大型枢纽互通式立交桥梁设计探讨

李 杰，彭小明，李毓坤，袁 健，刘 蒙

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司,湖南 长沙 410200)

1 工程概况

现状芦荻山互通为二广高速公路上一座A型单喇叭落地互通,于2016年建成运营,解决了常德城区东部居民上下高速的需求。后作为新建G5513益常高速的终点互通,在保留其落地功能的基础上,对其进行枢纽化改造,增加高接高功能。芦荻山枢纽互通受现状落地互通、居民区和基本农田控制,在原位置进行改扩建,采用单环式的变形苜蓿叶形,二广主线下穿匝道。共新建A,B,C,D,E,F,H,L,R共9条匝道,利用原G匝道(见图1)。

已通车的二广高速主线为双向四车道高速公路,设计时速为120 km/h,标准宽度为28 m;新建益常高速主线为双向六车道,设计时速为120 km/h,标准宽度为34 m;B,C,F,G匝道为单向单车道,设计时速为40 km/h,标准宽度为9 m;A,E匝道为单向双车道,设计时速为60 km/h,标准宽度为10.5 m;D,H,L,R匝道为单向双车道,设计时速为60 km/h,标准宽度为12.25 m。

2 桥梁设计原则

1)桥梁设计应遵循技术先进、安全可靠、耐久适用、经济合理的原则[1],并充分考虑施工难易程度、施工期间保通等因素。2)在平曲线半径较大且桥宽变化幅度较小或需跨越渠道等障碍物时宜布置预制装配式桥梁。3)当平曲线半径不小于80 m,但不满足做预制装配式桥梁条件时,宜采用预应力钢筋混凝土现浇箱梁,当平曲线半径小于80 m或桥宽变化幅度较大时宜采用主跨L≤20 m钢筋混凝土现浇箱梁[2]。4)跨越正在运营的既有高速公路主线且平曲线半径较小的匝道宜采用能快速施工的钢结构桥梁。5)桥墩宜采用便于施工的圆柱墩,当桥幅宽度较小时宜采用独柱墩,以保证下部结构的简洁性、通透性[3],且宜适当归并下部盖梁、墩柱、桩基尺寸。6)当匝道与其他匝道斜交角度较小时,为避免出现大跨径桥梁,宜采用横梁加长或门架墩形式跨越。7)桥墩桩基与既有互通桥梁桩基的间距应满足规范要求,且新建桥梁施工时应做好注浆等工程措施,避免对既有桥梁桩基产生扰动。8)互通桥梁除考虑功能满足设计要求之外,还应考虑结构的形式美。考虑上下部结构尺寸协调、桥梁高度及跨径比例、多层桥梁交叉时墩柱平面布置形式的和谐等因素[4]。

3 桥梁设计方案

3.1 总体方案

根据桥梁设计原则并结合本互通的实际情况,进行桥梁布跨如表1所示。

3.2 上部结构设计

3.2.1 预制结构设计

现浇箱梁连续结构虽然造型较为美观,可适应绝大多数平面线形的要求,但是施工难度较大,工期较长,造价较高[5]。预制装配式桥梁对比整体式现浇结构的桥梁,其具有结构形式简单,受力特点明显,设计、施工周期短,工程造价低,易标准化施工、质量可控等优势,已成为基础设施建设的必然趋势[6],因此本互通新建桥梁除较小曲线半径(小于10倍跨径)和变宽幅度较大不能保证同一跨起终点湿接缝宽度的位置外,其余位置均采用预制装配式桥梁。互通匝道桥梁与本项目主线桥梁保持一致,采用30 m预制装配式小箱梁(表1中加下划线部分),预制装配式桥梁面积占比达75.4%。预制装配式桥梁通过调整主梁片数以及湿接缝宽度适用桥宽变化,湿接缝宽度不宜过小,以便于施工及吊装,也不宜过大,以保证预制结构的横向连接,根据工程经验湿接缝宽度宜在400 mm～1 000 mm。预制小箱梁典型横断面图见图2。

表1 桥梁一览表

对于本互通标准宽度预制装配式小箱梁参数如表2所示,其余变宽部分预制装配式小箱梁根据每跨起终点桥梁宽度布梁。

表2 标准宽度预制小箱梁参数表

3.2.2 现浇箱梁设计

D匝道第四、八联,E匝道第一、三、四联,F匝道、H匝道五、六、七、九、十联,R匝道第三、四联采用等宽度现浇箱梁,其截面信息如图3—图8所示。

预应力混凝土箱梁顶板厚260 mm,底板厚240 mm,普通钢筋混凝土箱梁顶板厚度240 mm,底板厚度220 mm;如普通钢筋混凝土箱梁箱室跨度较大,可采用预应力混凝土箱梁的顶底板厚度,底板加厚在40 m以内跨径,统一加厚至400 mm,渐变加厚段长度:20 m及以下跨径3.5 m;25 m跨径4.5 m;30 m跨径5.5 m。

单箱单室跨中腹板厚500 mm,腹板加厚段厚700 mm,单箱双室跨中腹板厚400 mm,腹板加厚段厚600 mm。腹板渐变加厚段与底板渐变加厚段长度等长。

A匝道第四联,D匝道第三、九联、E匝道第八联,H匝道第十三联为变宽现浇箱梁,对于变宽桥梁根据桥梁基宽度相应调整箱室个数,箱室按等分原则确定,一联内应尽量采用相同箱室数,部分裤衩处由于桥宽变化过大,根据需要增加箱室。等箱室变宽现浇箱梁见图9,变箱室变宽现浇箱梁见图10。

3.2.3 钢箱梁设计

E匝道第二联及H匝道第八联上跨正在运营的二广高速公路主线,受被交道宽度、斜交角以及前后桥跨布置等因素,跨径分别布置为36 m+45 m+41 m,34 m+47 m+36 m,由于上跨二广高速处两条匝道的平曲线半径仅为150 m,160 m,故采用能快速施工,减少对高速主线运营影响的钢箱梁结构。这两联钢箱梁采用全钢断面设计,为方便运输和大节段架设,主梁采用双箱单室断面。钢箱梁梁高1.8 m,E匝道钢箱梁全宽10.5 m,单箱宽2.8 m,两侧悬臂长度均为1.5 m,钢箱梁梁高1.8 m,H匝道钢箱梁全宽12.25 m,单箱宽3.1 m,两侧悬臂长度均为1.65 m,桥面设单向横坡,横坡6%,每个单箱中心线处梁高为1.8 m,梁底水平,腹板随横坡的变化升高降低。10.5 m宽钢箱梁断面图见图11,12.25 m宽钢箱梁断面图见图12。

3.3 下部结构及基础设计

下部结构尺寸及配筋需根据计算满足承载能力及正常使用要求,同时由于本项目桥梁宽度较多,应适当归并下部结构形式和尺寸以便于设计和施工。

30 m预制小箱梁桥墩盖梁倒角共有三种尺寸,9 m标准宽度倒角为650 mm×1 950 mm(见图13),10.5 m和12.25 m标准宽度倒角尺寸为750 mm×1 075 mm(见图14,图15),16.75 m标准宽度倒角为850 mm×1 950 mm(见图16),其余变宽部分盖梁倒角尺寸应根据实际桥宽和墩柱布置从750 mm×1 075 mm和850 mm×1 950 mm两种尺寸中选取(见图17)。连续墩盖梁宽度为2 m,过渡墩盖梁宽度根据抗震要求计算确定。

30 m预制小箱梁桥墩墩柱和基础共有三种尺寸,对9 m宽桥梁由于桥宽较窄,为保证下构间接通透性,选用1.3 m×3 m独柱矩形墩。其他宽度桥梁采用双柱式墩,当墩高h≤15 m时,下构选用1.4 m+1.6 m桩柱式桥墩,15 m

现浇箱梁根据跨径和桥梁宽度确定下构尺寸,F匝道跨径不大于20 m,桥宽为9 m,为保证下构间接通透性,选用截面由1.3 m×2.5 m渐变至1.3 m×4.2 m独柱墩。当桥梁宽度超过9 m时,采用双柱式圆墩,对主跨L≤20 m的桥梁,墩高h≤10 m时,下构选用1.3 m+1.5 m桩柱式桥墩,10 m

4 常见问题及解决措施

4.1 腹板防崩问题

对于互通式立交中的预应力现浇箱梁,其平曲线半径一般较小,在曲线上施加预应力时,预应力束将产生指向曲线内侧的径向力,曲率半径越小、索力越大、产生的径向力越大,如预应力束在腹板位置布置不当,就有可能将腹板崩裂[7]。

设计中通过采取三种措施防止预应力束将腹板崩坏,一是小半径曲线上的预应力现浇箱梁设置30 cm厚的中横隔板,增强腹板横向刚度;二是将预应力束偏置在腹板平曲线外侧一定距离,增加预应力束内侧混凝土厚度;三是在腹板内侧设置防崩钢筋,确保结构安全。

4.2 排水问题

桥梁排水是否足够通畅和桥面的纵坡及横坡关系比较大[8],桥梁应避免出现凹曲线和反向横坡设计,但是对于全桥方案的大型枢纽互通难以避免,因此需加强排水设计。本项目一般路段在横桥向高程低的一侧每间隔2.5 m布置一个150 mm的PVC竖向泄水管,将水汇入到300 mm的PVC纵向接水管,再通过联通的排水接地管排入纵向排水沟或沉淀池。对于凹曲线和反向横坡路段,将竖向泄水管间距加密至2 m,并且在每个桥墩处设置排水接地管,提高排水能力。

4.3 抗倾覆问题

近年来匝道桥倾覆案例时有发生,不仅导致巨大经济损失,还造成众多人员伤亡,引发不良社会影响[9]。因此,对于桥宽较窄、曲线半径较小的现浇箱梁匝道桥,其抗倾覆性能是设计中应重点关注的内容。例如本项目F匝道桥半径仅为120 m,且主墩支座间距仅为3.5 m,为提高本桥抗倾覆性能,将梁端横梁加长,并将梁端支座间距加大设置为5 m。

5 结语

大型枢纽互通式立交桥梁设计是一项系统工程,在路线平纵横设计的基础上,综合考虑结构安全、工程造价、施工便利性、美观性等多种因素选择每座桥梁合适的上下部及基础结构形式[10]。同时,每座桥梁也不是完全独立的设计,需考虑互通内其他桥梁的设计,尽可能地归并上下部及基础结构类型,做到相对统一。同时针对互通内桥梁易发生的腹板崩裂、排水、倾覆等问题,设计应采取必要的措施避免。