立交匝道橋梁選型設計研究

陳文超，吳懷強，李文勃

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

隨著我國城市化的推進，城市交通需求也越來越大，互通立交逐漸成為城市不可缺少的基礎性設施。大型城市互通式立交線形復雜、層次繁多，且一般需要跨越現狀道路，下部條件受到極其嚴格的限制，互通立交橋梁在有限的空間內布設時常采用小半徑平曲線[1]，見圖1。

圖1 北京四元立交橋[2]

中小跨徑預應力和鋼筋混凝土箱梁橋，由于技術簡單、成熟且經濟性較好，在國內運用最為廣泛。但現澆預應力混凝土箱梁彎橋因其預應力線形為空間彎曲曲線，設計計算繁瑣、難度大因而在國內匝道彎橋中應用較少，預制的預應力小箱梁一般為直線線形又無法滿足小半徑平曲線的要求，因此以往國內立交匝道彎橋一般采用18～24 m 跨度的現澆鋼筋混凝土連續箱梁橋。

鋼混組合結構橋梁通過鋼梁與混凝土板協同工作，充分發揮各自材料的性能，具有強度高、延性好、結構輕、環保、可回收重復利用等許多優點，其綜合效益顯著[3]。近年來隨著國內鋼混組合結構橋梁技術的發展，組合結構橋梁在國內的運用越來越廣泛，但鋼混組合結構橋梁大規模運用于立交匝道工程中，國內尚未有探索。

因此，本文以立交匝道橋梁的合理選型為背景，通過不同橋型方案結構性能的定性分析、經濟指標的定量分析及其他綜合性能的對比分析，探索鋼混組合結構橋梁在國內立交匝道中運用的可行性及合理性。

1 立交匝道橋梁合理結構形式選型研究

1.1 立交匝道鋼混組合梁結構選型分析

1.1.1 立交匝道橋梁主要特點及性能需求分析

立交匝道橋梁一般具有以下主要的特點：匝道橋梁為標準寬8.0～9.5 m 的雙車道；立交匝道橋梁平面線形一般為小半徑平曲線；平曲線轉彎處由于車輛行駛受離心力作用，通常需要設置超高；立交匝道橋梁常需跨越現狀道路、各層間橋梁相互交叉，橋梁結構選型時需考慮減少對現狀交通運營的影響，提高橋下道路的使用性能。

根據以上立交匝道橋梁的主要特點，可概括得到立交匝道橋梁相應的性能需求如下。

（1）彎扭耦合承載性能

立交橋梁平面線形為小半徑平曲線，彎橋在承受豎向彎曲時，由于曲率的影響，產生扭矩，而這種扭轉作用又將導致截面翹曲變形。彎扭耦合作用將加大橋梁上部結構的受力，因此匝道橋梁對彎扭耦合的承載力要求高。

（2）抗傾覆性能

彎橋的另一特點是外側承載較大，在曲線半徑較小時，梁端的內側支座易產生負反力，形成支脫空。近年來國內已有多起傾覆事故發生，造成了巨大的經濟損失和嚴重的社會影響，立交匝道橋梁對抗傾覆性能要求高。

（3）其他綜合性能

為減少對現狀交通運營的影響，提高橋下道路的使用性能，立交匝道橋梁應具有較大跨越能力和快速化施工的特點。同時由于橋面超高的存在，橋梁結構的橋面系應易于適應橫坡變化。另外立交匝道橋梁還應注重橋型結構的環保性能和美觀。

1.1.2 立交匝道鋼混組合結構橋梁選型分析

目前國內工程中的組合結構橋梁，從斷面結構形式上區分主要有：工形鋼板組合梁和槽形組合梁。為降低鋼梁制造難度、減少后期鋼梁的涂裝和運營維護費用，日本于2000 年起開發窄邊箱組合梁。窄邊箱的鋼箱寬度1.2 m 左右，頂底板僅設置1～2 道縱向加勁肋、箱間設置60～70 cm 高小橫梁，橫梁間距10 m 左右。窄邊箱組合梁由于構件簡化后，在運輸及安裝方面也展現出明顯的優勢。

根據匝道橋梁標準寬為8.0～9.5 m 的特點，三種結構形式組合梁的典型斷面布置見圖2～圖4。

圖2 工形鋼板組合梁標準斷面（單位：mm）

圖3 槽形組合梁標準斷面（單位：mm）

圖4 窄邊箱組合梁標準斷面（單位：mm）

根據立交匝道橋梁的性能需求，將三種斷面形式組合梁橋的性能進行對比，見表1。

表1 組合梁橋性能對比表

表中加工難易包括制造量及制造工序的復雜程度；維護難易包括維護工作量及維護工序的復雜程度；安裝難易包括鋼構件運輸難易、安裝工序的復雜程度及安裝速度。

由于組合結構具有高強的特性，三種斷面形式的組合梁跨徑一般都能達到60～80 m，可滿足立交匝道橋跨越能力的需求。但鋼板組合梁在抗彎扭性能方面較差，難滿足匝道彎橋的彎扭耦合承載力要求；相比窄邊箱組合梁，槽形組合梁由于鋼箱截面尺寸大、內部構件繁多、焊接量大、制造復雜，不僅安裝難度大，后期的維護工作也將更復雜。

通過以上定性分析可知，窄邊箱組合梁橋是最適宜于立交匝道的組合結構橋梁方案。

1.1.3 窄邊箱鋼混組合橋梁工程實例

窄邊箱組合梁在國外已有較豐富的工程實踐，通過調研國外相關工程實例，可得到窄邊箱組合梁橋的相關技術參數。

日本門真高架立交是于2009 年修建的上跨大阪近畿快速路和第二京阪公路交叉處的重要節點立交，見圖5。因受周邊建筑無法拆除的限制和為確保現狀交通的通行，橋梁上部結構設計時確定了最大跨徑達90 m、最小平面曲線半徑僅有100 m 的連續多跨窄邊箱組合梁[4]。

圖5 日本門真高架立交橋

日本門真高架立交橋型結構參數見表2。

表2 門真高架立交橋型結構參數表

通過調研日本近70 余座窄邊箱組合梁的工程實例[5]，擬合了其用鋼量與平均跨徑和最大跨徑的相關曲線，見圖6、圖7。圖8、圖9 擬合了窄邊箱組合梁跨徑與平曲線半徑的相關關系圖。

圖6 用鋼量與平均跨徑關系圖

圖7 用鋼量與最大跨徑關系圖

圖8 平均跨徑與曲線半徑關系圖

圖9 最大跨徑與曲線半徑關系圖

從圖中擬合曲線可以看出：（1）用鋼量與跨徑可大致用直線線性擬合，且用鋼量隨跨徑增大而增大；（2）橋梁跨徑隨曲線半徑增大具有相應增大的趨勢，曲線半徑在400 m 以下時，橋梁跨徑大部分在40～60 m，曲線半徑在400 m 以上時，橋梁跨徑可達90～100 m。

1.2 不同橋型立交匝道橋梁經濟性對比

立交匝道橋梁的選型尚應通過計算不同橋型的經濟性指標，對比其經濟性上的優異。

假定工程場地位于我國東部沿海地區，橋梁寬取匝道標準寬度9 m，立交橋下凈空取平均值8 m，下部結構采用鉆孔灌注樁，樁基按摩擦樁設計，樁長40 m。

下部構造尺寸一般由橋墩造型控制，不同跨徑下構造尺寸差別不大，因此擬定下部結構構造尺寸時暫取統一的構造尺寸。上部結構跨徑不同對下部結構工程量的影響，可通過下部結構鋼筋數量指標不同加以區別。同時經設計試算可知3×20 m 現澆鋼筋混凝土箱梁橋的支反力與3×35 m、3×40 m 窄邊箱組合梁橋的支反力基本相當，因此其單個的下部結構材料數量也應基本相當。

標準寬度9 m 的匝道橋上、下部結構尺寸及材料用量指標根據已有的工程實例擬定后，具體參數見表3～表5。

表3 擬定3×20 m 現澆箱梁橋的單個下部結構尺寸及材料數量表

表5 3×20 m 現澆鋼筋混凝土箱梁橋材料數量表

根據上述擬定的工程規模、結構構造尺寸及工程材料數量，采用《浙江省市政工程預算定額（2010版）》[6]編制橋梁預算清單，進行不同橋型方案下的經濟指標對比。經濟指標計算時僅考慮分部分項工程費與施工技術措施費之和，規費、稅金及其他暫列金，暫不考慮。

表4 窄邊箱組合梁橋材料數量表

圖10 分別給出了根據編制的預算清單統計得到的窄邊箱組合梁不同跨徑下（3×30 m、3×40 m、3×50 m、3×60 m、3×70 m）的每平米造價，從圖10 中曲線可知，3×40 m 窄邊箱組合梁每平米造價最低。

圖10 窄邊箱組合梁經濟指標

圖10 中不同跨徑組合梁經濟指標變化趨勢雖然以標準寬度9 m 時統計得到，但當標準寬度取城市高架主線雙向六車道25.5 m 時，仍然能得到相同的經濟指標隨跨徑變化的趨勢。因此可知，N×40 m為城市高架連續組合梁的最經濟跨徑布置。

表6 給出了根據預算清單統計得到的3×40 m窄邊箱組合梁、3×20 m 現澆鋼筋混凝土箱梁造價構成表。

表6 立交匝道橋梁造價構成表

由表6 可知，3×40 m 窄邊箱組合梁總經濟指標約為5 900 元/m2，3×20 m 現澆鋼筋混凝土箱梁總經濟指標為約7 000 元/m2。相比現澆鋼筋混凝土箱梁，窄邊箱組合梁由于采用鋼結構，在上部結構造價上更高，但組合梁跨徑增大，相應減少了橋墩、承臺、樁基以及土方開挖、轉運、廢棄等工程量。

綜合而言，下部結構節省的工程造價較上部結構增加的工程造價更多。因此，3×40 m 窄邊箱組合梁最終的綜合單價相比3×20 m 現澆鋼筋混凝土箱梁更低。

3×40 m 窄邊箱組合梁相比3×20 m 現澆鋼筋混凝土箱梁每平米綜合單價節省了1 100 元/m2，減少了約20%。若考慮全壽命周期內鋼結構綠色可回收的計算造價，采用組合結構橋梁其經濟性將更為顯著。

1.3 不同橋型立交匝道橋梁綜合性能對比

立交匝道橋梁選型除應在經濟性上進行比選外，尚應對橋梁結構性能、耐久性、施工速度及橋梁景觀等綜合性能上進行比選研究。

（1）結構力學性能對比

組合梁通過鋼梁與混凝土板協同工作，充分發揮各自的材料性能，相比現澆鋼筋混凝土箱梁具有更高的強度和延性。

（2）施工速度對比

立交匝道采用現澆鋼筋混凝土箱梁方案下部結構工程量大，上部結構采用滿堂支架施工，施工周期長，對周邊環境影響大。采用組合梁方案上部結構跨徑大、下部結構工程量小，同時上部結構可采用預制吊裝施工，不僅在施工速度上大大加快，同時減少了對現狀環境、交通組織等影響，綜合社會效益極為顯著。

（3）橋梁景觀

組合梁方案可采用的橋梁跨度大，橋下空間簡潔、通透，景觀性能更佳。

綜合以上比選可知，窄邊箱組合梁相比現澆鋼筋混凝土箱梁具有更優的綜合性能。

2 結 語

本文以立交匝道橋梁合理選型為背景，通過不同橋型方案結構性能的定性分析、經濟指標的定量分析及其他綜合性能的對比分析可以得到以下結論：

（1）窄邊箱組合梁相比其他斷面結構形式的組合梁，最適宜于立交匝道橋梁工程。

（2）連續組合梁運用于城市高架主線或立交匝道橋梁工程中時，N×40 m 為其最經濟的跨徑布置。

（3）相比以往國內立交匝道橋梁工程中20 m 左右跨徑的連續現澆鋼筋混凝土箱梁橋，40 m 跨徑連續窄邊箱組合梁經濟指標預計可節省約20%，且綜合性能更優。

立交匝道橋梁工程中采用組合結構橋梁充分發揮組合結構高強、輕質的特點，通過上部結構大跨度的布置，大幅減少了下部結構工程量，實現了經濟性、建設工期、社會效益和環保等綜合性能上的優勢。未來仍應積極發展鋼混組合結構橋梁技術，進一步研究解決曲線鋼混組合梁的墩梁固結構造、快速化施工等系列技術，實現更大跨、快速、經濟、環保、美觀的目標，提升國內橋梁建設水平。