淄博一環快速路昌國路- 魯山大道立交橋總體設計

張 泉

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

1 項目概況

淄博市城市快速路網建設一期工程建設地點位于淄博市張店區、周村區，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一期規劃圖

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

通過設置匝道實現西至北、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 工程設計標準[4]

（1）道路等級及設計車速

主路：城市快速路。

輔路：城市主干路。

主線高架設計速度80 km/h。

匝道設計速度40 km/h。

（2）荷載等級

高架橋梁：城-A 級。

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

（3）橋梁設計基準期及使用年限

橋梁設計基準期：100 a。

橋梁設計使用年限：主體結構100 a。

（4）設計安全等級

一級，結構重要性系數γ0=1.1。

3 橋梁設計方案

3.1 立交橋梁設計原則

橋梁結構設計在貫徹工程性能良好、經濟安全合理、綠色施工、滿足道路交通功能總體要求的基礎上，兼顧橋梁建筑的美觀。橋梁結構的選型體現結構施工方便、快速、文明的特點。為此確定橋梁結構設計原則如下[4]：

（1）橋梁結構設計應符合安全、適用、經濟、美觀、耐久與環保、便于快速施工的建設要求。

（2）橋梁方案應滿足交通功能的需要，根據功能、使用要求、城市規劃和周圍環境、工程地質、水文等情況，并充分考慮現場的施工條件、景觀協調和造價經濟合理等因素，綜合比較選擇。橋梁方案應積極采用新技術、新工藝、新材料，使所選結構的適用性和經濟性結合最佳，且方便施工，便于維修、養護。

（3）積極推廣應用標準化、工廠化、裝配化施工模式，盡量減少工地現場混凝土現澆施工。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境造成的不利影響。

（4）橋梁的跨徑布置和標高控制應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，節約投資。

（5）結構設計應滿足界限設計要求，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 立交橋梁結構形式

上部結構采用預應力混凝土小箱梁，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 預應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匝道線型變化。對曲線段小箱梁構造布置采取如下優化措施，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，方便與前后結構順接。

（2）控制曲線段小箱梁懸臂矢高，保證箱梁外形順滑、流暢。經設計人員反復計算對比，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”結構，簡化構造，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。

為提高抗風及抗傾覆穩定性，下部結構采用蓋梁柱式墩，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原理，曲線造型新穎獨特，改善橋下景觀效果。

橋墩基礎采用承臺樁基礎，樁徑1.0～1.2 m，基礎為嵌巖樁，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，其外形可適應任意道路線形，但造價較高，加工周期長，施工難度大。

經分析對比，按以下原則布置小箱梁及鋼- 混組合梁，充分利用兩種結構的優勢，滿足立交設計安全、適用、經濟、美觀等要求。

（1）預應力小箱梁標準跨徑22～31 m，最大跨徑31.5 m，當布置跨徑大于31.5 m 時應采用鋼- 混組合梁。

（2）預應力小箱梁懸臂矢高小于等于0.3 m，當布置跨徑為22 m 時，對應曲率半徑220 m。即，當匝道線形曲率半徑小于220 m 時應采用鋼-混組合梁。

（3）褲衩段、大變寬橋跨應采用鋼-混組合梁。

（4）無上述限制條件時，優先布置預應力小箱梁。

（5）鋼- 混組合梁簡支梁跨徑32～40 m，最大不超過42 m。

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

（7）當鋼-混組合連續梁中跨跨徑大于等于48 m，應布置變高連續梁，中支點梁高2.4 m，邊支點及中跨跨中梁高1.6 m。

（8）鋼- 混組合連續梁聯長宜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，預應力小箱梁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。在多個節點處匝道- 主線、匝道- 匝道交叉跨越，對這些節點處匝道、主線橋的高程進行驗算，是設計中一項重要工作。

4.1 規范要求

《城市橋梁設計規范（2019 年版）》（CJJ 11—2011）5.0.2 條規定如下[1]：

城市橋梁中的小橋橋面布置形式及凈空限界應與道路相同，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與道路相同，分隔帶寬度可適當縮窄，但不應小于現行行業標準《城市道路設計規范》（CJJ 37—2012）規定的最小值。

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

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

圖7 道路建筑界限

根據本項目《設計原則》，圖中參數如下：

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；二是在匝道相交區域四個交點處計算；三是沿匝道中線及邊線以小步長內插計算。

由圖5 可看到，匝道在多處立體交叉，經初步篩除，大部分立體交叉處凈空滿足規范要求，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，相交區域內WNP6 橋墩蓋梁侵入NE匝道范圍內。

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。

圖9 S W 匝道上跨NE 匝道

本文將以WN 匝道上跨NE 匝道區域為例，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：

上部結構高度為：

凈空高度為：

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

b.在區域角點處計算

如圖10 所示，該區域4 個角點為LA、RA、LB、RB，根據各點對應匝道中線里程獲取中線高程，并根據橋面橫坡換算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 區域角點處計算

圖10 區域角點示意圖

凈空高度為：

規范要求橋面凈空大于等于5.0 m，根據該方法計算，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）橋面的關鍵參數：中線里程、中線高程、距中線距離、橫坡。

二是根據以上參數計算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（包括在邊界上），若（X，Y）不在匝道B 范圍內（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（包括在邊界上），則繼續以下計算步驟。

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

六是根據以上參數計算匝道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，實現計算過程自動化，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，調用Visual LISP 內置函數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）區域進行計算，結果如圖11 所示。

圖11 插值計算結果

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，需校核該處凈空是否滿足要求。

根據設計文件，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

由以上插值計算結果可知，對應橋面處高程為76.550，則凈空高度為：

滿足規范要求，但富余不大。

4.3 結果對比

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，根據此結果進行匝道設計可能會導致凈空不足。

通過計算相交區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，適用于復雜情況下凈空計算。

5 結 論

目前魯山大道立交橋梁設計工作已全部完成，施工工作也陸續開展。通過魯山大道立交橋梁設計，明確了立交匝道設計的原則，積累相關設計經驗，并在驗證匝道立交節點凈空的過程中，確定相關驗算方法的適用性。