淄博一環(huán)快速路昌國路- 魯山大道立交橋總體設(shè)計

張 泉

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

1 項目概況

淄博市城市快速路網(wǎng)建設(shè)一期工程建設(shè)地點位于淄博市張店區(qū)、周村區(qū)，由魯泰大道—寶山路—昌國路—原山大道合圍而成，總長約39 km[3]。 項目平面位置如圖1 所示。

圖1 淄博市城市快速路網(wǎng)一期規(guī)劃圖

魯山大道立交位于魯山大道與昌國路交叉口，設(shè)置十字型立交。魯山大道和昌國路均為城市快速路，該立交為一環(huán)快速路（南環(huán)）與二環(huán)快速路（東環(huán)）的重要交通轉(zhuǎn)換節(jié)點，功能定位為樞紐立交[3]。

通過設(shè)置匝道實現(xiàn)西至北、西至南、南向西、北向西、東至北、東至南、南至東、北至東8 個流向的轉(zhuǎn)向需求。南北向直行采用橋梁跨越地面平交口，位于第二層。東西向采用橋梁跨越南北向跨線橋，位于第三層。魯山大道地面輔路和昌國路地面輔路交叉處設(shè)置燈控平交口。立交效果圖見圖2。

圖2 魯山大道立交效果圖

2 工程設(shè)計標準[4]

（1）道路等級及設(shè)計車速

主路：城市快速路。

輔路：城市主干路。

主線高架設(shè)計速度80 km/h。

匝道設(shè)計速度40 km/h。

（2）荷載等級

高架橋梁：城-A 級。

人群荷載：按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范（2019 年版）》（CJJ 11—2011）取用。

（3）橋梁設(shè)計基準期及使用年限

橋梁設(shè)計基準期：100 a。

橋梁設(shè)計使用年限：主體結(jié)構(gòu)100 a。

（4）設(shè)計安全等級

一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。

3 橋梁設(shè)計方案

3.1 立交橋梁設(shè)計原則

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計在貫徹工程性能良好、經(jīng)濟安全合理、綠色施工、滿足道路交通功能總體要求的基礎(chǔ)上，兼顧橋梁建筑的美觀。橋梁結(jié)構(gòu)的選型體現(xiàn)結(jié)構(gòu)施工方便、快速、文明的特點。為此確定橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計原則如下[4]：

（1）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)符合安全、適用、經(jīng)濟、美觀、耐久與環(huán)保、便于快速施工的建設(shè)要求。

（2）橋梁方案應(yīng)滿足交通功能的需要，根據(jù)功能、使用要求、城市規(guī)劃和周圍環(huán)境、工程地質(zhì)、水文等情況，并充分考慮現(xiàn)場的施工條件、景觀協(xié)調(diào)和造價經(jīng)濟合理等因素，綜合比較選擇。橋梁方案應(yīng)積極采用新技術(shù)、新工藝、新材料，使所選結(jié)構(gòu)的適用性和經(jīng)濟性結(jié)合最佳，且方便施工，便于維修、養(yǎng)護。

（3）積極推廣應(yīng)用標準化、工廠化、裝配化施工模式，盡量減少工地現(xiàn)場混凝土現(xiàn)澆施工。方案的選擇需考慮施工速度快、工期短，以滿足工期要求；并減小施工期間對地面交通影響，減少施工中和建成后對環(huán)境造成的不利影響。

（4）橋梁的跨徑布置和標高控制應(yīng)在滿足交通功能要求和總體方案的前提下，盡量減少橋梁長度和降低梁高，合理控制材料指標，節(jié)約投資。

（5）結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足界限設(shè)計要求，橋梁與橫向道路、立交和河流相交時，其橋下凈空必須滿足行車、排洪、通航等要求。

3.2 立交橋梁結(jié)構(gòu)形式

上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，曲線半徑較小或跨徑較大時采用鋼-混組合梁。

匝道小箱梁標準斷面如圖3 所示。

圖3 預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁標準斷面圖（單位：m）

匝道小箱梁梁高1.6 m，頂寬1.675 m，底寬1.0 m，標準跨徑22～31 m。

直線段小箱梁平行布置，懸臂長度1.6 m，濕接縫寬度0.3～1.1 m。曲線段小箱梁平行布置，濕接縫寬度保持不變，通過懸臂寬度變化適應(yīng)匝道線型變化。對曲線段小箱梁構(gòu)造布置采取如下優(yōu)化措施，以保證互通立交整體景觀效果：

（1）曲線段小箱梁梁端懸臂長度保持1.6 m，方便與前后結(jié)構(gòu)順接。

（2）控制曲線段小箱梁懸臂矢高，保證箱梁外形順滑、流暢。經(jīng)設(shè)計人員反復(fù)計算對比，控制懸臂最大矢高＜0.3 m，則小箱梁景觀效果不會有明顯的影響。

鋼-混組合梁標準斷面如圖4 所示。

圖4 鋼- 混組合梁標準斷面圖（單位：m）

立交匝道中鋼- 混組合梁采用“雙邊箱”結(jié)構(gòu)，簡化構(gòu)造，方便施工，最大限度利用混凝土橋面板承載能力。

鋼- 混組合梁梁高1.6 m，箱梁腹板與小箱梁對齊，方便與小箱梁順接。

為提高抗風(fēng)及抗傾覆穩(wěn)定性，下部結(jié)構(gòu)采用蓋梁柱式墩，如圖5 所示。

圖5 蓋梁柱式墩立面圖

墩柱采用圓角矩形截面，截面尺寸1.6×1.6 m～1.8×1.8 m。蓋梁中心梁高1.9 m，蓋梁頂面橫坡2%，底面為圓弧曲線，梁高逐漸減小。蓋梁梁高變化符合力學(xué)原理，曲線造型新穎獨特，改善橋下景觀效果。

橋墩基礎(chǔ)采用承臺樁基礎(chǔ)，樁徑1.0～1.2 m，基礎(chǔ)為嵌巖樁，樁間距3.5～4.0 m。

3.3 立交匝道布置原則

混凝土小箱梁造價低，施工周期短，技術(shù)成熟，但跨越能力不高，為保證景觀效果，不能用于小半徑曲線匝道。

鋼- 混組合梁跨越能力強，其外形可適應(yīng)任意道路線形，但造價較高，加工周期長，施工難度大。

經(jīng)分析對比，按以下原則布置小箱梁及鋼- 混組合梁，充分利用兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，滿足立交設(shè)計安全、適用、經(jīng)濟、美觀等要求。

（1）預(yù)應(yīng)力小箱梁標準跨徑22～31 m，最大跨徑31.5 m，當(dāng)布置跨徑大于31.5 m 時應(yīng)采用鋼- 混組合梁。

（2）預(yù)應(yīng)力小箱梁懸臂矢高小于等于0.3 m，當(dāng)布置跨徑為22 m 時，對應(yīng)曲率半徑220 m。即，當(dāng)匝道線形曲率半徑小于220 m 時應(yīng)采用鋼-混組合梁。

（3）褲衩段、大變寬橋跨應(yīng)采用鋼-混組合梁。

（4）無上述限制條件時，優(yōu)先布置預(yù)應(yīng)力小箱梁。

（5）鋼- 混組合梁簡支梁跨徑32～40 m，最大不超過42 m。

（6）鋼- 混組合連續(xù)梁邊中跨比0.7～1.0，當(dāng)中跨跨徑小時取大值，反之取小值。

（7）當(dāng)鋼-混組合連續(xù)梁中跨跨徑大于等于48 m，應(yīng)布置變高連續(xù)梁，中支點梁高2.4 m，邊支點及中跨跨中梁高1.6 m。

（8）鋼- 混組合連續(xù)梁聯(lián)長宜100～120 m，最大不超過150 m。

3.4 立交匝道總體布置

按以上原則布置立交橋梁如圖6 所示。

圖6 立交平面布置圖

其中，預(yù)應(yīng)力小箱梁43 跨，跨徑23～31.2 m，鋼-混組合梁90 跨，跨徑18.6～48 m。

4 匝道凈空復(fù)核

魯山大道立交分為3 層：1 層為地面道路，2 層為魯山大道主線橋，3 層為昌國路主線橋。在多個節(jié)點處匝道- 主線、匝道- 匝道交叉跨越，對這些節(jié)點處匝道、主線橋的高程進行驗算，是設(shè)計中一項重要工作。

4.1 規(guī)范要求

《城市橋梁設(shè)計規(guī)范（2019 年版）》（CJJ 11—2011）5.0.2 條規(guī)定如下[1]：

城市橋梁中的小橋橋面布置形式及凈空限界應(yīng)與道路相同，特大橋、大橋、中橋的橋面布置及凈空限界中的車行道及路緣帶的寬度應(yīng)與道路相同，分隔帶寬度可適當(dāng)縮窄，但不應(yīng)小于現(xiàn)行行業(yè)標準《城市道路設(shè)計規(guī)范》（CJJ 37—2012）規(guī)定的最小值。

《城市道路工程設(shè)計規(guī)范（2016 年版）》（CJJ 37—2012）3.4.1 條規(guī)定如下[2]：

道路建筑限界應(yīng)為道路上凈高線和道路兩側(cè)側(cè)向凈寬邊線組成的空間界線（見圖7）。頂角抹角寬度（E）不應(yīng)大于機動車道或非機動車道的側(cè)向凈寬（Wl）。

圖7 道路建筑界限

根據(jù)本項目《設(shè)計原則》，圖中參數(shù)如下：

Hc= 5.0 m，Wf= 0.5 m，W1= 0.0 m，E = 0.5 m

4.2 匝道凈空計算

本項目設(shè)計過程中，考慮以下三種方式計算匝道凈空，一是在匝道中線交點處計算；二是在匝道相交區(qū)域四個交點處計算；三是沿匝道中線及邊線以小步長內(nèi)插計算。

由圖5 可看到，匝道在多處立體交叉，經(jīng)初步篩除，大部分立體交叉處凈空滿足規(guī)范要求，但仍有如下兩處需詳細校核：

（1）WN 匝道上跨NE 匝道

如圖8 所示，該位置處NE 匝道高程抬升，WN匝道高程下降，相交區(qū)域內(nèi)WNP6 橋墩蓋梁侵入NE匝道范圍內(nèi)。

圖8 WN 匝道上跨NE 匝道

（2）SW 匝道上跨NE 匝道

如圖9 所示，此處SW 匝道與NW 匝道合流形成鼻端，NE 匝道從下方穿過，SWP15 橋墩蓋梁部分侵入NE 匝道范圍內(nèi)。

圖9 S W 匝道上跨NE 匝道

本文將以WN 匝道上跨NE 匝道區(qū)域為例，以前述三種方法分別計算交叉處NE 匝道凈空最小值。

a.在中線交點處計算

查詢匝道路線資料，交點處信息如表1 所示。

表1 中線交點處計算

由圖中可看出兩條匝道同向，則最小高差為：

上部結(jié)構(gòu)高度為：

凈空高度為：

規(guī)范要求橋面凈空大于等于5.0 m，根據(jù)該方法計算，NE 匝道凈空在該處有較大富余。

b.在區(qū)域角點處計算

如圖10 所示，該區(qū)域4 個角點為LA、RA、LB、RB，根據(jù)各點對應(yīng)匝道中線里程獲取中線高程，并根據(jù)橋面橫坡?lián)Q算4 個交點處匝道高程，并計算得到交點處橋面高程差，由表2 可知，最小高程差為：

表2 區(qū)域角點處計算

圖10 區(qū)域角點示意圖

凈空高度為：

規(guī)范要求橋面凈空大于等于5.0 m，根據(jù)該方法計算，NE 匝道凈空在該處仍有一定富余。

c.沿中線、邊線插值計算

計算時選擇匝道WN、匝道NE 邊線及中線為關(guān)鍵線，以一定步長獲取插值點，對每一插值點（Pt）按如下過程計算兩條匝道橋面高程差。

一是計算Pt 在所屬匝道（A）橋面的關(guān)鍵參數(shù)：中線里程、中線高程、距中線距離、橫坡。

二是根據(jù)以上參數(shù)計算Pt 在匝道A 橋面高程h1，具體計算過程見表2。

三是計算Pt 平面坐標（X，Y）。

四是判斷坐標（X，Y）是否在另一匝道（B）范圍內(nèi)（包括在邊界上），若（X，Y）不在匝道B 范圍內(nèi)（包括在邊界上），則放棄該插值點，在（X，Y）處兩條匝道不相交；若（X，Y）在匝道B 范圍內(nèi)（包括在邊界上），則繼續(xù)以下計算步驟。

五是計算平面坐標（X，Y）在匝道B 橋面的關(guān)鍵參數(shù)：中線里程、中線高程、距中線距離、橫坡。

六是根據(jù)以上參數(shù)計算匝道B 橋面在（X，Y）處高程h2。

七是計算高程差h=abs（h1-h2），其中abs 表示取絕對值。

根據(jù)以上方式計算的所有高程差取最小值即為兩匝道最小凈空。

以上過程若人工計算將非常繁瑣，且容易出錯。在AutoCAD 中以AutoLISP 語言進行二次開發(fā)，實現(xiàn)計算過程自動化，將極大減少手動工作量。

在CAD 軟件中將匝道中線、邊線編輯為二維多段線，調(diào)用Visual LISP 內(nèi)置函數(shù)可方便完成多段線的測距、定位等操作。程序中用到的主要函數(shù)如下[5]：一是vl-load-com，將Visual LISP 擴展功能加載到AutoLISP；二是vlax-curve-getClosestPointTo，曲線上離指定點最近的點；三是vlax-curve-getDistAt-Point，曲線從開始點到指定點的曲線段的長度；四是vlax-curve-getPointAtDist，曲線上距開始點為指定距離的點。

取插值步長為2.0 m，對匝道WN（K0+120～K0+180）、匝道NE（K0+460～K0+520）區(qū)域進行計算，結(jié)果如圖11 所示。

圖11 插值計算結(jié)果

由圖11 可得，最小高程差為

凈空高度為：

WNP6 橋墩蓋梁端部侵入NE 匝道平面范圍內(nèi)，需校核該處凈空是否滿足要求。

根據(jù)設(shè)計文件，WNP6 橋墩樁號K0+129.012，蓋梁頂面中線處高程84.307 m，侵入部分蓋梁高度1.765 m，則蓋梁底面處高程

由以上插值計算結(jié)果可知，對應(yīng)橋面處高程為76.550，則凈空高度為：

滿足規(guī)范要求，但富余不大。

4.3 結(jié)果對比

由以上計算過程可看出，僅計算中線交點處高程會高估橋下凈空高度，根據(jù)此結(jié)果進行匝道設(shè)計可能會導(dǎo)致凈空不足。

通過計算相交區(qū)域角點處高程可得到比較準確的橋下凈空值，說明控制點一般都在4 個角點之一的位置上，這種方法過程簡單，計算量不大，可滿足日常設(shè)計需求。

沿中線、邊線插值計算橋下凈空，可以精確的獲得凈空值及控制點位置，并能方便的考慮蓋梁侵入、橋面變寬、橋面坡度變化等因素，是最準確，最可靠的計算方法。但這種方法計算量大，過程繁瑣，適用于復(fù)雜情況下凈空計算。

5 結(jié) 論

目前魯山大道立交橋梁設(shè)計工作已全部完成，施工工作也陸續(xù)開展。通過魯山大道立交橋梁設(shè)計，明確了立交匝道設(shè)計的原則，積累相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗，并在驗證匝道立交節(jié)點凈空的過程中，確定相關(guān)驗算方法的適用性。