复杂城市道路设计及跨线桥纵向结构计算分析

■李鹏飞

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安 400050）

随着城市的飞速发展和地理条件的限制，城市内道路建设的复杂程度愈加严峻。 城市立交的项目也逐渐增多， 但由于控制因素繁多带来的设计困难，引起众多研究人员的关注[1-5]。李伟[6]结合既有铁路现状、桥跨布设等控制条件，在结构形式、技术创新、经济性能、施工方案和对既有铁路影响等方面进行对比分析， 提出了合理的大跨跨线桥桥式方案。 黄韬等[7]以南宁吴圩机场第二高速公路工程（二期：银灯立交）为例，介绍了BIM 技术在市政立交桥工程中的应用。 赵殿武[8]基于横琴口岸交通流的复杂性，结合现状众多的限制条件，优化了环岛东路立交设计方案。 但目前对于复杂城市立交研究还较为缺乏，并且主要集中在施工环节，对于跨线桥及道路的整体设计较为缺乏。基于上述背景，本文以重庆市江北区盘溪立交项目工程为例， 进行详细的设计和有限元分析， 以期为后续相关工程提供参考。

1 工程概况

拟建盘溪立交位于重庆市江北区石马河街道核心区域（图1），是重庆市市级重点工程。 其是在现状道路的基础上进行改造， 设计范围包括项目中所包含的道路、交通、绿化、结构及管网工程（图2），具体包括： 松石大道下穿道采用双室闭口型框架结构L=140 m； 预留玉带北路直行下穿道框架L=125 m，预留盘溪二支路直行下穿道框架L=75 m；1# 人行天桥采用“H”型平面布置，全长约245.05 m，2# 人行天桥为原桥拆除重建，全长43.5 m；管网工程包括新建及对部分现状管网进行还建设计。

图1 项目所在区域位置

图2 盘溪立交总体效果图

拟建场址处现经人工改造成城市主干道道路，项目所在区域地势呈北高南低， 东西方向坡度较小，地形较平坦，盘溪路北侧最高标高为277.58 m，南侧最低标高为241.78 m，南北高差为35.8 m。

2 道路工程设计

2.1 控制因素分析及处理措施

本次设计盘溪立交改造工程设计关键节点包括轨道、铁塔及电力隧道。

2.1.1 轨道

本项目设计轨道包括环线、4 号线西延及21 号线，其中21 号线与4 号线西延为远期规划轨道，与本项目空间距离较远，如图3 所示。 环线（玉带山至南桥寺区间段）为在建轨道，本项目对环线影响最不利点位于玉带北路下穿道开挖处， 该处松石大道路面与轨道拱顶的最小净空高度为17.2 m，预留地通道开挖底标高与轨道拱顶竖向最小净空为8.7 m。

图3 盘溪立交与轨道交通位置关系

2.1.2 铁塔

盘溪立交与轨道交通关系如图4 所示，电力铁塔为220 kV 竹九高压线20# 塔，采用桩础，其基底标高243.742 m， 地面标高为263.50 m， 桩基截面1 m×1 m，承台截面1.8 m×1.8 m；本项目玉带北路下穿道临近该铁塔，在下穿道桩号K1+267.206 位置处，下穿道距离铁塔最近，开口线距离铁塔外侧现状挡墙约6 m，该处下穿道路面标高为253.590 m，在下穿道开挖过程中，需加强对该铁塔的保护。

图4 盘溪立交与铁塔位置关系

2.1.3 电缆隧道

玉带二支路下穿道在桩号K0+978.200 处与电力隧道桩号B0+467.761 相交， 设计下穿道路面标高为243.523 m， 电力隧道管底标高为238.313 m，下穿道开挖后底部距电力隧道顶部距离为0.845 m，距离较近，下穿道的荷载会对电力隧道造成影响，如图5 所示。 本项目在电力隧道两侧设置桩基支承、架空电力隧道顶部方式来避免对电力隧道的影响，在两侧各设置3 根直径1.2 m 的桩基，拟采用人工开挖，避免机械扰动对电力隧道的影响。

图5 盘溪立交与电缆隧道位置关系

2.2 主线平面

2.2.1 松石大道

松石大道（盘溪立交段）设计起点位于松石大道与盘溪一支路交叉口处，终点位于金果园小区外侧，道路全长1346.601 m。

K0+000～K0+420 段是在现状道路的基础上进行渠化拓宽，K0+420～K0+620 段为松石大道下穿道挡墙段，K0+620～K0+760 段为松石大道下穿道框架段，K0+760～K0+985 段为松石大道下穿道挡墙段，K0+985 至终点是在现状道路的基础上进行渠化拓宽。

受西侧现有高压铁塔220 kV 的竹九东线和110 kV 的竹盘西线的限制，松石大道（立交段）将道路中线在红线范围内做细微调整， 在K0+271.824处与K0+392.441 处分别增设半径R=2000 m 的圆曲线，道路中线向南侧摆动了约7 m，避开了现状高压铁塔。

2.2.2 盘溪路

盘溪路（盘溪立交段）是在现状道路基础上进行改造，起点K0+000 与现状盘溪三支路平面交叉，终于盘溪一支路交叉口处，道路全长950.312 m，道路线形与现状保持一致， 全线未设置平曲线。K0+000～K0+130 段是在现状道路的基础上进行渠化拓宽，K0+130～K0+285.335 段为盘溪路上跨桥挡墙路段，K0+285.335～K0+584.135 段为盘溪路上跨桥桥梁段，K0+554.135～K0+740 段为盘溪路上跨桥挡墙路段，K0+740 至终点段是在现状道路的基础上进行渠化拓宽。

2.3 立交匝道

在松石大道下穿道以及盘溪路上跨桥两侧地面设置A、B、C、D 共4 条匝道， 匝道线形与主线一致，通过匝道进入中层平交口，实现车辆往各个方向的转向功能。 A 匝道全长559.085 m，B 匝道全长570.622 m，C 匝道全长610 m，D 匝道全长610 m，匝道标准宽度为8 m，单向2 车道，具体渠化情况以平面布置为准，匝道设计时速为40 km/h。

2.4 纵断面设计

2.4.1 主线纵断面设计

（1）松石大道（盘溪立交段）纵断面设计。 松石大道（立交段）全长1346.601 m，其中K0+000～K0+420 为现状道路纵坡拟合段，K0+420～K0+985 为纵坡改造段，K0+985 至终点为现状道路纵坡拟合段，如图6 所示。 设计起点K0+000 位于松石大道与盘溪一支路交叉口处，起点设计标高H=259.2 m，先以0.76%的上坡至松石大道（立交段）K0+370.018 处，然后以5.0%的下坡开始下降至桩号K0+702.374，再以5.0%的上坡至桩号K0+940， 最后以0.65%的纵坡与现状道路纵坡接顺， 终点设计标高H=259.92 m。

图6 松石大道（盘溪立交段）纵断面

（2）盘溪路（盘溪立交段）纵断面设计。 盘溪路（立交段）全长950.312 m，其中K0+000～K0+130 段为现状道路纵坡拟合段，K0+130～K0+740 段为纵坡改造段，K0+740～K0+950.312 段为现状道路纵坡拟合段，如图7 所示。 盘溪路（立交段）设计起点K0+000 位于盘溪路与盘溪三支路交叉口处， 起点设计标高H=277.36 m，先以5.0%的下坡至桩号K0+170处，然后以0.5%的下坡至桩号K0+430，再以6.0%的下坡至桩号K0+690， 进而以5.0%的下坡拟合现状道路纵坡至桩号K0+848.025， 最后以2.0%的下坡拟合现状道路纵坡至本次设计终点K0+950.312，终点设计标高H=242.02 m。

图7 盘溪路（盘溪立交段）纵断面

2.4.2 立交匝道纵断面设计

（1）A 匝道：A 匝道为松石大道设计左幅地面辅道，匝道自西向东全长559.085 m，起点K0+000 与主线松石大道标高顺接，道路全线基本拟合现状道路纵坡，起点设计标高H设=258.95 m，先以3.6%的下坡与主线纵坡接顺， 至桩号K0+45 处开始变坡，以0.5%的下坡至桩号K0+338.378， 最后以0.65%的上坡至终点。

（2）B 匝道：B 匝道为松石大道设计右幅地面辅道，匝道自西向东全长570.622 m，起点K0+000 与主线松石大道道路标高顺接，道路全线基本拟合现状道路纵坡， 起点设计标高H设=258.95m， 先以3.6%的下坡与主线纵坡接顺，至桩号K0+45 处开始变坡，以0.75%的下坡至桩号K0+291.358，最后以0.65%的上坡至终点。

（3）C 匝道：C 匝道为盘溪路设计右幅地面辅道，匝道自北向南全长610 m，起点K0+000 与主线盘溪路标高顺接， 道路全线基本拟合现状道路纵坡，起点设计标高H设=270.74 m，先以5.0%的下坡与主线纵坡接顺， 至桩号K0+050 处开始变坡，以6.0%的下坡至桩号K0+245，然后以1.3%的下坡至桩号K0+541.486，最后以5.0%的下坡至终点，与盘溪路主线纵坡及标高接顺。

（4）D 匝道：D 匝道为盘溪路设计左幅地面辅道，匝道自北向南全长610 m，起点K0+000 与现状道路标高顺接， 道路全线基本拟合现状道路纵坡，起点设计标高H设=270.74 m， 先以5.0%的下坡与主线纵坡接顺， 至桩号K0+050 处开始变坡，以6.0%的下坡至桩号K0+245，然后以1.3%的下坡至桩号K0+541.486，最后以5.0%的下坡至终点，与盘溪路主线纵坡及标高接顺。

2.5 横断面设计

车行道宽度： 本项目为盘溪立交改造工程，两条相交主线道路分别为松石大道与盘溪路，均为现状道路，故横断面设计首先应考虑本项目起终点道路的衔接。

（1）松石大道下穿道挡墙段横断面设计。 松石大道（立交段）（K0+420～K0+620、K0+760～K0+985）标准路幅宽度根据规划红线确定为82 m，具体路幅分配如图8(a)：82.0 m=19.0 m（人行道及绿化带）+8.0 m （匝道）+0.5 m （设施带）+0.75 m （检修道）+11.75 m（主线车行道）+2.0 m（中分带）+11.75 m（主线车行道）+0.75 m（检修道）+0.5 m（设施带）+8.0 m（匝道）+19.0 m（人行道及绿化带）。

（2） 松石大道下穿道框架结构段横断面设计。松石大道下穿道框架结构段 （K0+620～K0+760）路幅分配如图8(b)：27.0 m=0.75 m（检修道）+11.75 m（车行道）+0.5 m（检修道）+1.0 m（隔墙）+0.5 m（检修道）+11.75 m（车行道）+ 0.75 m（检修道）。

（3）盘溪路上跨桥挡墙路段横断面设计。 本次盘溪立交改造设计将盘溪路改为上跨松石大道，上跨桥路幅宽度定为18 m，双向4 车道。 盘溪立交北侧挡墙路段路幅宽度为75 m （K0+130 ～K0+258.335），其路幅分配如图8(c)：75.0 m=19.75 m（人行道及绿化带）+8.0 m （匝道）+0.75 m （检修道）+0.5 m（设施带）+8.25 m（主线车行道）+0.5 m（硬质隔离）+8.25 m（主线车行道）+0.5 m（设施带）+8.0 m（匝道）+19.75 m（人行道及绿化带）。 盘溪立交南侧挡墙路段路幅宽度为82 m（K0+584.135～K0+740），其路幅分配为：82.0 m=23.25 m（人行道及绿化带）+8.0 m （匝道）+0.75 m （检修道）+0.5 m （设施带）+8.25 m（主线车行道）+0.5 m（硬质隔离）+8.25 m（主线车行道）+0.5 m（设施带）+0.75 m(检修道)+8.0 m（匝道）+23.25 m（人行道及绿化带）。

（4）盘溪路上跨桥桥梁段横断面设计。 盘溪立交上跨桥桥梁段（K0+258.335～K0+584.135）路幅分配如图8(d)：18 m=0.5 m（设施带）+8.25 m（车行道）+0.5 m（硬质隔离）+8.25 m（车行道）+0.5 m（设施带）。

（5）玉带北路、玉带二支路框架段横断面设计。预留玉带北路、玉带二支路下穿道标准横断面路幅宽度为9.5 m，分配如图8(e)：9.5 m=0.75 m（检修道）+8.0 m（车行道）+0.75 m（检修道）。

图8 横断面设计

3 盘溪立交跨线桥主线桥计算

3.1 工程概况

盘溪立交跨线桥上跨松石大道及人行天桥。 其中，人行天桥利用吊杆作为支撑，将吊杆上端直接锚固在主线桥的底板内。 第二联主桥跨径组成为（40+62+40）m， 上部结构采用预应力混凝土变截面连续箱梁，单箱三室断面。

3.2 计算模型及参数

3.2.1 计算模型

本次设计计算采用MIDAS/Civil 2017 结构分析软件。 本桥上部箱梁为单箱双室等截面箱梁，典型断面如图9 所示。 拟采用单梁模型，按主梁竖曲线线形建立有限元模型。 为分析各个支座实际受力情况，预应力钢束、支座位置均按实际位置模拟准确。主桥（第三联）划分64 个梁单元、69 个节点及4 个边界单元，引桥（第一、三联）划分64 个梁单元、69 个节点以及4 个边界单元。 主桥计算模型如图10 所示。

图9 典型断面示意图

图10 箱梁消隐模型

3.2.2 计算荷载

一期恒载包括预应力混凝土、钢筋混凝土容重26 kN/m3；钢绞线、钢筋容重78.5 kN/m3；天桥荷载：主桥跨中承受天桥自重荷载为1210 kN。 二期恒载包括护栏：单侧每延米自重为10 kN/m；沥青混凝土铺装厚度10 cm，容重23 kN/m3；天桥人群荷载：主桥跨中承受天桥人群荷载最大为830.8 kN。 基础不均匀沉降：主桥各桥墩沉降按15 mm 计，引桥各桥墩沉降按10 mm 计，取最不利组合。 温度梯度根据规范规定，梯度升温温度T1=14℃，T2=5.5℃；梯度降温温度T1=-7℃，T2=-2.75℃。

3.3 主桥（第二联）纵桥向计算结果分析

图11（a）为主梁抗弯承载能力包络图，绿线表示抗力，在基本组合作用下，主梁弯矩效应均小于抗力，抗弯承载能力极限状态满足规范要求，并且富裕较大。 图11（b）为主梁抗剪承载能力包络图，绿线表示抗力，在基本组合作用下，主梁剪力效应均小于抗力，抗剪承载能力极限状态满足规范要求。

图11 主梁内力承载能力包络图

图12 主梁上下缘最小正应力包络图（频遇值组合）

图13 为主梁挠度示意图， 验算结果表明汽车荷载挠度值小于L/600，满足规范要求，预应力产生的长期返拱值大于按荷载频遇值组合计算的长期挠度值，可不设置预拱度。

图13 主梁挠度示意图

4 结论

本文依托重庆市江北区盘溪立交项目工程，对主要道路进行设计， 对跨线桥进行设计和计算分析，主要结论如下：（1）盘溪路（立交段）全线共设置4 处竖曲线， 最大纵坡6.0%， 最小竖曲线半径R=1800 m，最小竖曲线长度L=81.92 m，最小坡长L=158.025 m。（2）通过有限元软件MIDAS 对主桥结构设计进行数值仿真建模， 采用设计荷载和组合，分析了主桥结构的安全性， 证明设计合理且安全；研究成果对今后类似工程具有重要的参考借鉴意义。