互通立交匝道橋梁設計分析

趙龍江，唐 亮

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

近年來，社會經(jīng)濟發(fā)展推動了道路交通的日益進步，而車輛和車型日漸增多，人們開始對交通道路形式提出了更高的要求。立交匝道在空間層面具有一定的特殊性，在連接無障礙和車流轉(zhuǎn)換方面有著重要作用，可以有效緩解普遍存在的道路擁擠問題。互通立交的建設能夠減少交通壓力，縮短城市點到點的距離，是支撐城市經(jīng)濟發(fā)展的重要設施。設計階段直接影響了立交匝道橋梁的合理性，為了進一步保障其符合結(jié)構(gòu)合理性、安全性以及美觀性等要求，有必要對其展開更為深層次的探究。

1 城市立交匝道橋梁結(jié)構(gòu)的特點

1.1 較大的縱向坡度

對于立交匝道橋梁來說，其本身有著較大的縱向坡度，因為其不可避免地會受到空間條件的限制，所以往往需要在小范圍之內(nèi)實現(xiàn)對于多個不同方向道路的有效連接，這便造成其縱坡呈現(xiàn)出較大的特點。根據(jù)過往案例可以明確，縱坡會對車輛本身運營的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的負面影響，若是縱坡的坡度在6%以上，則勢必會增加出現(xiàn)交通事故的可能性。而且縱坡也會在一定程度上限制道路的使用年限，同時降低車輛的通行效率，若是坡度較大，便會造成車輛產(chǎn)生較大的制動力，進而使路面出現(xiàn)磨損等問題。特別是對于下坡來說，如果縱坡坡度較大，便涉及車輛的連續(xù)制動剎車，最終增加交通事故產(chǎn)生的可能性，加劇車輛和路面的耗損現(xiàn)象[1]。

1.2 較小的平面曲線半徑

城市立交匝道橋梁具有較小的平面曲線半徑，因為各條道路所匯交的距離范圍相對有限，所以其平面半徑也更小。而其影響主要體現(xiàn)在行車速度方面，車輛在平面內(nèi)行駛時進行離心運動，根據(jù)力學原理，車輛的行駛要保障其充足的橫向摩擦力，以確保車輛有著良好的行駛速度，解決此問題最有效的方法為降低車速，并在橋面橫向設置超高。

1.3 空間條件有限

當前我國城鎮(zhèn)化進程逐步加快，城市用地開始出現(xiàn)緊張現(xiàn)象，所以互通立交匝道橋梁設計應當充分考慮當前用地緊張的現(xiàn)實條件，在實施設計的過程中既要保障居民生活、辦公等區(qū)域，還要滿足綠化方面的相關(guān)需求，特別是在道路兩側(cè)，綠化是至關(guān)重要的組成部分。通常情況下，城市立交下方是其他道路結(jié)構(gòu)，若想盡可能節(jié)省空間，滿足協(xié)調(diào)發(fā)展的需求，需要在下部結(jié)構(gòu)設計中的盡量減少土地占用，在保障橋梁安全這一基礎(chǔ)性要求的同時讓橋梁更加纖細，在條件允許的情況還要適當采取隔音除噪的措施。

2 城市互通立交匝道橋梁設計路徑探究

2.1 安全設計

城市互通立交匝道橋梁的設計應當滿足安全性這一根本原則，設計人員需要綜合考慮橋外的危險性和交通等因素合理安排防撞欄桿，在此過程中還要立足于事先所預測的運行速度，在全面了解氣候以及縱、橫坡條件的基礎(chǔ)上確定橋面鋪裝抗滑的能力。此外，設計人員還需要圍繞著行車安全這一核心，重點關(guān)注工程措施、橋墩設置形式、所處位置等因素所造成的影響。因為橋梁本身有著跨越障礙實現(xiàn)交通功能的需求，所以在開展橋梁設計工作的過程中應當著重考慮增加結(jié)構(gòu)物的安全儲備。設計人員在設計階段還應當充分同橋梁工程的負責人展開溝通，以明確更加適宜的橋梁護欄形式以及銜接方式，為城市互通立交匝道橋梁工程的高質(zhì)量建成創(chuàng)造良好的條件[2]。

2.2 景觀設計

景觀設計同樣是互通立交匝道橋梁設計的重要內(nèi)容之一，相對于其他工程的景觀設計而言，橋梁景觀設計要求設計人員本身具備材料機制、形態(tài)美學、構(gòu)造技術(shù)以及功能等多方面知識，同時還應當對新景觀問題有自己獨到的見解，可以跟上時代風尚流行。在設計過程中需要從多維度著手，綜合考慮歷史文化、政治、經(jīng)濟和環(huán)保等的合理性，并立足于景觀高度提出更具創(chuàng)意和實用性的造型方案。

若想從源頭上為橋梁整體設計效果提供充分的保障，設計人員還需要針對立交坡面采取相應的修飾措施。具體來看應當結(jié)合現(xiàn)有條件，在明確人工成本、地形條件、橫斷面以及坡度的基礎(chǔ)上展開設計，設計過程中應當注重靈活性，在按照一定規(guī)則的同時也要根據(jù)實際情況的變化展開實時動態(tài)的調(diào)整。此舉能夠賦予橋梁整體更加自然和諧的氣息，在緩解駕駛?cè)藛T行車疲勞方面有著重要作用。除此以外，設計人員應當結(jié)合當?shù)貙嶋H，盡量選擇本土植物，例如可以在橋梁的兩側(cè)種植高度各異的喬木，此舉不僅能夠起到裝飾橋墩的作用，還可以在極大程度上提高綠化效果，創(chuàng)設更加優(yōu)質(zhì)的景觀空間。針對橋下空間而言，則可以對選擇開花以及色葉植物，采用組合種植的方式，對門架和橋墩等實施覆綠處理，最終達到豐富行車視線的效果。

2.3 結(jié)構(gòu)設計

對于互通立交匝道橋梁來說，設計人員應當在明確具體通行需求的基礎(chǔ)上確定設計方案，保障其滿足基礎(chǔ)的安全性和便捷性需求，進而為其區(qū)域交通的高質(zhì)量發(fā)展創(chuàng)造良好的條件。與此同時，設計人員還需要了解地形環(huán)境，在滿足質(zhì)量要求的同時強化落實成本控制，而結(jié)構(gòu)設計則是城市互通立交匝道橋梁設計的重中之重，為了切實保障互通立交橋梁設計的科學性和有效性，設計人員需要結(jié)合相關(guān)影響因素開展結(jié)構(gòu)選型工作。通常情況下，若是立交匝道有著相對較大的平曲線半徑，應當盡量使用預制結(jié)構(gòu)，而若是半徑較小，則可以使用PC 現(xiàn)澆箱梁或鋼結(jié)構(gòu)箱梁結(jié)構(gòu)。如果平曲線的半徑在80m 以內(nèi)，應優(yōu)先選用跨徑小于等于20.0m 的現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)。設計人員則應當根據(jù)上部結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合當?shù)氐牡刭|(zhì)情況和橋梁需要跨越的障礙物等條件制定與之相適應的橋跨布置和下部設計方案，若是處在軟土路段，需要使用群樁的基礎(chǔ)形式，若是跨徑較大則可采用鋼箱梁進行跨越。

2.3.1 影響結(jié)構(gòu)受力的因素

支撐方式會在極大程度上對結(jié)構(gòu)受力造成影響，不同的支撐方式會使得上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布存在一定的差異性，所以在結(jié)構(gòu)設計的過程中需要科學支座系統(tǒng)，避免損害上部結(jié)構(gòu)。科學選用支撐方式會在一定程度上限制上部結(jié)構(gòu)，使其移動在一定范圍之內(nèi)，并為結(jié)構(gòu)安全提供相應的保障。

橋梁的寬度對于行車道的數(shù)量有著決定性作用，在寬度越大的情況下，行車數(shù)量也會有所增多，進而造成橋梁荷載的增加，而這也會改變橋墩以及下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設計。當處在特定曲率半徑下，如果所設置的寬度更大，便會影響結(jié)構(gòu)受力效果，而較小的橋面寬度則不會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應。在增加橋面寬度之后，車輛行駛會產(chǎn)生一定的偏心荷載，其所帶來的扭轉(zhuǎn)力同樣是設計計算時需要考慮的重要因素。

針對外伸橫梁匝道橋而言，橋梁本身的受力情況勢必會受到圓心角大小的影響，在角度較小的情況下，橋梁所受到的扭轉(zhuǎn)力也比較小，在特定范圍之內(nèi)，小角度主梁受到的力基本上類似于直線梁橋，在角度持續(xù)增加的過程中，受力狀況也會產(chǎn)生相應的變化。基于此，設計人員在對曲線梁展開設計的過程中，需要在明確弧線長與角度變化情況的基礎(chǔ)上選擇更加適宜的計算方法[3]。

2.3.2 設計方案

上部結(jié)構(gòu)設計的主要目標便是確保橋梁結(jié)構(gòu)的高效使用，所以設計人員需要在明確具體通行要求的基礎(chǔ)上針對性地對結(jié)構(gòu)設計方案進行制定和調(diào)整。對于上部結(jié)構(gòu)設計而言，設計重點在于橋面結(jié)構(gòu)形式的選擇以及橋面寬度的確定等。具體來看，橋面的寬度勢必會對通行的流暢性和速度造成較大影響，而橋面結(jié)構(gòu)形式則直接關(guān)系到車輛的行車安全，此外橋面坡度設計也是比較重要的組成部分。

預制梁橋在立交匝道橋梁結(jié)構(gòu)設計中有著較為廣泛的應用，其最主要的特點便是需要設置大量的橫隔板來增加上部結(jié)構(gòu)各片主梁間的整體性，而不同的主梁在所受荷載方面仍存在大小上的差異性。

基于此，為了確保各片主梁之間能夠滿足整體受力的需求，且每片主梁均需要單獨設置支座系統(tǒng)，設計中往往會使用蓋梁柱式墩的下部結(jié)構(gòu)形式。橋墩構(gòu)造為一般圓形實心墩柱，將低承臺合理設置于橋墩的下部分用以承接橋墩與基礎(chǔ)構(gòu)造。設計人員需要綜合考慮區(qū)域結(jié)構(gòu)特征以及墩高的實際情況，適當采用橫向連系梁設置于橋墩之間，此舉能夠有效提升其整體性，為橋墩各個墩柱能夠?qū)崿F(xiàn)承載力性能提供保障。

而相對于預制梁橋來說，整體式箱梁橋有著更加優(yōu)異的抗扭性能，立交匝道橋梁中常用的整體式箱梁橋有混凝土現(xiàn)澆箱梁和鋼結(jié)構(gòu)箱梁。對于這類結(jié)構(gòu)來說，往往會在下部結(jié)構(gòu)設計中將一聯(lián)橋梁的部分橋墩類型選用獨柱式橋墩，如圖1 所示。

圖1 獨柱墩整體式箱梁橋

獨柱式橋墩在實際應用的過程中有著更加突出的優(yōu)勢，例如，可以對受力情況進行更加科學的分配，并且可以達到節(jié)省下部空間的效果，在實際應用的過程中不會對既有道路產(chǎn)生過大的負面影響，最終所呈現(xiàn)的效果也更具美觀性和經(jīng)濟性。獨柱墩的使用過程中，除了可使用傳統(tǒng)的單點支撐外，亦可以進行多點支撐設計，甚至可以進行墩梁固結(jié)以提升主梁的穩(wěn)定性。根據(jù)實際情況來看，獨柱式橋墩的采用最關(guān)鍵的點便在于對其外部荷載的把控，所以應當嚴格開展穩(wěn)定性驗算工作，進而保障其具有良好的安全性能，避免橋梁橫向傾覆事故的發(fā)生[4]。

2.3.3 設計要點

互通立交匝道橋梁的結(jié)構(gòu)設計有較大的復雜性，設計過程中不可避免地會面臨外界條件對其造成的綜合影響，所以需要綜合考慮地質(zhì)和水文等條件，在設計過程中還應當加強對于環(huán)境保護的重視。針對匝道橋梁的結(jié)構(gòu)設計需要有效配合環(huán)境情況，以真正貫徹落實以人為本的根本原則，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標。針對鋼筋混凝土連續(xù)箱梁中的腹板厚度，不應當隨意改變其線性，科學調(diào)整主梁，合理設置超高和橫坡，妥善采取排水措施，避免橋面上出現(xiàn)積水等現(xiàn)象。在設計階段需要合理控制扭轉(zhuǎn)的剛度，進一步優(yōu)化其自身的受力結(jié)構(gòu)。而對于橋面鋪裝來說則應當從根本上著重把控瀝青混凝土自身的厚度，并適當設置防水層。設計人員應當嚴格按照相關(guān)標準對伸縮縫以及支座進行合理設置，同時根據(jù)有關(guān)要求，嚴謹設計混凝土用水的水中堿含量和混凝土最大水灰比，而下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的深度則需要根據(jù)地勘資料披露的情況針對性進行設計，切實滿足其承載力的要求。

除此以外，設計人員應當著重考慮病害問題，對于匝道彎橋來說，荷載效應以及溫度的變化均會增加其出現(xiàn)病害的可能性，設計人員在設計之前應當根據(jù)相關(guān)理論知識和過往案例對常見病害展開更為全面的分析，并從結(jié)構(gòu)設計角度著手采取相應的防范和應對措施，以免因為結(jié)構(gòu)設計不合理而增加橋梁事故出現(xiàn)的可能性。橋面鋪裝是承受荷載的主要部分，其經(jīng)常會面臨一定的坑槽以及骨料外漏等問題，而在伸縮縫位置也時常存在混凝土橫向拉裂等現(xiàn)象，伸縮縫內(nèi)部往往會有土進入，并且在長時間運行狀態(tài)下會出現(xiàn)橡膠條被拉斷的問題。橋面欄桿不可避免地會受到陽光照射以及雨水侵襲，這便導致其面臨鋼材構(gòu)件腐蝕與整體輕度破損等問題。而工程在投入運行之后，若是維修保養(yǎng)工作不到位，便會導致上部結(jié)構(gòu)的主梁部分產(chǎn)生一定的豎向裂縫，進而于梁底部位產(chǎn)生滲水問題。支座部分的病害則集中體現(xiàn)為滑移問題，主要包括豎向滑移與橫向滑移兩種類型，盆式支座還有著較大的剪切變形隱患。為有效處理應對并減少上述病害的產(chǎn)生，設計人員應當事先進行嚴謹?shù)闹ё戳υO計值計算，并及時同施工人員展開溝通，及時發(fā)現(xiàn)設計中存在的漏洞和隱患，最大限度保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，為其后續(xù)正常投入使用和整體效益的提升奠定堅實的基礎(chǔ)[5]。

3 結(jié)語

綜上所述，強化開展立交匝道橋梁設計能夠為后續(xù)施工建設提供必要的參考依據(jù)，是保障整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全的重要基礎(chǔ)，對于其后續(xù)順利投入使用有著重要意義。因此，設計人員應當在實踐中積極總結(jié)經(jīng)驗教訓，切實保障設計方案科學合理，推動工程整體的高質(zhì)量進行。