立交“褲衩”橋梁高程設計與施工控制

王林凱,邱體軍

(1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230000;2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230000)

隨著國家社會經濟的快速發(fā)展,日益增多的高速及市政公路等公共基礎的建設進一步完善地區(qū)之間的聯(lián)系和交流,持續(xù)改善人民生活品質。隨著高速及市政主干線的逐年建成,路線交叉越來越多,互通立交設置也隨之增加。一方面,市政公路中的互通立交能夠在有限的空間內,保證市區(qū)車輛快速、安全地通過交叉口;另一方面,高速公路中的互通立交能夠使得當?shù)氐能囕v快速地出入高速,有效地帶動一方經濟,促進地方發(fā)展。

立交中的橋梁主要注意包括曲線梁橋的設計方法、橋墩穩(wěn)定性、預應力的鋼束布置及異形橋梁混凝土箱梁橋的設計[1]。立交現(xiàn)澆橋梁施工過程中,主要注意施工方案[2],橋面鋪裝施工[3,4]和豎曲線對橋面高程的影響[5,6]。但是較少工程師關注立交現(xiàn)澆橋梁中的橋面高程設計與施工控制問題。

高速及市政公路中主線橋與匝道橋分合流點位置的橋梁一般稱之為“褲衩”橋。互通立交中的“褲衩”橋梁設計一般比較繁瑣,隨著設計行業(yè)競爭的日益惡劣[7,8],橋梁設計師的設計任務逐年加重,加之設計及施工行業(yè)環(huán)境以及管理等問題,導致實際設計施工過程中,“褲衩”橋梁的設計后續(xù)服務和變更問題尤為嚴重,以控制高程不正確,“褲衩”橋與匝道橋銜接不上導致分跨線位置錯臺錯位等質量問題居多。綜上所述,“褲衩”橋梁的相關高程設計和施工控制應引起足夠的重視。

在介紹常見的“褲衩”橋梁高程設計錯誤后,研究分析互通立交中大鼻端“褲衩”箱梁的橋面高程設計,最后介紹一種施工過程中“褲衩”箱梁高程問題補救方案,以期對后續(xù)“褲衩”橋梁的設計及施工變更方案起到一定的借鑒作用。

1 橋梁縱斷面高程及橫坡計算

高速公路及市政高架豎曲線一般以二次拋物線為主。如圖1所示,x軸表示里程樁號,y軸表示豎曲線高程。坡度為i1的直線與坡度為i2的直線采用半徑為R的豎曲線過渡,如圖1所示。QD點為豎曲線起點;ZD點為豎曲線終點;JD為兩條直線的交點;T為豎曲線切線長度,表示起點QD與交點JD的里程差值;E為豎曲線外距,表示交點JD到豎曲線的距離;L表示豎曲線里程長度。

圖1 道路豎曲線要素

圖2 橋面屋脊線示意

圖3 “褲衩”外高程控制點示意(單位:cm)

根據(jù)路線知識,豎曲線里程長度L根據(jù)坡度變化和曲線半徑R確定

L=R|i2-i1|=2T

(1)

曲線上點距離第一段直線點的高程差值△y1與距離起點的里程距離△x1值的關系為

(2)

同理,交點JD與ZD的曲線上的點與第二段直線點的高程差值△y2可以用計算點與曲線終點的里程距離△x1值的關系為

(3)

這樣就可以先根據(jù)線性計算,獲取交點線上的直線高程,再通過公式(2)、公式(3)獲取某一樁號位置處豎曲線和直線間高差,兩者疊加得到豎曲線上的設計高程。

路線設計文件采用樁號+高程+半徑的交點設計信息文件,可以按表1所示。

表1 縱斷面設計文件

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以獲取曲線坡度和曲線切距。

ij-1-j=(Hj-Hj-1)/(Zj-Zj-1)

(4)

Tj-1-j=abs(ij-1-j-ij-j+1)Rj/2

(5)

式中:ij-1+j為控制點j-1和控制點j之間的交點直線斜率;Tj-1-j為控制點j-1和控制點j之間的切距,m。根據(jù)實際設計情況,j一般從2開始。

截面橫坡一般采用線性過渡,通過進行線性插值即可獲取某一樁號位置處的截面橫坡設計值。

2 道路分合流位置的屋脊線

道路分合流位置兩條設計線對橋面高程均有影響,會在兩條設計位置處形成一條高度峰值線,橋梁上稱之為屋脊線,路面上也稱之為路拱線。

兩條高程設計線中間的屋脊線上的任一點O具有以下特點。

過O點作兩條設計線的垂線,記作交點A、B。通過A點在設計線1處的樁號獲取A點的設計高程Za和設計橫坡ia,通過B點在設計線2處的樁號獲取B點的設計高程Zb和橫坡ib,O點與A點之間的距離記作LA,O點與B點之間的距離記作LB,則屋脊線上任意O點滿足以下等式

Za+LA×ia=Zb+LB×ib

(6)

屋脊線上側橋面可以按設計線1控制設計高程,屋脊線下側橋面可以按設計線2“褲衩”設計高程。

3 “褲衩”橋常見設計施工問題

廣東云茂高速木九山樞紐互通AK1匝道橋上部結構為小箱梁,下部結構為樁柱式帶蓋梁基礎,AK1匝道在鼻端處分叉為A匝道和C匝道橋。A匝道橋4#墩與CK0匝道橋0#墩共用下部結構。

設計時,設計師以AK1匝道橋橋面高程點a為基礎,通過a點到b點的距離和a點處的設計橫坡推算b點標高,而C匝道0號墩上的橋面設計高程以C匝道設計標高計算,這樣導致0#左側“褲衩”箱梁和C匝道橋橋面高程在b點相差18 cm。施工單位架梁完成后,發(fā)現(xiàn)“褲衩”分跨線位置處,兩側橋面高程存在較大的高差錯位,呈現(xiàn)出明顯的錯臺現(xiàn)象。

顯然,這是設計方設計錯誤導致的工程問題。正確的設計方法是b點應采用C匝道設計線進行高程計算,蓋梁做成折線型或者通過加高支座墊石的方法消除“褲衩”主線和C匝道接頭部分的高程差值。

實際工程中,這種高程問題時有發(fā)生。橋梁設計人員經驗不足或者工作管理等問題導致設計圖紙有誤,施工單位在復測放樣時,未考慮多條設計線的影響,不能及時發(fā)現(xiàn)高程錯誤,從而導致架梁或者澆完梁后出現(xiàn)錯臺錯位等工程質量問題。

4 大鼻端“褲衩”橋梁設計

G4012黃山至千島湖段高速互通橋梁方案中,主線橋分流出C匝道橋,橋梁布孔線與“褲衩”接頭位置相差較遠,達到7.2 m,屬于大鼻端“褲衩”橋梁。

“褲衩”橋上部結構為3×30 m現(xiàn)澆箱梁,分跨線位置主線樁號為K69+723.5,C匝道樁號為CK0+159。主線橋幅寬度為16.75 m,設計高程位置距離設計線1 m;C匝道橋幅寬度為9 m,設計線距離外邊緣線7.25m,設計高程為設計線位置。

主線及C匝道橋所處段的縱斷面交點和超高設置分別如表2和表3所示。

表2 主線縱斷面設計數(shù)據(jù)

表3 C道縱斷面設計數(shù)據(jù)

主線不設置超高,路線橫坡均為2%,C匝道超高按表4進行設計。

表4 C匝道橫坡設計數(shù)據(jù)

“褲衩”橫梁寬度2 m。“褲衩”橋鼻端外,因為“褲衩”箱梁的橫梁折線線型固定,分跨線折線交點位置不滿足屋脊線上點的特征,通過設置單一的屋脊線無法進行“褲衩”橋鼻端外的橋面高程。

因此,先以C匝道橋內邊緣線為一確定虛擬屋脊線,根據(jù)設計縱斷面數(shù)據(jù),9 m寬匝道內輪廓線邊緣處點A的高程為HA=HO+i0dOA=43.158 m,以主線高程控制點為起點,沿設計線按主線橫坡2%進行放樣,放樣距離L為(43.524-43.158)/0.02=18.3 m,沿分跨線放樣至點C,此時C點橋面高程值已經達到屋脊線峰值高程43.158 m,其余分跨線上位置均按43.158 m高程設計。

同理,鼻端外其他位置的橋面高程放樣可按下列流程進行。

(1)以鼻端外屋脊線延伸線為基準線,每隔0.5 m作C匝道設計線垂線獲取交點W1;以W1為基準點,放樣出9 m匝道橋幅范圍的橋面高程點,記作9 m橋幅內邊緣線高程為Z1。

(2)以鼻端外屋脊線延伸線為基準線,每隔0.5 m同時作主線設計線垂線獲取交點W2;以W2為基準點,沿垂線放樣至橋面高程等于Z1值。

(3)兩條垂線中間存在等高帶,采用平坡過渡。

這樣,鼻端外就衍生出兩條新的屋脊線,兩條屋脊線之間采用平坡過渡。通過這樣設置,保證了大鼻端“褲衩”橋面高程同時滿足主線及匝道的橫坡及高程設計值,實現(xiàn)了“褲衩”鼻端外橋面高程的精確設計。

“褲衩”鼻端內部分的高程一般不需要設置平坡調整帶,設置單條屋脊線即可完成橋面高程設計,其屋脊線選用路線設計上的路拱線即可,箱梁截面按雙坡設計。

這樣整個“褲衩”箱梁橋面形成了“褲衩”內的變寬范圍為雙坡截面,采用單條屋脊線即可完成橋面高程設計,“褲衩”外為三種橫坡截面,通過中間設置平坡調整,形成兩條衍生的屋脊線實現(xiàn)橋面高程設計。本例中強制使匝道9 m寬度的內邊緣線為一確定屋脊線,這樣的處理使得橋面高程最值點滿足設計要求的情況下最小,是較為合理的設計方案。

5 “褲衩”橋高程誤差的補救方案

因設計或施工對“褲衩”高程設計或放樣錯誤導致施工現(xiàn)場主線和“褲衩”橋面高程銜接不上的問題,單純通過增加鋪裝厚度會導致上部結構橋梁承受的荷載超過設計值,并且會產生較大的工程造價增加。鋪裝厚度增加時,還應保證路面線性平順,橋面坡度合理。

橫坡數(shù)值與路線平面相關,因此不需要進行設計橫坡調整,僅調整匝道設計線的縱斷面設計。

以上述高速的大鼻端“褲衩”橋為例。施工單位澆筑現(xiàn)澆箱梁時未考慮匝道設計線,路線橫坡均按2%設置。這導致“褲衩”橋與C匝道橋銜接部位,左側“褲衩”橋端高程為43.020,橫坡為2%,右側C匝道側高程為43.158 m,橫坡為4.28%,高程相差達到14cm左右,橫坡相差2.28%,屬于嚴重的錯臺現(xiàn)象。

首先以橋面橫坡和最小鋪裝厚度為控制因素,重新進行橋面高程放樣,獲取橋面各控制點高程。當放樣高程比現(xiàn)有實際高程高出一定厚度時,調平層內設置直徑6～10 cm的PVC管或波紋管,管道厚度應保證混凝土澆筑過程中管道不發(fā)生明顯變形。

為對“褲衩”橋橋面高程進行補救,先對C匝道的高程設計線進行調整,結合“褲衩”橋“三屋脊線”精確設計方法重新放樣,確定各個橋面位置處需要增加的橋面調平層厚度。

(1)以“褲衩”橋匝道側輪廓線既有施工高程為高程控制點,沿C匝道外輪廓線按設計橫坡4.28%進行放樣,分跨線位置“褲衩”外輪廓位置橋面高程為42.867 m,放樣至C匝道設計線位置高程為43.177 m,即“褲衩”分跨線位置C匝道設計處需要增加43.177-43.020=0.157 m的橋面調平層。

(2)將C匝道的控制點2的高程由原設計值的43.315 03調整為43.472 03,其他參數(shù)不變。

(3)以新設計高程設計線為基準,結合橋面屋脊線按大鼻端橋面高程設計方法進行橋面高程控制點重新放樣。

(4)放樣后對橋面鋪裝調平層厚度超過設計值的部分調平層鋼筋網內埋置PVC管或波紋管,減小鋪裝重量。

經過加高調平層厚度,過深部分埋置PVC管或者波紋管和調整設計高程的補救方案后能夠保證新建的“褲衩”橋消除“褲衩”接頭位置錯臺問題,豎曲線線型平順以及結構承受的鋪裝荷載不會有較大的增加。

6 結 語

針對“褲衩”橋梁的高程設計與施工放樣,首先介紹了常見的設計與施工問題,然后通過分析大鼻端“褲衩”橋梁的橋面高程設計,得出整個“褲衩”橋梁橋面高程的精確設計方法:對鼻端內的橋面高程可采用單屋脊線雙坡截面進行橋面高程設計,對大鼻端外部位設置雙屋脊線,截面按三坡形式設計,推薦兩條屋脊線之間設置為平坡。

最后以既有高速“褲衩”現(xiàn)澆箱梁因施工過程中僅考慮主線設計高程和設計橫坡導致其與匝道橋接頭位置錯臺問題為例,通過增加調平層厚度和重新調整匝道豎曲線的方案進行高程問題補救。在新的匝道高程設計線的基礎上,按“褲衩”位置高程設計方案進行重新放樣進而確定橋面各控制點位置調平層加厚厚度,對加厚厚度超過一定范圍內埋設PVC管或者波紋管。

通過調整后的路線各項指標均能滿足相關規(guī)范,“褲衩”橋分叉位置橋面順接合理,橋梁結構二期荷載重度也并未得到增加。由于PVC管或波紋管內是空心的,因此整個變更方案,工程造價并未有較大的增加。