某既有城市高架增設(shè)匝道橋梁總體設(shè)計(jì)

鄧小偉

(同濟(jì)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

某既有城市高架增設(shè)匝道橋梁總體設(shè)計(jì)

鄧小偉

(同濟(jì)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

崧澤高架路位于上海虹橋，為更好地服務(wù)虹橋商務(wù)區(qū)以及國(guó)家會(huì)展中心，對(duì)收費(fèi)廣場(chǎng)及高架下地面道路進(jìn)行改造，并新建一對(duì)上下匝道。對(duì)本工程概況、設(shè)計(jì)原則、橋梁總體布置及結(jié)構(gòu)形式、抗震設(shè)計(jì)等作了簡(jiǎn)要介紹，本工程經(jīng)驗(yàn)可為同類(lèi)橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

高架；匝道；設(shè)計(jì)原則；總體布置；結(jié)構(gòu)形式；抗震設(shè)計(jì)

1 工程概述

崧澤高架路，西起G15高速公路，東至虹橋綜合交通樞紐，是上海市虹橋綜合交通樞紐的“一縱三橫”快速疏散系統(tǒng)配套工程之一。建成于2009年，高架標(biāo)準(zhǔn)段寬25 m，雙向6車(chē)道；收費(fèi)廣場(chǎng)位于高架變寬段上，橋梁由現(xiàn)澆箱梁和預(yù)制梁組成，并于預(yù)制梁端留有斷口；高架下地面道路為城市主干路，雙向6車(chē)道。

隨著虹橋商務(wù)區(qū)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)以及上海國(guó)家會(huì)展中心的建設(shè)，交通需求大幅提升，在崧澤高架路(G15～淶港路)段增設(shè)一對(duì)上下匝道是非常必要而迫切的。新增兩條匝道位于主線(xiàn)高架南北兩側(cè)，與原有收費(fèi)廣場(chǎng)斷口相接，橋梁平面布置詳見(jiàn)圖1。

圖1 增設(shè)匝道橋梁平面布置圖

2 設(shè)計(jì)原則

(1)本工程建設(shè)主要服務(wù)于中國(guó)博覽會(huì)會(huì)展中心，要求匝道橋須于會(huì)展中心開(kāi)展前通車(chē)，因此施工周期成為設(shè)計(jì)考慮的重要因素，橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量選擇施工周期短的形式。

(2)從景觀(guān)性考慮，為避免橋下立柱凌亂，跨徑布置原則為新建匝道橋墩盡量與原主線(xiàn)橋墩或匝道橋墩對(duì)齊。

(3)從經(jīng)濟(jì)性考慮，在滿(mǎn)足總體設(shè)計(jì)的原則下，盡量選取造價(jià)較低的結(jié)構(gòu)形式。

(4)高架及匝道為城市快速路橋梁，應(yīng)采用結(jié)構(gòu)安全、行車(chē)舒適、耐久適用、養(yǎng)護(hù)方便的結(jié)構(gòu)形式[1-2]。

(5)充分注意結(jié)構(gòu)與環(huán)境、地上地下建筑物或管線(xiàn)的協(xié)調(diào)，盡量縮短施工周期，避免或減少對(duì)建筑物和管線(xiàn)的不利影響，并將在施工期間對(duì)交通和環(huán)境的影響降到最小，體現(xiàn)以人為本的設(shè)計(jì)思想。

(6)橋下有行車(chē)需求時(shí)，必須滿(mǎn)足地面道路5 m凈高的通行要求。

3 橋梁總體布置及結(jié)構(gòu)形式

3.1 橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑及結(jié)構(gòu)選型

現(xiàn)狀崧澤高架為混凝土連續(xù)箱梁體系，標(biāo)準(zhǔn)跨徑40 m；上下匝道標(biāo)準(zhǔn)段采用預(yù)制空心板梁結(jié)構(gòu)，跨徑20 m。根據(jù)設(shè)計(jì)原則，橋墩布置應(yīng)盡量與原有主線(xiàn)(40 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑)及兩側(cè)上下匝道(20 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑)立柱布置一致。為尋求本工程合理布跨，達(dá)到經(jīng)濟(jì)與景觀(guān)的和諧統(tǒng)一，對(duì)20 m和40 m兩種跨徑進(jìn)行了綜合比較。

(1)對(duì)于20 m跨徑，可選擇的結(jié)構(gòu)形式有預(yù)制空心板、預(yù)制剛接板、現(xiàn)澆連續(xù)箱梁等。

①預(yù)制空心板。 空心板梁結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)高度低(20 m跨徑梁高0.95 m)，工廠(chǎng)化程度高，運(yùn)輸、吊裝方便，對(duì)地面交通影響較小，工程造價(jià)低。但空心板之間采用鉸縫連接，橫向剛度較低，鉸縫處容易產(chǎn)生縱向裂縫，影響結(jié)構(gòu)的耐久性。匝道部分位于曲線(xiàn)段和變寬段，空心板預(yù)制會(huì)產(chǎn)生每塊板板長(zhǎng)或板寬不一樣的情況，加大了施工的復(fù)雜性。

②預(yù)制剛接板。 預(yù)制剛接板結(jié)構(gòu)高度也較低(20 m跨徑梁高1.0 m)，比空心板結(jié)構(gòu)略高，優(yōu)點(diǎn)與預(yù)制空心板相近。其橫向連接采用橫梁及濕接縫的方式，能有效避免鉸縫帶來(lái)的危害。匝道變寬時(shí)，可以通過(guò)濕接縫寬度的變化來(lái)調(diào)節(jié)。

③現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。 連續(xù)箱梁優(yōu)點(diǎn)是整體性能好，抗扭剛度大，運(yùn)營(yíng)期間的行車(chē)舒適性以及結(jié)構(gòu)耐久性較好。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、輕盈，外形和原高架相同，下部結(jié)構(gòu)無(wú)需設(shè)置蓋梁，橋下視覺(jué)較通透，整體效果較為美觀(guān)。缺點(diǎn)是采用支架現(xiàn)澆施工，施工速度較慢，滿(mǎn)堂支架的施工工藝對(duì)地面交通影響較大。

綜合比選詳見(jiàn)表1，推薦預(yù)制剛接板作為20 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑的上部結(jié)構(gòu)形式。

表1 20 m跨徑橋梁結(jié)構(gòu)形式比選表

(2)對(duì)于40 m跨徑，可選擇的結(jié)構(gòu)形式有現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁、簡(jiǎn)支變連續(xù)預(yù)制小箱梁(T梁)、鋼-砼組合梁以及鋼箱梁等。

①現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。連續(xù)箱梁優(yōu)缺點(diǎn)前面已敘述，此處不再重復(fù)。

②預(yù)制小箱梁(T梁)。 預(yù)制小箱梁優(yōu)點(diǎn)是可工廠(chǎng)化預(yù)制，施工工期較短。缺點(diǎn)是梁體整片吊裝較重，對(duì)施工設(shè)備的要求及場(chǎng)地的要求較高。梁下需設(shè)置橋墩蓋梁，橋下縱橫梁交叉密布，視覺(jué)凌亂，景觀(guān)稍差。同時(shí)蓋梁的設(shè)置侵入了道路的凈空，造成橋梁縱坡較大。

③鋼-砼組合梁。 鋼-砼組合梁可工廠(chǎng)化分段預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)拼裝后現(xiàn)澆橋面，對(duì)路口交通影響小，施工工期較短。下部結(jié)構(gòu)無(wú)需設(shè)置蓋梁，橋下視覺(jué)較通透，整體效果較為美觀(guān)。缺點(diǎn)是后期養(yǎng)護(hù)要求較高，造價(jià)比混凝土梁略貴。

④鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)箱梁。 鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)箱梁可工廠(chǎng)化分段預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，施工工期較短。缺點(diǎn)是造價(jià)較高，后期養(yǎng)護(hù)要求高，且鋼結(jié)構(gòu)加工難度略高于組合梁。同時(shí)本工程匝道縱坡較大，鋼結(jié)構(gòu)橋梁瀝青鋪裝運(yùn)營(yíng)期間易損壞，增大后期養(yǎng)護(hù)工作量。

綜合比選詳見(jiàn)表2，推薦鋼-砼組合梁作為40 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑的上部結(jié)構(gòu)形式。

表2 40 m跨徑橋梁結(jié)構(gòu)形式比選表

40 m跨徑鋼-砼組合梁方案可選擇簡(jiǎn)支或者連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式。簡(jiǎn)支組合梁只承受正彎矩，混凝土頂板受壓，鋼梁受拉，是鋼-混凝土組合梁最有利的受力狀態(tài)，也最能充分發(fā)揮這兩種材料的長(zhǎng)處[3]。連續(xù)組合梁相對(duì)于簡(jiǎn)支組合梁，有降低梁高、節(jié)約鋼材和造價(jià)、增加行車(chē)舒適性等優(yōu)點(diǎn)。但連續(xù)組合梁由于中支點(diǎn)負(fù)彎矩的存在，混凝土頂板受拉開(kāi)裂、組合作用喪失，不僅降低梁的剛度，并且對(duì)該處的鋼筋、焊釘以及鋼梁的防蝕造成不利影響，降低了橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，增大了橋梁結(jié)構(gòu)維修和養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用和難度。另外，對(duì)于多跨連續(xù)組合梁，當(dāng)活載作用在最不利位置時(shí)，可能出現(xiàn)在某一跨全跨承受負(fù)彎矩，進(jìn)而導(dǎo)致鋼梁下翼緣受壓，有可能引起鋼梁發(fā)生整體或局部失穩(wěn)[4]。

由于匝道設(shè)計(jì)車(chē)速較低，簡(jiǎn)支組合梁伸縮縫較多帶來(lái)的行車(chē)不利影響可相對(duì)弱化。綜合考慮受力性能、施工難度、工期、耐久性以及后期養(yǎng)護(hù)等各項(xiàng)因素，匝道橋擬推薦采用簡(jiǎn)支組合梁的結(jié)構(gòu)形式。

3.2 橋梁布跨方案比選

根據(jù)設(shè)計(jì)原則，跨徑布置原則為新建匝道橋墩盡量與原主線(xiàn)橋墩或匝道橋墩對(duì)齊。對(duì)如下兩個(gè)方案進(jìn)行比較：方案一、匝道橋在原有匝道兩側(cè)時(shí)采用20 m跨徑與原匝道橋墩對(duì)齊，在原有主線(xiàn)高架兩側(cè)時(shí)采用40 m跨徑與原主線(xiàn)橋墩對(duì)齊；方案二、匝道橋采用40 m跨徑與原主線(xiàn)橋墩對(duì)齊。兩布跨方案比選詳見(jiàn)表3。

表3 布跨方案比較表

綜合考慮結(jié)構(gòu)施工、景觀(guān)、養(yǎng)護(hù)、造價(jià)等因素，推薦采用方案一作為實(shí)施方案。

3.3 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

20 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋梁橫斷面如圖2所示，上部結(jié)構(gòu)采用6片預(yù)制剛接板，梁高1.0 m。中梁寬0.85 m，邊梁寬1.15 m，濕接縫寬0.5 m，每片梁底布置18根φs15.20鋼絞線(xiàn)。下部結(jié)構(gòu)橋墩與原崧澤高架匝道橋墩一致，采用獨(dú)柱墩。為減輕對(duì)已有結(jié)構(gòu)的影響及保證地下管線(xiàn)的安全，基礎(chǔ)采用D80cm鉆孔灌注樁。

40 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋梁橫斷面如圖3所示，上部結(jié)構(gòu)采用鋼-砼組合梁，橋?qū)?.5 m，箱梁結(jié)構(gòu)寬度8.2 m，梁高2.3 m。其中鋼梁為單箱單室開(kāi)口截面，梁高1.9 m。豎直腹板，腹板厚12～16 mm，底板厚20～35 mm，頂板厚35 mm。混凝土橋面板采用C40混凝土，頂板寬8.2 m，懸臂1.6 m，跨中板厚25 cm，懸臂根部板厚40 cm。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用獨(dú)柱花瓶墩，基礎(chǔ)采用D80cm鉆孔灌注樁。

圖2 20 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋梁橫斷面(單位：cm)

圖3 40 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋梁橫斷面(單位：cm)

3.4 特殊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖4 蟠文路口橋梁橫斷面(單位：cm)

南匝道跨越蟠文路口，由于路口地面交通、地下軌交盾構(gòu)以及220 kV地下管線(xiàn)的制約，橋梁跨徑需增大到63 m。63 m主跨采用簡(jiǎn)支鋼-砼組合梁，梁高3.2 m，腹板厚12～16 mm，底板厚30～40 mm，頂板厚35 mm，橫斷面布置詳見(jiàn)圖4。主跨兩側(cè)的25、30 m跨徑采用預(yù)制混凝土小箱梁，梁高1.6 m。橫斷面由2片預(yù)制梁組成，預(yù)制梁寬2.675 m，濕接縫寬1.526 m。

下部結(jié)構(gòu)主墩采用蓋梁獨(dú)柱墩，蓋梁為高低蓋梁，為改善蓋梁造型及受力，63 m主跨組合梁在端部設(shè)置牛腿，梁高降低到2.2 m。橋墩位于220 kV地下高壓線(xiàn)和軌交盾構(gòu)保護(hù)區(qū)邊線(xiàn)交匯區(qū)，由于交匯區(qū)較小，小直徑群樁基礎(chǔ)無(wú)法避讓?zhuān)艏哟罂鐝奖茏專(zhuān)瑒t需80 m左右，經(jīng)濟(jì)性較差，因此采用單排D200 cm大直徑鉆孔灌注樁，橋墩橫向偏心1.0 m。為了將樁基施工對(duì)管線(xiàn)的影響減小到最小，樁基上部10 m范圍內(nèi)設(shè)置永久護(hù)筒，護(hù)筒直徑2.2 m。

除此之外，由于立墩空間受限，本工程采用了大量的橫向大偏心受力墩。為改善偏心墩受力和耐久性，在偏心墩柱受拉側(cè)布置預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，并按預(yù)應(yīng)力A類(lèi)構(gòu)件設(shè)計(jì)。

4 抗震設(shè)計(jì)

4.1 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

本工程按地震烈度7度設(shè)防，水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值0.1g。根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ 166—2011，本工程橋梁抗震設(shè)防分類(lèi)為乙類(lèi)，橋梁抗震設(shè)防目標(biāo)為：

在E1地震作用下，結(jié)構(gòu)總體反應(yīng)在彈性范圍，基本無(wú)損傷，震后可立即使用。

在E2地震作用下，標(biāo)準(zhǔn)墩可發(fā)生有限損傷，經(jīng)搶修可恢復(fù)使用，永久性修復(fù)后恢復(fù)正常運(yùn)營(yíng)；橫向偏心墩由于配置了預(yù)應(yīng)力，地震下不宜發(fā)生損傷，按強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

4.2 抗震設(shè)計(jì)方法與抗震體系

根據(jù)規(guī)范，本工程橋梁抗震設(shè)計(jì)方法為A類(lèi)：應(yīng)進(jìn)行E1和E2地震作用下的抗震分析和抗震驗(yàn)算，并滿(mǎn)足橋梁抗震體系以及相關(guān)構(gòu)造和抗震措施的要求[5]。

橋梁抗震體系采用類(lèi)型Ⅰ：地震作用下，標(biāo)準(zhǔn)墩橋梁的塑性變形、耗能部位位于橋墩墩底；蓋梁、基礎(chǔ)、支座和墩柱的抗剪按照能力保護(hù)原則來(lái)設(shè)計(jì)；橫向偏心墩不進(jìn)入塑性，按強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

4.3 計(jì)算模型與抗震分析

本工程橋梁均為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，且均采用獨(dú)柱墩，故可采用單墩模型，上部恒載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量進(jìn)行分析。本工程橋墩種類(lèi)較多，采用MIDAS/civil有限元程序，建立三維模型，對(duì)每一種類(lèi)型的橋墩均進(jìn)行了抗震分析。反應(yīng)譜分析表明：E1作用下，各墩柱均處于彈性范圍內(nèi)；E2作用下，橫向大偏心墩強(qiáng)度驗(yàn)算均滿(mǎn)足要求，而標(biāo)準(zhǔn)墩已進(jìn)入塑性，須進(jìn)行非線(xiàn)性時(shí)程分析。非線(xiàn)性時(shí)程分析表明：E2作用下，標(biāo)準(zhǔn)墩柱底塑性變形均在容許范圍內(nèi)，且有較高的延性?xún)?chǔ)備，墩柱抗剪以及樁基均滿(mǎn)足能力保護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程前期研究起于2012年底，工程邊界條件復(fù)雜，協(xié)調(diào)工作量大，綜合考慮施工周期、橋梁景觀(guān)、工程造價(jià)、后期養(yǎng)護(hù)、施工對(duì)現(xiàn)狀交通的影響、避讓220 kV高壓電纜以及軌交盾構(gòu)等因素，對(duì)橋梁總體布置、標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式、特殊節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等進(jìn)行了多輪比選、論證與評(píng)審，并于2013年完成施工圖設(shè)計(jì)。工程后期施工進(jìn)展順利，已于2014年9月竣工通車(chē)，成為國(guó)家會(huì)展中心周邊重要配套道路，為長(zhǎng)三角地區(qū)的車(chē)流快速進(jìn)出國(guó)家會(huì)展中心提供保障，并促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．CJJ 11—2011城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]中華人民共和國(guó)交通部．JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：人民交通出版社，2015.

[3]劉玉擎．組合結(jié)構(gòu)橋梁[M]．北京：人民交通出版社，2005.

[4]徐德標(biāo)．大跨徑鋼-混凝土連續(xù)組合梁橋設(shè)計(jì)研究[D]．大連：大連理工大學(xué)，2002.

[5]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．CJJ 166—2011城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

The Overall Design of New Ramps for an Existing Urban Elevated Bridge

Deng Xiaowei

(Tongji Architectural Design (Group) Co., Ltd. (TJAD)，Shanghai 200092,China)

Songze elevated bridge is located in Hongqiao, Shanghai. To better serve the Hongqiao Business District and the National Exhibition and Convention Center (Shanghai), a new pair of up and down ramps were built, and the toll plaza and the groud road were reconstructed. The general situation, the design principles, the general arrangement of the bridge, the structural style and the seismic design of the project are briefly introduced, which may provide a reference for similar bridge design.

elevated bridge;ramp;design principles;general arrangement;structural style;seismic design

2016-03-31 責(zé)任編輯:車(chē)軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.01.07

鄧小偉(1986-), 男,工程師,主要從事橋梁的設(shè)計(jì)研究。E-mail: shdxw1986@163.com

U448.21

A

2095-0373(2017)01-0036-05

鄧小偉.某既有城市高架增設(shè)匝道橋梁總體設(shè)計(jì)[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(1):36-40.