樞紐小半徑斜彎坡橋梁設計問題研究

1 概述

吉縣至河津高速公路是山西省高速公路網西縱的重要組成部分，北接西縱隰縣至吉縣段高速公路并與臨吉高速十字交叉，南接西縱河津至運城段高速公路并與侯禹高速十字交叉，在與臨吉高速交叉位置設置吉縣樞紐。

該立交樞紐設 A，B，C，D，E，F，G，H 共 8 條匝道，樞紐所處地形異常復雜，共設置小半徑斜彎坡橋梁15座，設計難度很大，其中位于G，H上的匝道橋梁均處于半徑70 m～80 m的小半徑曲線上，其他匝道橋梁所處半徑也較小，且分別位于變寬分叉線形上。

本樞紐橋梁設計中，主要采用了現澆曲線連續箱梁結構，考慮到施工的進度及方便性，部分橋跨采用了裝配式與現澆組合結構。樞紐立面布置圖及樞紐橋梁斷面圖見圖1，圖2。

圖1 樞紐立面布置圖

2 設計問題分析

2．1 總體計算

立交樞紐中的橋梁多以小半徑、斜彎坡等其他異型結構為主，對于半徑較大或者平面寬度變化趨勢不大的橋梁，可以采用平面桿系的理論進行結構分析計算。但是對于立交樞紐內大部分平面半徑較小(通常小于150 m)或斜交角度大于10°的橋梁及寬度變化較為劇烈的分叉變寬異型橋梁，就必須采用梁格法進行梁體空間結構分析，這樣才能更準確的反映出梁體各部位的受力狀態。

圖2 樞紐橋梁斷面圖

工程設計人員在進行實際工程設計操作時，可以先采用平面桿系軟件進行配束調束工作，完成配束調束后，再利用梁格法空間分析軟件進行結構的驗算。

需要特別注意的是，在工程設計人員配束調束的過程中，對于受力復雜的橋梁結構，在應力、承載力等受力指標上應該進行嚴格的控制，以便于在空間分析時，結構驗算能夠滿足要求。

2．2 橫隔板受力分析

就我國目前現行的橋梁規范而言，沒有對橋梁橫隔板的計算分析給出詳細的指導方法。但是，目前比較慣用的實際設計方法是以“腹板剪力法”“恒載按腹板均布，活載按影響線移動布置”及“荷載均布法”等方法為主。實際設計時，恒載按照恒載產生的支反力除以腹板數，作用在腹板具體位置，對位于平曲線內的橋梁，需要考慮外側腹板的增大系數，護欄的荷載按照實際位置加載，活載則按照影響線移動布置。從目前國內大量的參考文獻中可以得知，這種計算模式應該和主梁實際的受力狀態較為接近。

工程設計人員在進行實際工程設計時，需要特別注意的是，按照這種方法計算完成后，需要用其他的計算方法對其結果進行校核，以確保橋梁主體結構的安全。

2．3 支座預設置偏心問題

在我們實際工程設計中，絕大部分的匝道橋梁中間橋墩都設置為無抗扭剛度的點支撐支座，預設中間支座一定的偏心值，可以改善橋梁的內扭矩，從而使得橋梁的最大、最小的絕對扭矩值基本接近，以減少抗扭鋼筋的用量，同時也能夠有效的改善橋臺處的扭矩，避免支座的落空現象，使得各個支座能夠協同工作，有效的防止了主梁的傾覆。

2．4 橋面板橫向計算

通常橋面板的橫向計算采用框架模擬計算，而沒有采用單向板或者雙向板的計算模式。我們在計算中會發現:按照單向板計算橋面板時，與橋面板的實際受力情況不符合，容易導致錯誤的配筋形式;在布置橫向預應力時，在箱室頂板跨中處下彎，而實際上是不需要的，只需要在橋面板的上緣配置直線通長的預應力鋼絞線即可。因此，采用框架式計算模型對橋面板進行橫向分析，其結果更接近梁板的實際受力狀態。

3 橋梁布孔探討

本項目立交樞紐屬于大型樞紐式互通立交，受到地形地物及交叉物的限制，平面線形較為復雜。橋梁布設大部分均以小半徑彎橋和其他異型現澆橋梁為主，對工程設計人員的專業水平及設計經驗都會有較高的要求。特別是在當前設計任務重，工作量大，時間要求緊迫的情況下，如何更好、更快、更經濟、更安全、更美觀的設計出好的立交樞紐橋梁，對設計人員是較大的考驗。

互通樞紐內橋梁布孔方案的設計是樞紐立交橋梁設計的靈魂，直接關系到橋梁的安全、造價、施工難易程度、美觀程度，甚至關系到橋梁在互通方案中的合理性。互通樞紐內的橋梁往往要將整個樞紐區內的橋涵布設統一考慮進去，而且更多的要考慮施工的可行性。

互通樞紐內橋梁布孔的設計還應充分考慮沿線的自然條件、社會條件、地質條件，同時還要結合本項目的特點和難點，從而選擇合理的橋型方案，以盡可能的減少工程對土壤環境、水環境、生物環境、自然環境的影響和破壞。

互通樞紐內的橋梁施工方案的選擇對橋梁布設也有著很重要的影響。橋梁全部采用現澆連續結構雖然造型較為美觀，且可以適應絕大多數平面線形的要求，但是施工難度較大，工期較長。因此，工程技術人員應該在有條件的情況下，盡可能的選用預制結構，或者預制與現澆組合結構的設計方案。這樣既減少了項目的建設成本，也解決了現澆橋梁曲線多跨鋼絞線施工空間問題，同時還可以有效的解決單端逐孔張拉引起的各聯橋梁施工相互制約的問題。但是需要注意的是，采用的預制結構應該在外觀上與現澆結構協調一致，既外形美觀又方便施工。

橋梁在布孔時除考慮所跨越的構造物外，應結合實際線形，橋梁高度，變寬趨勢等指標。布孔時應盡可能優先采用16 m～30 m的常用跨徑，分聯盡可能設置在寬度變化的起終點。S形橋梁當兩側反向半徑均較小的情況下，橋梁受力特別復雜，尤其是采用獨柱結構的S形橋梁受力更為復雜，此時應該考慮在中間連接的緩和曲線上分割成兩聯不同方向的橋梁結構進行受力分析。同時可適當的減小橋梁的聯長或者有選擇性的采用雙柱式支撐結構體系。

在實際的工程設計中，需要特別注意的是，多數橋梁工程技術人員往往認為路線平縱面資料是橋梁設計的基礎資料，無論橋梁設計多么復雜都不能改變。實際上立交樞紐方案和橋梁設計方案是相輔相成的，不是一點都不可以改變的。立交樞紐的匝道線形布設時應同時考慮到橋梁設計施工的可能性及難易程度。比如，分叉端的橋梁布置受到路線分叉的影響就會很難設計，但是如果分叉的位置能夠前后適當調整，就可以給橋梁的設計提供很大的便利，同時也方便施工。

4 結語

互通樞紐區的橋梁設計除要求有豐富的橋梁設計經驗、扎實的結構分析理論基礎外，還應該具備一個全局性的統籌思考的思維角度，要具備總體設計的思想意識。

小半徑曲線橋梁的內外支反力很不均勻，主要原因是由于預應力和溫度梯度引起的，溫度由橋梁所處的環境決定，不可改變。預應力的設置則根據彎梁橋的受力特點進行合理的調束，內外側腹板鋼束會有所不同。因此建議小半徑的曲線橋梁(半徑小于80 m的橋梁)宜設計成鋼筋混凝土結構的連續梁橋或者鋼結構箱梁橋，因為預應力的布置以及支座的設置，作為空間特性非常明顯的小半徑曲線橋梁，位移趨勢難以預測，很有可能導致支座脫空和梁體的橫向爬移。

斜交的連續箱梁橋的梁端變形會比較復雜，伸縮縫的設置應該比正交橋梁的伸縮量要大一些，或者建議選擇多向變形的伸縮縫裝置。

小半徑曲線橋梁的支座布置，應該在計算約束的情況下必須有效約束，結構位移的位置需要釋放的就應該放開。眾所周知，國內多起橋梁傾覆變形事故已經說明了支座在小半徑橋梁中的設置方式與結構本身的受力安全處于同樣重要的地位。

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