市政道路工程中框架结构的设计方法研究

代云焜 DAI Yun-kun

（中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 400023）

0 引言

在山地城市中，由于地形狭窄，地势高低不平，受地形地貌及周边建筑物影响，存在道路平面布局不规则，路幅宽窄不一，转弯半径小等特殊情况；在城市中心区域，为充分利用土地资源，存在利用高架道路下方空间设置停车场，解决停车难问题，因而需设置多层结构的情况。在上述情况中采用常规的桥梁结构布局困难，很难将工程项目具体实现。为解决这一工程难题，本文提出将房建框架结构应用到市政工程中，以实现项目的功能需求。但房建工程和市政工程分属不同的工程领域，需遵循不同的行业标准。现行的设计规范未对此类工程的设计方法做出明确规定。如何对此类结构进行受力分析，使工程项目做到结构安全、经济合理是急需解决的问题。本文探析了此类框架结构的设计分析方法，重点研究此类工程的设计标准确定，结构方案布置，荷载取值原则和设计分析过程，提出了设计工作中应重点考虑的关键问题和措施方案。通过合理方法对此类框架结构进行计算分析，可实现工程项目结构安全，经济合理的总体设计目标。

1 工程概况

本工程位于重庆市九龙坡区。本项目为既有市政道路的连接道，其起终点均为现状市政道路，道路全长538m，道路等级为城市次干路，设计时速为30km/h，双向四车道，道路宽度22～26m。本项目在K0+387～K0+538 范围内由于地形地貌为斜坡地段，为充分利用空间，节约土地资源，建筑方案在道路下方净空位置设计了一层楼板，设置临时停车位。工程结构平面如图1 所示，典型横剖面如图2 所示。

图1 结构平面布置图

图2 典型横剖面图

2 结构方案

本项目处于城市中心区域，受地下构筑物位置影响，较难布置桥梁孔跨及墩柱。因与相邻建筑物的关系，基于环境保护和城市景观要求，有关部门不建议采用结构尺寸较大的桥梁结构，同时建筑方案利用地形条件设计了一层架空楼板供临时停车使用。经综合比选，拟采用钢筋混凝土框架结构方案。

钢筋混凝土框架结构为房建工程中常见的结构体系，其优势包括两点：①平面上的布置简单，能够扩大使用空间；②建筑的刚度、延性性能好[1]。延性是结构抗震性能的具体体现，指的是结构在屈服之后，依然具备的承载能力和塑性变形能力[2]。框架结构传力体系明确，抗震性能好，应用到市政道路工程中可满足工程受力需求，有效解决桥梁结构布局困难的难题。但市政道路上通行汽车，其荷载大，位置不确定，属于移动荷载，应精确分析汽车荷载对框架结构的作用效应，使结构设计做到安全可靠，经济合理。

3 结构设计分析方法

3.1 设计标准的确定

本工程为市政道路工程，采用的结构型式为房建框架结构，其设计标准应融合两个领域的要求，在实现功能需求的前提下，必须保证结构安全。根据《城市桥梁设计规范》CJJ11-2011（2019 年版）第3.0.2 条，本工程按照中桥标准进行设计。根据规范第3.0.9 条、第3.0.14 条并结合房建相关规范要求，本工程结构设计标准确定如下：设计使用年限为50 年，结构安全等级为一级，抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度为6 度，设计基本地震加速度值0.05g，设计地震分组第一组，基础设计等级为甲级。

3.2 结构方案布置

根据道路线型及路幅宽度，结合现场周边情况，整体采用横向两跨框架结构方案。受地下构筑物位置影响，在K0+380～K0+460 范围内横向框架主轴与道路中心线斜交，其余区段为正交关系。框架横向柱距约10m，纵向柱距约15～20m。因本工程荷载很大，为有效减小梁柱截面尺寸，将柱距较小的横向框架作为主受力框架，因此设置顺道路方向的框架次梁（间距约2.2m），形成密肋梁形式的楼盖结构（结构布置如图1 所示）。通过布置顺道路方向的次梁，有利于车道荷载尽快传递给主梁，最终通过柱传给基础。该方案也使得结构传力体系简单、明确、直接，有利于结构计算分析。

3.3 荷载取值原则

本工程为市政道路，根据《城市桥梁设计规范》要求，其荷载等级为城-A 级。由于SATWE 软件不能对移动荷载进行影响线加载分析，因此需对汽车荷载进行简化。如何有效的考虑汽车荷载对结构的作用效应是本类项目设计的关键点。本项目分析时针对楼板按照《建筑结构荷载规范》附录C 要求，根据城-A 级荷载汽车轮压值计算出等效均布荷载，作为楼板分析的荷载。针对梁柱按照弯矩、剪力等效原则将汽车荷载等效为均布荷载。具体做法为先采用Midas CIVIL 软件进行整体建模，按影响线加载方式进行分析，得出主次梁内力，然后按照弯矩、剪力等效原则进行等效。等效荷载取值如表1（已考虑汽车荷载冲击效应）。

表1 汽车等效荷载表

3.4 结构分析方法

建立整体模型（如图3 所示），按照上述荷载等效原则，分别取楼板、次梁、框架主梁及柱的等效活荷载，采用SATWE 软件进行所有工况的计算分析，根据计算结果进行施工图配筋设计。其中楼板设计采用SATWE 软件计算结果与采用Midas CIVIL 软件按车道荷载计算结果做了对比验证，使项目做到结构安全同时又经济合理。梁弯矩计算结果如图4 所示，梁剪力计算结果如图5 所示。

图3 整体模型图

图4 梁弯矩计算结果（局部）

图5 梁剪力计算结果（局部）

4 设计中应重点考虑的关键问题及措施方案

4.1 超长结构温度应力计算及裂缝控制措施

本工程为市政道路工程，其楼板顶虽然有路面铺装层，但建筑物并无围护结构，属于露天状态，同时本工程总长150.3m，属于超长结构，应重点考虑温度应力的影响。超长混凝土结构设计有两个突出问题需要考虑，一个是温度应力作用下的裂缝控制问题，一个是构件设计时如何考虑温度应力参与荷载组合即构件承载力设计问题[3]。为有效减小温度应力影响，合理计算温度应力，本工程采取了以下方法及措施：

①设置结构缝将结构分为多个单元。考虑到后期使用及维护需求，本项目仅根据柱网与道路中心线的位置关系设置了一道伸缩缝，将整个结构分为了两个结构单元，其最长结构单元长度为95.5m。

②计算分析时考虑了对温度应力的计算。根据合拢温度并结合当地气温条件按±20 度考虑升降温工况，考虑到混凝土收缩徐变的影响，降温工况再增加10 度。

③本工程结构梁、板、柱均使用补偿收缩混凝土，且尽量控制混凝土强度等级。

④超长结构设置后浇带，后浇带间距不大于35m。

⑤施工图设计中增强温度应力配筋，主要是板钢筋和梁腹钢筋等。

⑥设计文件中对施工方法、养护措施等提出明确的要求。

4.2 “强柱弱梁”抗震设防目标的实现

钢筋混凝土框架结构是我国常见的建筑形式之一，其在地震作用下按预期合理的破坏机制破坏是实现抗震设防目标的决定性因素之一[4]。“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件”的设计原则应贯穿在此类项目设计的全过程。本类工程由于荷载大，柱距大，通常梁截面尺寸较大，应特别注意加强“强柱弱梁”的抗震设防目标的实现。设计过程中严格控制柱轴压比，不应使轴压比过大，有效增加结构延性；尽量优化梁截面尺寸，严格按照《建筑抗震设计规范》中的要求进行梁柱节点内力调整，设计配筋。采取加强节点设计等措施，保证“强柱弱梁”抗震设防目标的实现。

4.3 应注意考虑场地的影响

根据《建筑抗震设计规范》第4.1.8 条要求：当需要在条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石和强风化岩石的陡坡、河谷和边坡边缘等不利地段建造丙类及丙类以上建筑时，除保证其在地震作用下的稳定性外，尚应估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用，其水平地震影响系数最大值应乘以增大系数[5]。在山地城市中，受地形地貌影响，工程项目常处于上述抗震不利地段，在设计过程中应按照规范条文说明要求，计算出水平地震影响系数增大系数，对地震力进行放大。同时工程项目需在边坡稳定的前提下才能实施，当不能保证边坡稳定性时，应先行对边坡进行治理。

4.4 特殊工况下的构件验算

本类工程楼面通行汽车，其荷载大，位置不确定，对直接承受轮压的构件应对其进行最不利工况下的验算，如楼板、框架次梁等，以保证构件在特殊工况下的结构安全。本项目按照城-A 荷载的轮压分布，并根据汽车轮廓尺寸按照最不利位置对车辆进行了布置，按最不利荷载位置工况对楼板、框架次梁进行了验算，以保证结构安全。

4.5 关于汽车荷载的冲击力、离心力与制动力

汽车荷载的冲击力、离心力与制动力在房建规范中未有相关规定，但本类工程为市政道路，其汽车通行速度较快，相关作用力应按《公路桥涵设计通用规范》规定计算并加以考虑。本项目楼面设置有路面铺装层，但总体厚度仅约34cm，根据《公路桥涵设计通用规范》第4.3.2 条要求，计算出冲击系数μ=0.31，据此考虑冲击作用。当道路处于曲线区段时，应考虑汽车荷载的离心力影响，应按《公路桥涵设计通用规范》第4.3.3 条要求计算出离心力，并作用在柱顶位置。汽车荷载制动力同样按规范第4.3.5 条要求计算，作用在柱顶位置。

5 结束语

将房建框架结构应用到市政道路工程中，可有效解决山地城市中特殊地段道路工程难以用桥梁结构呈现的困难，但现行设计规范未对此类工程的设计方法做出明确规定。通过本文提出的分析方法，可较好的确定工程项目的设计标准，精确分析汽车荷载对框架结构的作用效应，在采取相关措施后，可保障此类工程项目的结构安全，同时做到经济合理。本文可为类似工程项目的设计工作提供参考。但由于市政工程和房建工程分属不同工程领域，其设计方法还有待进一步研究和完善，希望本文能为相关研究提供参考和启示，促进此类工程项目结构设计水平的提高。