大型樞紐互通式立交橋梁設計探討

李 杰，彭小明，李毓坤，袁 健，劉 蒙

(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司,湖南 長沙 410200)

1 工程概況

現(xiàn)狀蘆荻山互通為二廣高速公路上一座A型單喇叭落地互通,于2016年建成運營,解決了常德城區(qū)東部居民上下高速的需求。后作為新建G5513益常高速的終點互通,在保留其落地功能的基礎上,對其進行樞紐化改造,增加高接高功能。蘆荻山樞紐互通受現(xiàn)狀落地互通、居民區(qū)和基本農(nóng)田控制,在原位置進行改擴建,采用單環(huán)式的變形苜蓿葉形,二廣主線下穿匝道。共新建A,B,C,D,E,F,H,L,R共9條匝道,利用原G匝道(見圖1)。

已通車的二廣高速主線為雙向四車道高速公路,設計時速為120 km/h,標準寬度為28 m;新建益常高速主線為雙向六車道,設計時速為120 km/h,標準寬度為34 m;B,C,F,G匝道為單向單車道,設計時速為40 km/h,標準寬度為9 m;A,E匝道為單向雙車道,設計時速為60 km/h,標準寬度為10.5 m;D,H,L,R匝道為單向雙車道,設計時速為60 km/h,標準寬度為12.25 m。

2 橋梁設計原則

1)橋梁設計應遵循技術先進、安全可靠、耐久適用、經(jīng)濟合理的原則[1],并充分考慮施工難易程度、施工期間保通等因素。2)在平曲線半徑較大且橋寬變化幅度較小或需跨越渠道等障礙物時宜布置預制裝配式橋梁。3)當平曲線半徑不小于80 m,但不滿足做預制裝配式橋梁條件時,宜采用預應力鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁,當平曲線半徑小于80 m或橋寬變化幅度較大時宜采用主跨L≤20 m鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁[2]。4)跨越正在運營的既有高速公路主線且平曲線半徑較小的匝道宜采用能快速施工的鋼結構橋梁。5)橋墩宜采用便于施工的圓柱墩,當橋幅寬度較小時宜采用獨柱墩,以保證下部結構的簡潔性、通透性[3],且宜適當歸并下部蓋梁、墩柱、樁基尺寸。6)當匝道與其他匝道斜交角度較小時,為避免出現(xiàn)大跨徑橋梁,宜采用橫梁加長或門架墩形式跨越。7)橋墩樁基與既有互通橋梁樁基的間距應滿足規(guī)范要求,且新建橋梁施工時應做好注漿等工程措施,避免對既有橋梁樁基產(chǎn)生擾動。8)互通橋梁除考慮功能滿足設計要求之外,還應考慮結構的形式美。考慮上下部結構尺寸協(xié)調(diào)、橋梁高度及跨徑比例、多層橋梁交叉時墩柱平面布置形式的和諧等因素[4]。

3 橋梁設計方案

3.1 總體方案

根據(jù)橋梁設計原則并結合本互通的實際情況,進行橋梁布跨如表1所示。

3.2 上部結構設計

3.2.1 預制結構設計

現(xiàn)澆箱梁連續(xù)結構雖然造型較為美觀,可適應絕大多數(shù)平面線形的要求,但是施工難度較大,工期較長,造價較高[5]。預制裝配式橋梁對比整體式現(xiàn)澆結構的橋梁,其具有結構形式簡單,受力特點明顯,設計、施工周期短,工程造價低,易標準化施工、質(zhì)量可控等優(yōu)勢,已成為基礎設施建設的必然趨勢[6],因此本互通新建橋梁除較小曲線半徑(小于10倍跨徑)和變寬幅度較大不能保證同一跨起終點濕接縫寬度的位置外,其余位置均采用預制裝配式橋梁。互通匝道橋梁與本項目主線橋梁保持一致,采用30 m預制裝配式小箱梁(表1中加下劃線部分),預制裝配式橋梁面積占比達75.4%。預制裝配式橋梁通過調(diào)整主梁片數(shù)以及濕接縫寬度適用橋寬變化,濕接縫寬度不宜過小,以便于施工及吊裝,也不宜過大,以保證預制結構的橫向連接,根據(jù)工程經(jīng)驗濕接縫寬度宜在400 mm～1 000 mm。預制小箱梁典型橫斷面圖見圖2。

表1 橋梁一覽表

對于本互通標準寬度預制裝配式小箱梁參數(shù)如表2所示,其余變寬部分預制裝配式小箱梁根據(jù)每跨起終點橋梁寬度布梁。

表2 標準寬度預制小箱梁參數(shù)表

3.2.2 現(xiàn)澆箱梁設計

D匝道第四、八聯(lián),E匝道第一、三、四聯(lián),F匝道、H匝道五、六、七、九、十聯(lián),R匝道第三、四聯(lián)采用等寬度現(xiàn)澆箱梁,其截面信息如圖3—圖8所示。

預應力混凝土箱梁頂板厚260 mm,底板厚240 mm,普通鋼筋混凝土箱梁頂板厚度240 mm,底板厚度220 mm;如普通鋼筋混凝土箱梁箱室跨度較大,可采用預應力混凝土箱梁的頂?shù)装搴穸?底板加厚在40 m以內(nèi)跨徑,統(tǒng)一加厚至400 mm,漸變加厚段長度:20 m及以下跨徑3.5 m;25 m跨徑4.5 m;30 m跨徑5.5 m。

單箱單室跨中腹板厚500 mm,腹板加厚段厚700 mm,單箱雙室跨中腹板厚400 mm,腹板加厚段厚600 mm。腹板漸變加厚段與底板漸變加厚段長度等長。

A匝道第四聯(lián),D匝道第三、九聯(lián)、E匝道第八聯(lián),H匝道第十三聯(lián)為變寬現(xiàn)澆箱梁,對于變寬橋梁根據(jù)橋梁基寬度相應調(diào)整箱室個數(shù),箱室按等分原則確定,一聯(lián)內(nèi)應盡量采用相同箱室數(shù),部分褲衩處由于橋寬變化過大,根據(jù)需要增加箱室。等箱室變寬現(xiàn)澆箱梁見圖9,變箱室變寬現(xiàn)澆箱梁見圖10。

3.2.3 鋼箱梁設計

E匝道第二聯(lián)及H匝道第八聯(lián)上跨正在運營的二廣高速公路主線,受被交道寬度、斜交角以及前后橋跨布置等因素,跨徑分別布置為36 m+45 m+41 m,34 m+47 m+36 m,由于上跨二廣高速處兩條匝道的平曲線半徑僅為150 m,160 m,故采用能快速施工,減少對高速主線運營影響的鋼箱梁結構。這兩聯(lián)鋼箱梁采用全鋼斷面設計,為方便運輸和大節(jié)段架設,主梁采用雙箱單室斷面。鋼箱梁梁高1.8 m,E匝道鋼箱梁全寬10.5 m,單箱寬2.8 m,兩側懸臂長度均為1.5 m,鋼箱梁梁高1.8 m,H匝道鋼箱梁全寬12.25 m,單箱寬3.1 m,兩側懸臂長度均為1.65 m,橋面設單向橫坡,橫坡6%,每個單箱中心線處梁高為1.8 m,梁底水平,腹板隨橫坡的變化升高降低。10.5 m寬鋼箱梁斷面圖見圖11,12.25 m寬鋼箱梁斷面圖見圖12。

3.3 下部結構及基礎設計

下部結構尺寸及配筋需根據(jù)計算滿足承載能力及正常使用要求,同時由于本項目橋梁寬度較多,應適當歸并下部結構形式和尺寸以便于設計和施工。

30 m預制小箱梁橋墩蓋梁倒角共有三種尺寸,9 m標準寬度倒角為650 mm×1 950 mm(見圖13),10.5 m和12.25 m標準寬度倒角尺寸為750 mm×1 075 mm(見圖14,圖15),16.75 m標準寬度倒角為850 mm×1 950 mm(見圖16),其余變寬部分蓋梁倒角尺寸應根據(jù)實際橋寬和墩柱布置從750 mm×1 075 mm和850 mm×1 950 mm兩種尺寸中選取(見圖17)。連續(xù)墩蓋梁寬度為2 m,過渡墩蓋梁寬度根據(jù)抗震要求計算確定。

30 m預制小箱梁橋墩墩柱和基礎共有三種尺寸,對9 m寬橋梁由于橋寬較窄,為保證下構間接通透性,選用1.3 m×3 m獨柱矩形墩。其他寬度橋梁采用雙柱式墩,當墩高h≤15 m時,下構選用1.4 m+1.6 m樁柱式橋墩,15 m

現(xiàn)澆箱梁根據(jù)跨徑和橋梁寬度確定下構尺寸,F匝道跨徑不大于20 m,橋寬為9 m,為保證下構間接通透性,選用截面由1.3 m×2.5 m漸變至1.3 m×4.2 m獨柱墩。當橋梁寬度超過9 m時,采用雙柱式圓墩,對主跨L≤20 m的橋梁,墩高h≤10 m時,下構選用1.3 m+1.5 m樁柱式橋墩,10 m

4 常見問題及解決措施

4.1 腹板防崩問題

對于互通式立交中的預應力現(xiàn)澆箱梁,其平曲線半徑一般較小,在曲線上施加預應力時,預應力束將產(chǎn)生指向曲線內(nèi)側的徑向力,曲率半徑越小、索力越大、產(chǎn)生的徑向力越大,如預應力束在腹板位置布置不當,就有可能將腹板崩裂[7]。

設計中通過采取三種措施防止預應力束將腹板崩壞,一是小半徑曲線上的預應力現(xiàn)澆箱梁設置30 cm厚的中橫隔板,增強腹板橫向剛度;二是將預應力束偏置在腹板平曲線外側一定距離,增加預應力束內(nèi)側混凝土厚度;三是在腹板內(nèi)側設置防崩鋼筋,確保結構安全。

4.2 排水問題

橋梁排水是否足夠通暢和橋面的縱坡及橫坡關系比較大[8],橋梁應避免出現(xiàn)凹曲線和反向橫坡設計,但是對于全橋方案的大型樞紐互通難以避免,因此需加強排水設計。本項目一般路段在橫橋向高程低的一側每間隔2.5 m布置一個150 mm的PVC豎向泄水管,將水匯入到300 mm的PVC縱向接水管,再通過聯(lián)通的排水接地管排入縱向排水溝或沉淀池。對于凹曲線和反向橫坡路段,將豎向泄水管間距加密至2 m,并且在每個橋墩處設置排水接地管,提高排水能力。

4.3 抗傾覆問題

近年來匝道橋傾覆案例時有發(fā)生,不僅導致巨大經(jīng)濟損失,還造成眾多人員傷亡,引發(fā)不良社會影響[9]。因此,對于橋寬較窄、曲線半徑較小的現(xiàn)澆箱梁匝道橋,其抗傾覆性能是設計中應重點關注的內(nèi)容。例如本項目F匝道橋半徑僅為120 m,且主墩支座間距僅為3.5 m,為提高本橋抗傾覆性能,將梁端橫梁加長,并將梁端支座間距加大設置為5 m。

5 結語

大型樞紐互通式立交橋梁設計是一項系統(tǒng)工程,在路線平縱橫設計的基礎上,綜合考慮結構安全、工程造價、施工便利性、美觀性等多種因素選擇每座橋梁合適的上下部及基礎結構形式[10]。同時,每座橋梁也不是完全獨立的設計,需考慮互通內(nèi)其他橋梁的設計,盡可能地歸并上下部及基礎結構類型,做到相對統(tǒng)一。同時針對互通內(nèi)橋梁易發(fā)生的腹板崩裂、排水、傾覆等問題,設計應采取必要的措施避免。