市政道路工程中框架結構的設計方法研究

代云焜 DAI Yun-kun

（中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 400023）

0 引言

在山地城市中，由于地形狹窄，地勢高低不平，受地形地貌及周邊建筑物影響，存在道路平面布局不規則，路幅寬窄不一，轉彎半徑小等特殊情況；在城市中心區域，為充分利用土地資源，存在利用高架道路下方空間設置停車場，解決停車難問題，因而需設置多層結構的情況。在上述情況中采用常規的橋梁結構布局困難，很難將工程項目具體實現。為解決這一工程難題，本文提出將房建框架結構應用到市政工程中，以實現項目的功能需求。但房建工程和市政工程分屬不同的工程領域，需遵循不同的行業標準。現行的設計規范未對此類工程的設計方法做出明確規定。如何對此類結構進行受力分析，使工程項目做到結構安全、經濟合理是急需解決的問題。本文探析了此類框架結構的設計分析方法，重點研究此類工程的設計標準確定，結構方案布置，荷載取值原則和設計分析過程，提出了設計工作中應重點考慮的關鍵問題和措施方案。通過合理方法對此類框架結構進行計算分析，可實現工程項目結構安全，經濟合理的總體設計目標。

1 工程概況

本工程位于重慶市九龍坡區。本項目為既有市政道路的連接道，其起終點均為現狀市政道路，道路全長538m，道路等級為城市次干路，設計時速為30km/h，雙向四車道，道路寬度22～26m。本項目在K0+387～K0+538 范圍內由于地形地貌為斜坡地段，為充分利用空間，節約土地資源，建筑方案在道路下方凈空位置設計了一層樓板，設置臨時停車位。工程結構平面如圖1 所示，典型橫剖面如圖2 所示。

圖1 結構平面布置圖

圖2 典型橫剖面圖

2 結構方案

本項目處于城市中心區域，受地下構筑物位置影響，較難布置橋梁孔跨及墩柱。因與相鄰建筑物的關系，基于環境保護和城市景觀要求，有關部門不建議采用結構尺寸較大的橋梁結構，同時建筑方案利用地形條件設計了一層架空樓板供臨時停車使用。經綜合比選，擬采用鋼筋混凝土框架結構方案。

鋼筋混凝土框架結構為房建工程中常見的結構體系，其優勢包括兩點：①平面上的布置簡單，能夠擴大使用空間；②建筑的剛度、延性性能好[1]。延性是結構抗震性能的具體體現，指的是結構在屈服之后，依然具備的承載能力和塑性變形能力[2]。框架結構傳力體系明確，抗震性能好，應用到市政道路工程中可滿足工程受力需求，有效解決橋梁結構布局困難的難題。但市政道路上通行汽車，其荷載大，位置不確定，屬于移動荷載，應精確分析汽車荷載對框架結構的作用效應，使結構設計做到安全可靠，經濟合理。

3 結構設計分析方法

3.1 設計標準的確定

本工程為市政道路工程，采用的結構型式為房建框架結構，其設計標準應融合兩個領域的要求，在實現功能需求的前提下，必須保證結構安全。根據《城市橋梁設計規范》CJJ11-2011（2019 年版）第3.0.2 條，本工程按照中橋標準進行設計。根據規范第3.0.9 條、第3.0.14 條并結合房建相關規范要求，本工程結構設計標準確定如下：設計使用年限為50 年，結構安全等級為一級，抗震設防類別為標準設防類，抗震設防烈度為6 度，設計基本地震加速度值0.05g，設計地震分組第一組，基礎設計等級為甲級。

3.2 結構方案布置

根據道路線型及路幅寬度，結合現場周邊情況，整體采用橫向兩跨框架結構方案。受地下構筑物位置影響，在K0+380～K0+460 范圍內橫向框架主軸與道路中心線斜交，其余區段為正交關系。框架橫向柱距約10m，縱向柱距約15～20m。因本工程荷載很大，為有效減小梁柱截面尺寸，將柱距較小的橫向框架作為主受力框架，因此設置順道路方向的框架次梁（間距約2.2m），形成密肋梁形式的樓蓋結構（結構布置如圖1 所示）。通過布置順道路方向的次梁，有利于車道荷載盡快傳遞給主梁，最終通過柱傳給基礎。該方案也使得結構傳力體系簡單、明確、直接，有利于結構計算分析。

3.3 荷載取值原則

本工程為市政道路，根據《城市橋梁設計規范》要求，其荷載等級為城-A 級。由于SATWE 軟件不能對移動荷載進行影響線加載分析，因此需對汽車荷載進行簡化。如何有效的考慮汽車荷載對結構的作用效應是本類項目設計的關鍵點。本項目分析時針對樓板按照《建筑結構荷載規范》附錄C 要求，根據城-A 級荷載汽車輪壓值計算出等效均布荷載，作為樓板分析的荷載。針對梁柱按照彎矩、剪力等效原則將汽車荷載等效為均布荷載。具體做法為先采用Midas CIVIL 軟件進行整體建模，按影響線加載方式進行分析，得出主次梁內力，然后按照彎矩、剪力等效原則進行等效。等效荷載取值如表1（已考慮汽車荷載沖擊效應）。

表1 汽車等效荷載表

3.4 結構分析方法

建立整體模型（如圖3 所示），按照上述荷載等效原則，分別取樓板、次梁、框架主梁及柱的等效活荷載，采用SATWE 軟件進行所有工況的計算分析，根據計算結果進行施工圖配筋設計。其中樓板設計采用SATWE 軟件計算結果與采用Midas CIVIL 軟件按車道荷載計算結果做了對比驗證，使項目做到結構安全同時又經濟合理。梁彎矩計算結果如圖4 所示，梁剪力計算結果如圖5 所示。

圖3 整體模型圖

圖4 梁彎矩計算結果（局部）

圖5 梁剪力計算結果（局部）

4 設計中應重點考慮的關鍵問題及措施方案

4.1 超長結構溫度應力計算及裂縫控制措施

本工程為市政道路工程，其樓板頂雖然有路面鋪裝層，但建筑物并無圍護結構，屬于露天狀態，同時本工程總長150.3m，屬于超長結構，應重點考慮溫度應力的影響。超長混凝土結構設計有兩個突出問題需要考慮，一個是溫度應力作用下的裂縫控制問題，一個是構件設計時如何考慮溫度應力參與荷載組合即構件承載力設計問題[3]。為有效減小溫度應力影響，合理計算溫度應力，本工程采取了以下方法及措施：

①設置結構縫將結構分為多個單元。考慮到后期使用及維護需求，本項目僅根據柱網與道路中心線的位置關系設置了一道伸縮縫，將整個結構分為了兩個結構單元，其最長結構單元長度為95.5m。

②計算分析時考慮了對溫度應力的計算。根據合攏溫度并結合當地氣溫條件按±20 度考慮升降溫工況，考慮到混凝土收縮徐變的影響，降溫工況再增加10 度。

③本工程結構梁、板、柱均使用補償收縮混凝土，且盡量控制混凝土強度等級。

④超長結構設置后澆帶，后澆帶間距不大于35m。

⑤施工圖設計中增強溫度應力配筋，主要是板鋼筋和梁腹鋼筋等。

⑥設計文件中對施工方法、養護措施等提出明確的要求。

4.2 “強柱弱梁”抗震設防目標的實現

鋼筋混凝土框架結構是我國常見的建筑形式之一，其在地震作用下按預期合理的破壞機制破壞是實現抗震設防目標的決定性因素之一[4]。“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱桿件”的設計原則應貫穿在此類項目設計的全過程。本類工程由于荷載大，柱距大，通常梁截面尺寸較大，應特別注意加強“強柱弱梁”的抗震設防目標的實現。設計過程中嚴格控制柱軸壓比，不應使軸壓比過大，有效增加結構延性；盡量優化梁截面尺寸，嚴格按照《建筑抗震設計規范》中的要求進行梁柱節點內力調整，設計配筋。采取加強節點設計等措施，保證“強柱弱梁”抗震設防目標的實現。

4.3 應注意考慮場地的影響

根據《建筑抗震設計規范》第4.1.8 條要求：當需要在條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖石和強風化巖石的陡坡、河谷和邊坡邊緣等不利地段建造丙類及丙類以上建筑時，除保證其在地震作用下的穩定性外，尚應估計不利地段對設計地震動參數可能產生的放大作用，其水平地震影響系數最大值應乘以增大系數[5]。在山地城市中，受地形地貌影響，工程項目常處于上述抗震不利地段，在設計過程中應按照規范條文說明要求，計算出水平地震影響系數增大系數，對地震力進行放大。同時工程項目需在邊坡穩定的前提下才能實施，當不能保證邊坡穩定性時，應先行對邊坡進行治理。

4.4 特殊工況下的構件驗算

本類工程樓面通行汽車，其荷載大，位置不確定，對直接承受輪壓的構件應對其進行最不利工況下的驗算，如樓板、框架次梁等，以保證構件在特殊工況下的結構安全。本項目按照城-A 荷載的輪壓分布，并根據汽車輪廓尺寸按照最不利位置對車輛進行了布置，按最不利荷載位置工況對樓板、框架次梁進行了驗算，以保證結構安全。

4.5 關于汽車荷載的沖擊力、離心力與制動力

汽車荷載的沖擊力、離心力與制動力在房建規范中未有相關規定，但本類工程為市政道路，其汽車通行速度較快，相關作用力應按《公路橋涵設計通用規范》規定計算并加以考慮。本項目樓面設置有路面鋪裝層，但總體厚度僅約34cm，根據《公路橋涵設計通用規范》第4.3.2 條要求，計算出沖擊系數μ=0.31，據此考慮沖擊作用。當道路處于曲線區段時，應考慮汽車荷載的離心力影響，應按《公路橋涵設計通用規范》第4.3.3 條要求計算出離心力，并作用在柱頂位置。汽車荷載制動力同樣按規范第4.3.5 條要求計算，作用在柱頂位置。

5 結束語

將房建框架結構應用到市政道路工程中，可有效解決山地城市中特殊地段道路工程難以用橋梁結構呈現的困難，但現行設計規范未對此類工程的設計方法做出明確規定。通過本文提出的分析方法，可較好的確定工程項目的設計標準，精確分析汽車荷載對框架結構的作用效應，在采取相關措施后，可保障此類工程項目的結構安全，同時做到經濟合理。本文可為類似工程項目的設計工作提供參考。但由于市政工程和房建工程分屬不同工程領域，其設計方法還有待進一步研究和完善，希望本文能為相關研究提供參考和啟示，促進此類工程項目結構設計水平的提高。