常规斜交桥梁总体布置方案研究

韩 锋，杨 华

（1.山西省交通科学研究院，山西 太原 030006；2.山西工商学院，山西 太原 030006）

0 引言

随着国家公路网的密集化，对公路行业的设计要求在不断提高，拟建公路上跨被交路，与被交路正交或斜交的情况时有发生[1]。常规的简支梁、连续梁与被交道路完全正交的情况已不能满足实际需要。当桥梁跨越各种斜交角度构造物必须斜置时，全桥采用同角度斜置布置不尽合理，当斜交角度较大时，结构整体性乱、美感不强，而采用加大跨径正交方式跨越往往也存在诸多不足[2]。受桥位处与被交路斜交，并考虑相邻联跨布设影响，采用斜向布设转为正交布设这种斜转正形式备受青睐。本文以一座上部构造包含斜交跨连续梁、斜交转正交跨简支箱梁及常规正交跨箱梁为例，提出了一些较为可行的思路和方法，对该桥型的布设及结构受力特点进行了分析，希望为以后同类桥型布置提供参考。

1 常用布跨方案

受主线线形及被交铁路位置影响，拟建桥梁与被交路交叉角度不可调。只有根据被交路现状拟定可行的桥型方案。主要考虑了以下几种可行的布跨方式[3-6]。

1.1 斜交斜置方案

当设计桥位与桥下河流流向或被交道路斜交时，为便于桥下通航、减少因增设桥墩造成阻水面积增大、确保桥下船舶安全通航，桥位处一般采用斜交斜置式桥梁跨越；同时应结合道路等级及线形或桥下改路情况，采用斜交斜置式或斜交正做桥梁形式跨越。

图1 斜交斜置桥梁平面布置图

当桥梁总长较长，全桥都采用斜交形式布设，会给整体结构带来许多弊端，桥梁整体结构受力不尽合理；当斜交角度较大时，结构整体性乱、美感不强。且当桥下地物地貌较多、交叉角度又不同时，整体桥梁一个角度很难满足需求。

1.2 加大跨径正交跨越方案

采用正交形式跨越，结构受力比较明确、桥梁造型比较简洁，与周围环境协调性和美观性比斜交形式都要强，且设计和施工都易实现。适当加大跨径，改斜交形式为正交，能避免斜桥设计的诸多不利因素。该形式的突出优点是桥梁的设计和施工得到简化，但往往会因加大桥孔跨径造成不必要的浪费。

图2 加大跨径正交跨越平面布置图

1.3 斜转正跨越方案

如前所述，当桥下地物地貌较复杂、交叉角度又不同时，整体桥梁一个角度很难满足需求；同时，为避免斜交斜置孔布置太长，仅希望在上跨河流或地方道路部分采用斜置式，其余部分按正交形式布置，斜交转正交部分采用异形跨或过渡墩进行衔接。如图3所示，上跨铁路部分采用3×30 m先简支后连续箱梁，前右夹角55°，通过异形跨进行过渡到正交跨。

上部结构的3种结构形式组合在一起，使得上部构造整体外观不统一，大规模桥梁架设工作不易进行，装配式桥梁优势也较难体现。

图3 斜转正跨越桥位平面布置图

1.4 框架墩方案

当被交道路较窄、主线和被交路交叉角度不大，可通过框架墩形式上跨被交路，这种布置方式既能保证正交，同时不必考虑大跨径跨越式。因此，特别适用于小角度斜交桥[5]。

图4 框架墩跨越桥位平面布置图(单位:cm)

如图4所示，拟建桥梁上跨一引水管，交叉角度为26°，在整幅2号墩及右幅3号墩位置设置框架墩、其余桥墩采用下部通图中圆柱式墩型，保证了等跨径正交跨越，减少设计工作量。图5为2号墩及右幅3号墩对应的两种框架墩，根据结构受力情况，框架墩采用预应力盖梁、盖梁与墩身设置固结或盆式橡胶支座。

图5 框架墩一般构造图

1.5 错幅布设

当桥位处跨越河道有通航要求或跨越地方道路有加宽需求时，也可以采用错幅布设方式。这种布设一般较多地采用左右幅分离式布置，保证桥下河流（地方道路）宽度、路线与河流（地方道路）交叉角度在合理的范围内。左右幅桥墩、桥台按照河流流向布置，可最大限度地满足河道通航需求。

如图6示，拟建桥梁跨越省道113，路基宽度21.5 m，后期有拓宽要求，要拓宽至34 m，路线与被交路交叉角度为111.3°，采用左右幅分离、错幅5 m布置，这样既保证了左右幅采用统一跨径，同时最大限度地满足拓宽需要，减少对地方道路的影响。

图6 错幅布设桥位平面布置图(单位:cm)

2 斜交跨连续箱梁分析

2.1 结构有限元分析

斜交跨为斜交角度35°的三跨30 m先简支后连续小箱梁桥，箱梁横向间距3.067 m，梁高1.6 m，顶板厚0.18 m，跨中底板厚0.18 m，支点底板厚0.3 m，跨中腹板厚0.2 m，支点腹板厚0.3 m。由于成桥状态的结构体系为连续梁，本桥通过建立梁格模型来进行分析计算。预制小箱梁采用C50混凝土。

纵梁之间通过横梁联系。为了较为准确模拟纵梁间的连接刚度，将横梁分为两类：一类位于预制小梁轮廓范围，其抗弯刚度较大，采用翼缘厚0.18 m（同箱梁顶底板厚）、宽1.2 m（同节点间距）的工字形截面来模拟；箱梁轮廓范围之外的横梁刚度小，采用宽1.2 m、高0.18 m的矩形截面来模拟。此外，对于中支点横梁、跨中隔板以及端横梁均采用T形截面模拟，两侧翼缘取6倍顶板厚度。所有横向联系单元材料均为C50混凝土，其质量不计。横向连接单元的截面如图7所示，从左往右依次为第一类横梁、第二类横梁、端横梁、中支点横梁以及跨中隔板。

图7 横向单元截面（单位：mm）

主梁边界条件：利用弹簧单元模拟支座，弹簧单元一端连接大地节点，一端通过刚臂与主梁节点连接。

2.2 主梁静力计算结果

箱梁按A类预应力混凝土构件设计，采用MIDAS有限元分析软件进行计算。按照相关设计规范要求，考虑了成桥状态下永久荷载、可变荷载等作用[2]，分别计算了部分荷载单独作用及荷载组合工况下主梁内力响应，计算结果均满足规范要求。表1给出了主梁在不同状况下，主梁各种应力指标值。

表1 斜交跨连续箱梁主要验算指标表 MPa

可见，斜交箱梁在持久状况、短暂状况及正常使用阶段，各项应力指标值均满足规范要求限值。

3 异形跨简支箱梁分析

3.1 梁长计算

异形跨平面布置于直线段上，前右夹角一端为55°，另一端为90°。横向8片梁梁长各有差异[2]。表2列出了各梁片的理论梁长与预制梁长，可以看出梁片最短的为左幅第1片梁，预制梁长为2124.1cm，梁片最长的为右幅第4片梁，预制梁长为2858.1 cm。

表2 异形跨梁片参数表 cm

图8 异形跨梁片布置图

图9 背景工程桥位平面布置图

3.2 主梁静力计算结果

异形跨为简支箱梁，可建立单梁模型进行计算。但其一端正交，一端斜交，各梁片长度不同，每片箱梁都需单独计算。为研究各梁片的横向分布情况，需建立大桥的实体模型，准确模拟横向连接，关于横向分布系数的计算可参考文献[2]。表3给出了异形跨简支箱梁在不同状况下，主梁各种应力指标值。

表3 异形跨简支箱梁主要验算指标表 MPa

可见，简支箱梁在持久状况、短暂状况及正常使用阶段，各项应力指标值均满足规范要求限值。

4 工程实例

庙背大桥为跨越广茂线及新兴江而设，跨径组合及布设受三茂铁路和新兴江防洪控制。大桥平面位于直线段+R=2000 m、Ls=230 m的直-缓曲线上（右转），纵断面位于直坡段上。桥跨布置为：左幅（4×30）m+（20+14×30）m小箱梁；右幅（4×30）m+（30+2×25+12×30）m小箱梁，第一联 4×30为跨越铁路桥孔，采用结构连续体系，前右角度为55°，其余桥孔均为简支桥面连续体系。第5孔为斜转正桥孔，单幅横向各梁片不等长。25 m桥孔为调跨桥孔，截面尺寸同30 m简支小箱梁一致。

本项目应铁路部门要求，上跨铁路部分结构形式力求简单，施工方便、快速，减少在铁路上方施工时间；结构应受力合理、明确，满足设计要求的耐久性和可靠度；结构满足铁路运营安全及铁路的规划要求；上跨铁路部分桥跨采用斜交方式，以利于桥下行车视觉通畅。铁路两侧桥墩采用前右夹角55°布置，为方便后继联跨设计及施工，从5号墩开始正交布设，第5孔设计为异形跨，即斜交与正交跨的过渡跨。考虑桥台与路基的顺适衔接，0号台采用斜交、N号台采用正交布设。

5 结语

针对拟建常规桥型跨越桥下不同地形、地物的各种限制条件，提出了几种常用的桥梁布设思路及方法，通过对比选取了较为合理的斜交转正交的布设方式，并对非常规角度（35°）的斜交跨及异形跨进行了有限元分析，计算结果均满足现有规范要求。桥跨布置较为可行、结构设计较为合理，本桥的设计对于常规桥型的设计有一定的借鉴意义。