半幅高架與環(huán)形匝道組合互通式立交橋設(shè)計(jì)

胡學(xué)奎

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030）

1 項(xiàng)目背景

蘭州市為破解交通擁堵難題，啟動(dòng)了重要擁堵路段交通節(jié)點(diǎn)的改造，完善市區(qū)交通服務(wù)功能，提升城市整體形象。小西湖立交橋改造是蘭州市立體交通節(jié)點(diǎn)的改造的首個(gè)開建工程和重點(diǎn)工程。

小西湖立交改造工程位于南濱河中路。南濱河中路是一條沿東西方向布設(shè)的雙向6車道的城市主干路，是蘭州黃河風(fēng)情線重要組成部分。原小西湖立交由于受修建時(shí)資金、地理?xiàng)l件等制約，未修建左轉(zhuǎn)彎車道，為不完全互通式立交。自西向東行駛的車輛只能違章掉頭后從自東向西的方向右轉(zhuǎn)彎上橋；而自北向南過(guò)河的車輛也無(wú)法左轉(zhuǎn)彎下橋，只能右轉(zhuǎn)彎下橋后在蘭州軍區(qū)總醫(yī)院附近掉頭后向東行駛。伴隨著蘭州城市交通量的不斷增加，由此造成的交通不便和存在的交通安全隱患日益凸現(xiàn)，迫切需要對(duì)小西湖立交進(jìn)行改造。通過(guò)改造盡量消除或減少小西湖立交缺陷造成的上下左轉(zhuǎn)彎及直行左轉(zhuǎn)彎不暢問(wèn)題。

該立交改造主線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：城市主干路，路幅寬度40 m，橋面凈寬10 m，凈空高度為5 m，設(shè)計(jì)車速50 km/h，最大縱坡3.9%，設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)。匝道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：路幅寬度8m，橋面凈寬 6.5m，設(shè)計(jì)車速20～30 km/h，匝道最小半徑為15m，匝道最大縱坡3.9%。

場(chǎng)地位于祁連山褶皺帶中祁連隆起帶東段的蘭州斷陷盆地，金城關(guān)活動(dòng)斷裂及劉家堡隱伏活動(dòng)斷裂以南，雷壇河活動(dòng)斷裂以西的斷塊上。其中：劉家堡隱伏活動(dòng)斷裂距工程區(qū)較近，對(duì)工程影響較大。該工程場(chǎng)地主要由卵石、漂石和第三系泥巖、砂巖組成，場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)場(chǎng)地土平均剪切波速為330 m/s左右，場(chǎng)地土類型為中硬土，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)防烈度為Ⅷ度。

2 立交方案構(gòu)思

南濱河路南側(cè)分布大量永久性高層建筑物，無(wú)法拆遷，對(duì)立交擴(kuò)建帶來(lái)較大的局限性。立交北側(cè)為蘭州市主要景點(diǎn)—“黃河風(fēng)情線”，受南側(cè)建筑物和“黃河風(fēng)情線”夾逼，立交布置空間有限。方案設(shè)計(jì)階段提出了南濱河路高架方案、環(huán)形高架立交方案、南濱河路部分高架與環(huán)形匝道組合方案、苜蓿葉與定向匝道組合方案等四個(gè)方案。綜合考慮研究范圍內(nèi)交通組織情況及沿線建筑物分布情況，結(jié)合平縱面指標(biāo)、工程地質(zhì)條件及工程造價(jià)、環(huán)境影響等多種因素，最終采用南濱河路半幅高架與環(huán)形匝道組合方案，如圖1所示。該方案除滿足交通功能外，對(duì)南濱河路靠河側(cè)原有的景觀帶破壞較小，工程方案能較好地與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，盡量利用南濱河路北側(cè)半幅路節(jié)省工程投資。

圖1 小西湖立交橋效果圖

該方案將南濱河路南側(cè)右半幅車道采用單幅高架橋，左半幅（即靠河側(cè)）利用現(xiàn)有道路，在原立交橋東西200 m各修一條環(huán)形匝道與高架橋連接，實(shí)現(xiàn)北向東、西向北左轉(zhuǎn)，南向西及東向南左轉(zhuǎn)車輛利用右轉(zhuǎn)匝道到達(dá)地面后左轉(zhuǎn)匯入主線，原立交四個(gè)右轉(zhuǎn)匝道靠河側(cè)兩匝道改建，其余兩個(gè)匝道直接利用。小西湖立交改造交通組織設(shè)計(jì)解決的交通問(wèn)題分為三個(gè)層次，第一層次為重點(diǎn)解決全部或部分南濱河路與小西湖東街、黃河大橋四個(gè)左轉(zhuǎn)向匝道的交通問(wèn)題；第二層次為研究解決蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院出入口的交通通行問(wèn)題；三層次為兼顧立交以東街坊道路與南濱河路的交叉口交通通行問(wèn)題。

3 小西湖立交改造技術(shù)難點(diǎn)

城市立交橋?yàn)檫m應(yīng)現(xiàn)代城市交通的需要，具有斜、彎、坡、異形等特點(diǎn)，給橋梁線型的設(shè)計(jì)和構(gòu)造處理帶來(lái)很大困難，既有立交橋的改造困難尤甚，技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以幾點(diǎn)。

3.1 路線布設(shè)難度大

立交南北兩側(cè)受既有高層建筑和黃河風(fēng)情線夾逼，布置空間有限，需要在南北寬39 m范圍內(nèi)展線完成四個(gè)方向互通的立交主體工程，因此環(huán)形匝道被迫采用最小平面指標(biāo)，曲線半徑僅15m。

3.2 既有地下管道錯(cuò)綜復(fù)雜，橋梁孔跨及墩柱布置難度大

有19種既有管道在改造的立交橋下穿過(guò)，這些管道包括熱力管道、燃?xì)夤艿?、電力隧道、軍用光纜等，其中軍用光纜、電力隧道不能改移；熱力管道、燃?xì)夤艿栏囊瞥杀咎?；大直徑給水管道等存著無(wú)改移空間的問(wèn)題，橋墩為避讓管道造成下部結(jié)構(gòu)類型較多。

3.3 施工交通組織設(shè)計(jì)難度大

南濱河路是東西方向交通的大動(dòng)脈，施工期間需要保證四個(gè)車道通行。由于受道路寬度限制，立交南北方向空間緊張，既要滿足工期要求，又要滿足四個(gè)車道保通。

3.4 跨越要求各異，橋梁孔跨類型較多

主線高架橋主要采用預(yù)制箱梁，跨度有20 m和30 m兩種；匝道橋受力復(fù)雜，為滿足避讓管道和受力要求，跨度有13 m和20 m兩種；主線高架橋?yàn)榭缭疥戃娍偪傇杭扔虚T診大門、辦公大門和規(guī)劃的門診大門、辦公大門、黃峪溝大橋，需布設(shè)55 m跨。

3.5 上部結(jié)構(gòu)類型較多

上部結(jié)構(gòu)類型包括20 m連續(xù)預(yù)制小箱梁橋、30 m跨連續(xù)預(yù)制小箱梁橋、20 m跨現(xiàn)澆箱梁橋（包括異形梁）、13 m跨現(xiàn)澆箱梁橋（包括變寬梁）、55 m簡(jiǎn)支結(jié)合梁橋、（30+4×55+30）m連續(xù)結(jié)合梁橋、13 m簡(jiǎn)支空心板橋、15 m地下通道橋、曲線人行天橋。

3.6 下部結(jié)構(gòu)類型較多

墩柱布置為避讓管道且不侵占橋下車道，需采用大懸臂雙柱墩，或采用門式墩，或用墩柱支撐外伸的中橫梁，或采用鋼管混凝土墩，基于以上原則，主線共布置了16種橋墩類型，匝道布置了6種類型橋墩。

3.7 橋梁抗震設(shè)計(jì)難度大

該橋?yàn)槲覈?guó)Ⅷ度以上高震區(qū)較大規(guī)模的立交橋，且橋梁上部結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)類型較多，匝道最小半徑僅15 m（國(guó)內(nèi)最小），增加了橋梁抗震設(shè)計(jì)難度。

4 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 橋梁設(shè)計(jì)原則

（1）橋梁結(jié)構(gòu)原則上采用技術(shù)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)合理、施工條件成熟及經(jīng)濟(jì)、美觀的結(jié)構(gòu)形式；

（2）橋梁布置應(yīng)盡量減少上下部結(jié)構(gòu)的類型，在方便設(shè)計(jì)、施工、降低造價(jià)的同時(shí)體現(xiàn)立交的整體結(jié)構(gòu)美；

（3）新建橋梁應(yīng)盡量與既有橋梁結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)風(fēng)格統(tǒng)一，盡量做到“天衣無(wú)縫”；

（4）橋梁上部結(jié)構(gòu)以工廠化預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)安裝為主，減少施工對(duì)交通的干擾；

（5）采用地下管線物探儀探明現(xiàn)有管網(wǎng)的布局及走向，通過(guò)合理布孔、靈活設(shè)墩、調(diào)整蓋梁懸臂、采用樁基地基梁等方案盡量避免管線遷移；

（6）分合流口異形梁受力復(fù)雜，布設(shè)小跨徑鋼筋混凝土箱梁；

（7）采用抗震設(shè)計(jì)新理念，增加了多道設(shè)防體系，提高了大橋的抗災(zāi)能力。

4.2 主線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主線橋除分合流口橋面寬度變化較大外，其余橋梁均位于直線或大直徑曲線上，較適宜采用可標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化施工的預(yù)制安裝構(gòu)件，以降低投資、加快施工進(jìn)度和減少施工期對(duì)交通的干擾。結(jié)合近幾年甘肅省預(yù)制梁應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制箱梁經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)，應(yīng)用較為廣泛。因此，該項(xiàng)目主線橋除在分合流口處布置異形現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁、跨越南濱河路黃峪溝、蘭州陸軍區(qū)總院門口布設(shè)55 m跨的結(jié)合梁外，其余均布置先簡(jiǎn)后連預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制箱梁。按適宜的跨高比關(guān)系和跨越要求，采用30 m和20 m兩種跨徑形式。異形梁受力和構(gòu)造復(fù)雜，若采用鋼箱梁，加工制造難度大、焊縫較多，焊接殘余變形等影響較大；另外，附近無(wú)大型鋼結(jié)構(gòu)加工廠，又存在運(yùn)輸困難的問(wèn)題。因此，異形梁宜采用小跨徑、短聯(lián)現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，跨徑不宜超過(guò)20 m。

4.3 匝道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目受地形限制，匝道橋平曲線指標(biāo)較低，最小半徑僅15 m，且受分合流口處“異形”斷面控制，無(wú)較長(zhǎng)段落的直線或大半徑曲線，且為提高抗扭能力和減少結(jié)構(gòu)類型，體現(xiàn)立交整體結(jié)構(gòu)美，匝道橋均采用現(xiàn)澆箱梁。小半徑處布設(shè)13 m跨鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁，其余均布設(shè)20 m跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱梁。

5 結(jié)構(gòu)分析

該立交改造工程上部結(jié)構(gòu)類型主要包括20 m預(yù)制小箱梁橋、30 m跨預(yù)制小箱梁橋、20 m跨現(xiàn)澆箱梁橋（包括異形梁）、13 m跨現(xiàn)澆箱梁橋（包括變寬梁）、55 m簡(jiǎn)支結(jié)合梁橋、（30+4×55+30）m連續(xù)結(jié)合梁橋。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)，20 m、30 m跨預(yù)制小箱梁橋采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，結(jié)合梁采用平面模型進(jìn)行有限元分析，考慮了活載橫向分布系數(shù)；20 m跨異形梁和13 m跨小半徑曲線現(xiàn)澆箱梁采用空間模型進(jìn)行有限元分析。限于篇幅，僅給出13 m跨小半徑曲線箱梁有限元模型，如圖2所示。

圖2 小半徑曲線箱梁有限元模型

該立交主線共16種橋墩類型，匝道共6種橋墩類型，下部結(jié)構(gòu)分析難道和工作量較大，主線共19聯(lián)，除簡(jiǎn)支聯(lián)外的17聯(lián)均建立了有限元模型進(jìn)行正常使用計(jì)算和抗震計(jì)算；匝道下部結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，分別對(duì)20 m異形梁、20 m等寬現(xiàn)澆梁、13 m曲線梁建立模型進(jìn)行正常使用計(jì)算和抗震計(jì)算。限于篇幅，僅給出30 m跨異形箱梁有限元模型，如圖3所示。該立交位于Ⅷ度高震區(qū)，下部結(jié)構(gòu)配筋受抗震控制，采用了抗震設(shè)計(jì)新理念，增加了多道設(shè)防體系，提高大橋的抗災(zāi)能力。

圖3 主線異形梁有限元模型

6 結(jié)語(yǔ)

小西湖立交改造工程于2012年7月開工建設(shè),為我國(guó)Ⅷ度以上高震區(qū)較大規(guī)模的立交橋。工程主要包括南濱河路主線橋、四個(gè)匝道橋（NE匝道橋、NW匝道橋、WN匝道橋、EN匝道橋），立交橋總面積26 512.7m2，其中主線橋面積20 820 m2，匝道橋面積5 692.7 m2，主線全橋長(zhǎng)1 775 m。對(duì)于斜、彎、坡、異形梁及小半徑梁設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮結(jié)構(gòu)空間受力特點(diǎn)，進(jìn)行了整體空間受力分析和約束體系研究，確保結(jié)構(gòu)安全；采用抗震設(shè)計(jì)新理念，增加了多道設(shè)防體系，提高了大橋的抗災(zāi)能力，大橋設(shè)計(jì)具有鮮明的時(shí)代特色。

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