梁方案，斜交盖梁与王城大道方向平行，盖梁悬挑长度自柱中心约12 m，盖梁顶、底宽均为3.6 m，根部高3.5 m。顶底板厚度均为40 mm。亦通过3道腹板伸入中心柱锚固，边腹板厚20 mm，中腹板厚30 mm。

四层与中心柱固结方案同三层。

四层与中心柱正交盖梁方案，盖梁悬挑长度自柱中心约10 m，盖梁顶、底宽均为3.6 m，根部高2.8 m。顶底板厚度均为40 mm。亦通过3道腹板伸入中心柱锚固，边腹板厚20 mm，中腹板厚30 mm。

五层与中心柱采用斜交盖梁构造，斜交盖梁与南北向主线夹角45°，盖梁悬挑长度自柱中心约15 m，盖梁顶、底宽均为3.6 m，根部高3.5 m。顶底板厚度均为36 mm。亦通过3道腹板伸入中心柱锚固，边腹板厚20 mm，中腹板厚30 mm。

中心柱基础采用19根直径1.5 m钻孔灌注桩，桩长50 m。承台厚度5.0 m，采用正六边形布置。

6　中心柱结构静力计算

6.1整体分析

中心柱承担二至五层箱梁传递的恒、活载，受力非常复杂。最不利标准组合内力汇总如表3所示。为了准确考虑各梁荷载对中心柱的影响，计算采用MiadsCivil有限元软件进行空间建模计算，空间杆系模型如下图6所示。

表3　中心柱最不利标准组合内力汇总表

图6　有限元计算模型

柱底段按组合结构计算，正常使用情况下，钢结构最大拉应力16 MPa，混凝土相应拉应力约1.6 MPa，尚未开裂，混凝土全断面参与受力分配。钢结构中压应力较小，最大值在73 MPa左右。

固结悬挑盖梁构造尺寸受应力幅控制，最大应力幅30 MPa。五层盖梁亦受应力幅控制，应力幅约30 MPa。悬挑盖梁侧向受力应力均在允许范围以内。

6.2墩梁固结区局部分析

对于三四层与中心柱固结方案，考虑固结区受力复杂性，对该区域进行了局部板壳元分析，计算模型图7所示。

图7　墩梁固结区板壳元局部分析模型

该局部模型在柱底固结，钢箱梁挑出端按完全释放位移自由度而施加荷载边界条件考虑，各荷载工况下梁端内力边界条件自整体杆系模型中获得。

计算主要考虑了3个荷载工况，工况1为车辆荷载作用在中心柱单侧固结盖梁上，此时固结区承受较大的横桥向弯矩；工况2为半跨加载的车道荷载反对称布置在中心柱两侧箱梁上，此工况，固结区承受较大顺桥向扭矩；工况3为半跨加载的车道荷载对称布置在中心柱两侧箱梁上，此时固结区承受较大顺桥向弯矩。上述工况均根据整体杆系模型取最不利加载位置确定。

通过局部分析结果可知，固结区顶、底板应力有较大富余度，各腹板共同分担竖向荷载，应力均在允许值以内。

6　中心柱抗震计算

中心柱支撑着多层桥梁，且四个方向的左转匝道均为曲线梁桥，由于其平面不规则性和竖向的高差以及相邻联桥的相互影响，大地震作用下，曲线梁呈现弯扭耦合的受力特征，墩柱存在双向弯曲与轴压耦合、桩-土-结构共同作用、相邻联碰撞等复杂非线性因素，曲线桥的地震反应规律极为复杂，曲线桥梁易于发生落梁、墩柱弯剪破坏等严重震害，因此设计时对中心柱的抗震给予了高度重视［1，2］。

工程区地震动峰值加速度为0.10 g，相应于基本烈度Ⅶ度，地震动反应谱特征周期为0.40 s。场地类别为中软土场地，建筑类别为Ⅱ类。

对于如此大型的互通立交桥梁工程，依据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ166-2016），抗震设防分类属于乙类桥。抗震设防标准和性能目标见表4，考虑竖向地震的作用，竖向设计加速度反应谱可由水平向设计加速度反应谱乘以0.65得到。