半幅高架與環形匝道組合互通式立交橋設計

胡學奎

（甘肅省交通規劃勘察設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730030）

1 項目背景

蘭州市為破解交通擁堵難題，啟動了重要擁堵路段交通節點的改造，完善市區交通服務功能，提升城市整體形象。小西湖立交橋改造是蘭州市立體交通節點的改造的首個開建工程和重點工程。

小西湖立交改造工程位于南濱河中路。南濱河中路是一條沿東西方向布設的雙向6車道的城市主干路，是蘭州黃河風情線重要組成部分。原小西湖立交由于受修建時資金、地理條件等制約，未修建左轉彎車道，為不完全互通式立交。自西向東行駛的車輛只能違章掉頭后從自東向西的方向右轉彎上橋；而自北向南過河的車輛也無法左轉彎下橋，只能右轉彎下橋后在蘭州軍區總醫院附近掉頭后向東行駛。伴隨著蘭州城市交通量的不斷增加，由此造成的交通不便和存在的交通安全隱患日益凸現，迫切需要對小西湖立交進行改造。通過改造盡量消除或減少小西湖立交缺陷造成的上下左轉彎及直行左轉彎不暢問題。

該立交改造主線技術標準：城市主干路，路幅寬度40 m，橋面凈寬10 m，凈空高度為5 m，設計車速50 km/h，最大縱坡3.9%，設計荷載為城-A級。匝道技術標準：路幅寬度8m，橋面凈寬 6.5m，設計車速20～30 km/h，匝道最小半徑為15m，匝道最大縱坡3.9%。

場地位于祁連山褶皺帶中祁連隆起帶東段的蘭州斷陷盆地，金城關活動斷裂及劉家堡隱伏活動斷裂以南，雷壇河活動斷裂以西的斷塊上。其中：劉家堡隱伏活動斷裂距工程區較近，對工程影響較大。該工程場地主要由卵石、漂石和第三系泥巖、砂巖組成，場區范圍內場地土平均剪切波速為330 m/s左右，場地土類型為中硬土，場地類別為Ⅱ類，設防烈度為Ⅷ度。

2 立交方案構思

南濱河路南側分布大量永久性高層建筑物，無法拆遷，對立交擴建帶來較大的局限性。立交北側為蘭州市主要景點—“黃河風情線”，受南側建筑物和“黃河風情線”夾逼，立交布置空間有限。方案設計階段提出了南濱河路高架方案、環形高架立交方案、南濱河路部分高架與環形匝道組合方案、苜蓿葉與定向匝道組合方案等四個方案。綜合考慮研究范圍內交通組織情況及沿線建筑物分布情況，結合平縱面指標、工程地質條件及工程造價、環境影響等多種因素，最終采用南濱河路半幅高架與環形匝道組合方案，如圖1所示。該方案除滿足交通功能外，對南濱河路靠河側原有的景觀帶破壞較小，工程方案能較好地與周邊環境相協調，盡量利用南濱河路北側半幅路節省工程投資。

圖1 小西湖立交橋效果圖

該方案將南濱河路南側右半幅車道采用單幅高架橋，左半幅（即靠河側）利用現有道路，在原立交橋東西200 m各修一條環形匝道與高架橋連接，實現北向東、西向北左轉，南向西及東向南左轉車輛利用右轉匝道到達地面后左轉匯入主線，原立交四個右轉匝道靠河側兩匝道改建，其余兩個匝道直接利用。小西湖立交改造交通組織設計解決的交通問題分為三個層次，第一層次為重點解決全部或部分南濱河路與小西湖東街、黃河大橋四個左轉向匝道的交通問題；第二層次為研究解決蘭州軍區蘭州總醫院出入口的交通通行問題；三層次為兼顧立交以東街坊道路與南濱河路的交叉口交通通行問題。

3 小西湖立交改造技術難點

城市立交橋為適應現代城市交通的需要，具有斜、彎、坡、異形等特點，給橋梁線型的設計和構造處理帶來很大困難，既有立交橋的改造困難尤甚，技術難點主要體現在以幾點。

3.1 路線布設難度大

立交南北兩側受既有高層建筑和黃河風情線夾逼，布置空間有限，需要在南北寬39 m范圍內展線完成四個方向互通的立交主體工程，因此環形匝道被迫采用最小平面指標，曲線半徑僅15m。

3.2 既有地下管道錯綜復雜，橋梁孔跨及墩柱布置難度大

有19種既有管道在改造的立交橋下穿過，這些管道包括熱力管道、燃氣管道、電力隧道、軍用光纜等，其中軍用光纜、電力隧道不能改移；熱力管道、燃氣管道改移成本太高；大直徑給水管道等存著無改移空間的問題，橋墩為避讓管道造成下部結構類型較多。

3.3 施工交通組織設計難度大

南濱河路是東西方向交通的大動脈，施工期間需要保證四個車道通行。由于受道路寬度限制，立交南北方向空間緊張，既要滿足工期要求，又要滿足四個車道保通。

3.4 跨越要求各異，橋梁孔跨類型較多

主線高架橋主要采用預制箱梁，跨度有20 m和30 m兩種；匝道橋受力復雜，為滿足避讓管道和受力要求，跨度有13 m和20 m兩種；主線高架橋為跨越陸軍總總院既有門診大門、辦公大門和規劃的門診大門、辦公大門、黃峪溝大橋，需布設55 m跨。

3.5 上部結構類型較多

上部結構類型包括20 m連續預制小箱梁橋、30 m跨連續預制小箱梁橋、20 m跨現澆箱梁橋（包括異形梁）、13 m跨現澆箱梁橋（包括變寬梁）、55 m簡支結合梁橋、（30+4×55+30）m連續結合梁橋、13 m簡支空心板橋、15 m地下通道橋、曲線人行天橋。

3.6 下部結構類型較多

墩柱布置為避讓管道且不侵占橋下車道，需采用大懸臂雙柱墩，或采用門式墩，或用墩柱支撐外伸的中橫梁，或采用鋼管混凝土墩，基于以上原則，主線共布置了16種橋墩類型，匝道布置了6種類型橋墩。

3.7 橋梁抗震設計難度大

該橋為我國Ⅷ度以上高震區較大規模的立交橋，且橋梁上部結構及下部結構類型較多，匝道最小半徑僅15 m（國內最小），增加了橋梁抗震設計難度。

4 橋梁結構設計

4.1 橋梁設計原則

（1）橋梁結構原則上采用技術先進，結構合理、施工條件成熟及經濟、美觀的結構形式；

（2）橋梁布置應盡量減少上下部結構的類型，在方便設計、施工、降低造價的同時體現立交的整體結構美；

（3）新建橋梁應盡量與既有橋梁結構形式及設計風格統一，盡量做到“天衣無縫”；

（4）橋梁上部結構以工廠化預制、現場安裝為主，減少施工對交通的干擾；

（5）采用地下管線物探儀探明現有管網的布局及走向，通過合理布孔、靈活設墩、調整蓋梁懸臂、采用樁基地基梁等方案盡量避免管線遷移；

（6）分合流口異形梁受力復雜，布設小跨徑鋼筋混凝土箱梁；

（7）采用抗震設計新理念，增加了多道設防體系，提高了大橋的抗災能力。

4.2 主線結構設計

主線橋除分合流口橋面寬度變化較大外，其余橋梁均位于直線或大直徑曲線上，較適宜采用可標準化、機械化施工的預制安裝構件，以降低投資、加快施工進度和減少施工期對交通的干擾。結合近幾年甘肅省預制梁應用經驗，預應力混凝土預制箱梁經濟指標優，應用較為廣泛。因此，該項目主線橋除在分合流口處布置異形現澆鋼筋混凝土箱梁、跨越南濱河路黃峪溝、蘭州陸軍區總院門口布設55 m跨的結合梁外，其余均布置先簡后連預應力混凝土預制箱梁。按適宜的跨高比關系和跨越要求，采用30 m和20 m兩種跨徑形式。異形梁受力和構造復雜，若采用鋼箱梁，加工制造難度大、焊縫較多，焊接殘余變形等影響較大；另外，附近無大型鋼結構加工廠，又存在運輸困難的問題。因此，異形梁宜采用小跨徑、短聯現澆鋼筋混凝土結構，跨徑不宜超過20 m。

4.3 匝道結構設計

該項目受地形限制，匝道橋平曲線指標較低，最小半徑僅15 m，且受分合流口處“異形”斷面控制，無較長段落的直線或大半徑曲線，且為提高抗扭能力和減少結構類型，體現立交整體結構美，匝道橋均采用現澆箱梁。小半徑處布設13 m跨鋼筋混凝土現澆箱梁，其余均布設20 m跨現澆鋼筋混凝土箱梁。

5 結構分析

該立交改造工程上部結構類型主要包括20 m預制小箱梁橋、30 m跨預制小箱梁橋、20 m跨現澆箱梁橋（包括異形梁）、13 m跨現澆箱梁橋（包括變寬梁）、55 m簡支結合梁橋、（30+4×55+30）m連續結合梁橋。對于上部結構，20 m、30 m跨預制小箱梁橋采用標準設計，結合梁采用平面模型進行有限元分析，考慮了活載橫向分布系數；20 m跨異形梁和13 m跨小半徑曲線現澆箱梁采用空間模型進行有限元分析。限于篇幅，僅給出13 m跨小半徑曲線箱梁有限元模型，如圖2所示。

圖2 小半徑曲線箱梁有限元模型

該立交主線共16種橋墩類型，匝道共6種橋墩類型，下部結構分析難道和工作量較大，主線共19聯，除簡支聯外的17聯均建立了有限元模型進行正常使用計算和抗震計算；匝道下部結構形式復雜，分別對20 m異形梁、20 m等寬現澆梁、13 m曲線梁建立模型進行正常使用計算和抗震計算。限于篇幅，僅給出30 m跨異形箱梁有限元模型，如圖3所示。該立交位于Ⅷ度高震區，下部結構配筋受抗震控制，采用了抗震設計新理念，增加了多道設防體系，提高大橋的抗災能力。

圖3 主線異形梁有限元模型

6 結語

小西湖立交改造工程于2012年7月開工建設,為我國Ⅷ度以上高震區較大規模的立交橋。工程主要包括南濱河路主線橋、四個匝道橋（NE匝道橋、NW匝道橋、WN匝道橋、EN匝道橋），立交橋總面積26 512.7m2，其中主線橋面積20 820 m2，匝道橋面積5 692.7 m2，主線全橋長1 775 m。對于斜、彎、坡、異形梁及小半徑梁設計時充分考慮結構空間受力特點，進行了整體空間受力分析和約束體系研究，確保結構安全；采用抗震設計新理念，增加了多道設防體系，提高了大橋的抗災能力，大橋設計具有鮮明的時代特色。

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