连续刚构混凝土弯箱梁匝道桥设计与计算

秦向杰

（东南大学建筑设计研究院有限公司,江苏 南京 210096）

1 工程概况

1.1 工程简介

城市高架及互通桥梁设计大多以多跨现浇连续箱梁为主，在跨越被交道路时常采用主跨一跨跨越的连续梁桥，桥梁位于互通匝道上时常被设计成弯箱梁桥。对于跨径较大、墩高较高的桥梁，常采用墩梁固结的变截面连续刚构桥。随着城市规模的扩大，高墩大跨变截面弯箱梁桥的应用越来越普遍，其设计也越来越受到桥梁设计者的重视[1]。以下结合湖州二环北路苏家庄立交节点匝道桥的设计介绍该类桥梁的具体设计方法。

湖州内环北线连接湖州北部片区，是北部区域对外沟通的重要通道，本项目对于构建湖州市路网体系，加强北部片区东西方向的沟通均具有重要的意义。路线西起西塞山路，东至三环东路，途经轻纺路、龙溪北路、青铜路、体育场路，内环东路、朱洪南路、大升路等主要交叉道路，沿线跨越龙溪港、新塘港、大钱港三处航道，全长约9.71 km。

SC匝道桥第5联是内环北线苏家庄立交互通节点上的一联箱梁，其平面位于R=100 m圆曲线及A=77.46 m的缓和曲线上，桥梁连续跨越SE匝道桥、杭长桥路主线桥及SF匝道桥，跨径布置为30 m+49 m+30 m，桥梁宽度10 m，采用整幅桥断面形式。其平立面布置见图1、图2。

图1 SC匝道第5联平面布置（单位：m）

1.2 桥梁技术标准

（1）道路等级：城市快速路兼一级公路。

（2）设计车速：匝道桥40 km/h。

（3）汽车荷载等级：城-A级并满足公路-I级。

（4）环境类别：I类。

（5）设计基准期：100 a。

（6）设计使用年限（主体结构）：100 a。

（7）设计安全等级：一级。

2 桥梁结构尺寸初步拟定

初步设计阶段，对箱梁尺寸总体拟定如下：箱梁边跨及中跨跨中梁高均为1.8 m，主墩处梁高2.8 m，梁高变化规律采用二次抛物线过渡。箱梁采用单箱单室截面，外侧腹板采用斜腹式+倒圆弧形式，边腹板斜率为1.5∶1，箱梁悬臂与斜腹板间设置半径2.5 m圆弧。箱梁横坡通过箱梁顶、底板共同倾斜形成，采用搭支架整体现浇的施工方法。

图2 SC匝道第5联桥型布置图（单位：cm）

箱梁悬臂长1.75 m，悬臂端部厚20 cm，悬臂根部（虚交点）厚38 cm，悬臂端部预留10 cm长度与外侧墙式护栏一起浇筑；顶板厚度28 cm；跨中腹板厚度为50 cm，主墩墩顶两侧各8 m范围内腹板厚度80 cm，过渡段长度5m，线性过渡。跨中底板厚度28 cm，主墩墩顶附近底板厚度50 cm，厚度变化规律按二次抛物线变化。

主墩墩顶设置厚度为2 m的中横梁，边墩处设置厚度1.5 m的端横梁，主跨跨内设置厚度为0.35 m的均匀布置的横隔板2道，边跨跨中设置厚度为0.35 m的横隔板1道；中横梁及横隔板上设置人孔，边跨侧中横梁附近底板设置ø80 cm检修孔。

3 纵桥向受力分析及优化

纵桥向整体计算采用“桥梁博士3.6”平面杆系计算程序，主梁和主墩共同参与受力，在边墩位置按支座模拟，主墩底部根据地基土特性按实际弹性系数模拟其边界条件，全桥共划分为113个单元，见图3。

3.1 对腹板斜率的优化

结构尺寸初步拟定时边腹板斜率等参数的选取考虑与相邻联等高箱梁参数一致。由于匝道箱梁桥宽窄（仅为10 m），本联箱梁在主墩墩顶处梁高较高（2.8 m），较小的腹板斜率使得墩顶附近位置底板宽度过小，根据表1计算结果，在主墩墩顶附近部分截面底板受压区高度不满足规范要求。

图3 全桥结构计算模型

表1 结构承载能力验算表（腹板斜率1.5∶1，倒角R=250 cm）

设计把边腹板斜率适当增大至3∶1，从表2可以看出，腹板斜率调整后，截面受压区高度均能满足规范要求，同时截面构造也兼顾了箱梁美观，见图4。

表2 结构承载能力验算表（腹板斜率3∶1，倒角R=170 cm）

3.2 箱梁梁高优化调整

常规变截面连续刚构桥一般采用纵桥向以主墩为对称轴左右侧梁高对称变化，到梁端支点及主跨跨中箱梁梁高均变化至同一数值，本桥由于平面布置条件受限，箱梁边中跨跨径比值为30/49=0.61，边跨跨径偏小，导致中跨内力和弯矩比边跨增加较多，结构受力不合理。

图4 箱梁优化前后主墩处断面布置（单位：cm）

从图5可以看出，在中跨跨中梁高调整为2.1 m时（边跨端部梁高保持1.8 m不变），中跨跨中箱梁底板最小压应力富余从0.5 MPa提高到1.9 MPa，结构受力更为合理。

图5 正常使用极限状态荷载组合II主梁截面应力图（单位：MPa）

4 边墩支座脱空验算

平面小半径弯梁桥需要重点考虑各支座的脱空情况及桥梁整体在最不利工况下是否倾覆。本联桥梁为连续刚构，无桥梁整体倾覆风险，但仍需考虑端横梁处各支座的最小支反力验算，以保证最不利组合下结构处于受压稳定状态。

采用Midas civil 2019空间结构计算分析软件建立模型（见图6），验算在不同端支座横向间距情况下支反力情况。

图6 全桥Midas空间结构分析模型

从表3可以看出，当梁端横向支座间距为2.3 m时，承载能力最不利组合各支座最小反力均为负值，结构存在支座脱空的不稳定状况。当梁端横向支座间距加宽至4 m时，3#边墩处外侧支座有最小支反力139 kN（受压），所有支座均处于受压状态，且有一定的安全储备，从而保证了全桥结构的横向整体稳定。

截面位置承载能力最不利组合最小支反力/kN（端横梁处支座间距2.3 m）承载能力最不利组合最小支反力/kN（端横梁处支座间距4 m）0#边墩处外侧支座 -857.1 198.5内侧支座 -350.9 562.7 3#边墩处外侧支座 -923.6 139.0内侧支座 -419.4 464.3

5 结论

连续刚构预应力混凝土弯箱梁匝道桥在设计过程中，结合本项目设计情况，应注意以下几个方面：

（1）匝道桥桥宽较窄，主墩处梁高较高，较小斜率的斜边腹板设计导致主墩处底板宽度较小，容易导致承载能力极限状态下底板受压区高度验算不满足规范要求。设计时应注意在兼顾桥梁美观的前提下，适当增大边腹板斜率，以保证主墩附近底板受压区高度验算满足规范要求。

（2）由于本桥布跨条件受限，桥梁边中跨跨径比值仅为0.61，偏小，直接导致主跨受力不利，本项目采用增大主跨跨中控制点梁高方式改善结构受力状况。建议在条件允许的情况下，尽量增大边中跨跨径比值至0.65～0.8之间。

（3）平面小半径弯箱梁桥横桥向支座脱空验算是设计应当重点关注的内容，本项目当端横梁横向支座间距由2.3 m调整为4 m时，结构处于全部受压稳定状态。建议在有条件情况下尽量加大桥墩支座横向距离，保证桥梁结构横向整体稳定性。