螺旋形匝道結構設計

張作勝，趙桂娥，楊長清

(1.湖南省交通科學研究院，湖南 長沙 410015;2.長沙市軌道交通集團有限公司,湖南 長沙 410000)

螺旋形匝道結構設計

張作勝1，趙桂娥1，楊長清2

(1.湖南省交通科學研究院，湖南 長沙 410015;2.長沙市軌道交通集團有限公司,湖南 長沙 410000)

某物流倉庫采用超小半徑的多層螺旋匝道，該匝道能夠適應占地面積有限、臨近建筑物眾多、匝道兩端高差大等諸多限制；結構集彎、坡、斜、變寬、多層、重載等特點為一體，形式新穎，受力較復雜；論述了該類匝道的結構分析方法和受力特點，以期為相關專業(yè)人員提供參考。

螺旋匝道；分岔異形箱梁；曲線梁；有限元

0 引言

在公路工程、倉儲物流工程中，有時會出現互通立交兩條銜接線路設計標高相差較大的現象，最大高差甚至達到50 m。限于設計規(guī)范對最大縱坡的要求，當銜接線路高差較大時，匝道展線長度也需相應增加，但是受到用地條件的制約，不具備常規(guī)展線的條件，設置螺旋形匝道正是解決這一問題的有效方法之一。該種結構在上海南浦大橋、重慶烏江二橋、日本千本松大橋等橋頭引道中均有應用。某物流倉儲工程立交系統采用5層螺旋結構實現地面與倉庫各層的互通。

1 工程概況

該物流倉儲工程位于廣州市番禺區(qū)魚窩頭鎮(zhèn)，立交系統是工程的重要組成部分，主要由上行立交、下行立交組成。立交系統的功能為溝通倉庫2、3、4、5層和地面道路。地面車輛經上行螺旋匝道和聯絡橋到達2～5層倉庫，2～5層倉庫的車輛由下行螺旋匝道和聯絡橋到達地面道路。小半徑多層螺旋匝道屬于非常規(guī)橋梁結構，是本工程的設計難點。

立交平面布置和螺旋匝道三維效果如圖1、圖2所示。

圖1 匝道平面布置圖

圖2 螺旋匝道效果圖

2 設計特點

受制于場地、標高、道路、地面構筑物等因素，螺旋匝道設計具有以下特點：

1)超小半徑、多層螺旋、多分岔口設計：為了提高土地利用率，實現項目經濟效益的最大化，項目的結構物和地面道路布置緊湊，螺旋匝道中心線的平曲線半徑僅為31.0 m，遠小于一般橋梁的曲線半徑，屬于超小半徑結構。功能要求立交系統聯通地面與倉庫2層、3層、4層、5層，倉庫層高8.6 m，匝道采用4.7%的坡率螺旋展線均勻爬升，當線路爬升到相應樓層標高后設置分岔口，分岔口通過聯絡橋與相應樓層之間連通。超小半徑的4層螺旋匝道結構形式新穎，國內尚無先例，結構彎扭耦合效應和結構空間受力特性顯著，設計難度大。標準跨結構具體構造見圖3。

2)分岔異形段構造復雜：分岔異形段橋墩布置需滿足匝道地面入口處的凈空限界要求，因此該段設計成斜交跨，集多層、彎、坡、斜、變寬分岔等特點于一體，結構復雜。結構具體構造見圖4。

3)交通負荷重，車輛荷載大：匝道橋為40萬m2的物流倉儲提供交通服務，通行車輛全部為重載車輛，交通負荷重，車輛荷載大。匝道橋按照城-A級荷載設計，設計車速20 km/h，單向兩車道，橋面橫向布置：0.5 m(防撞護欄)+2×5.5 m(車行道)+0.5 m(防撞護欄)。

圖3 標準段構造圖

圖4 分岔異形段構造圖

3 結構選型

在螺旋匝道設計之初，根據安全可靠、經濟、適用、美觀的原則進行了結構對比選型，共考慮了2種可能的方案。

1) 方案1：門型墩多跨連續(xù)剛結板梁。橋墩為鋼筋混凝土4層門式墩，標準段主梁為鋼筋混凝土空心板梁，主梁與橋墩橫梁剛結，縱橋向每個圓周9跨標準段為一聯；分岔段采用不帶懸臂的鋼箱梁結構，縱橋向每個圓周3跨為一聯，除分岔段異形鋼箱梁與混凝土標準段過渡處采用牛腿搭接外，其余各支撐點均為墩梁固結。結構的典型斷面如圖5所示。

2) 方案2：門型墩多跨連續(xù)箱梁。橋墩為鋼筋混凝土4層門式墩，主梁為單箱雙室鋼筋混凝土箱梁，主梁通過支座支撐于橋墩橫梁，縱橋向每個圓周3跨為一聯。結構的典型斷面如圖6所示。

2個方案的比選見表1，最終選定方案1作為設計方案。

圖5 方案1典型斷面圖(單位：m)

圖6 方案2典型斷面圖(單位：m)

表1 方案比選表

4 結構設計

螺旋匝道共4層，以上行匝道為例，橋梁沿中心線展開后，第1、第2、第3層跨徑布置均為(9×16.23 m)鋼筋混凝土板梁+(14.19+15.38+19.13)m異形鋼箱梁，第4層跨徑布置為(9×16.23 m)鋼筋混凝土板梁+(14.59+15.91)m異形鋼箱梁。匝道中心線半徑31.0 m。螺旋匝道共設門型墩13個，分岔異形段處的2個門型墩共用1個立柱，每個門型墩設橫梁4道。除分岔異形鋼箱梁兩端設伸縮縫并通過牛腿支撐外，其余各處主梁均與門式墩橫梁固結。結構單向橫坡2%，通過調整結構高度形成。上行匝道平面和立面布置見圖1、圖7。

圖7 上行匝道立面布置(沿線路中心線展開)(單位：cm)

標準跨主梁為整體式鋼筋混凝土空心板，板寬12.0 m，高1.0 m，橫斷面設置9個直徑0.6 m圓形空腔，以減輕自重，標準跨門型墩橫梁為寬2.0 m，高1.4 m的鋼筋混凝土梁。分岔異形段主梁為不帶懸臂的單箱多室鋼箱梁，梁寬12.0～21.0 m，高1.2 m，橫向每隔2.0 m劃分一個箱室，鋼箱梁設U型加勁肋。頂底板、腹板厚度16 mm，橫隔板、加勁肋厚10 mm。鋼箱梁的橫梁與門型墩立柱通過混凝土型鋼組合節(jié)點實現固結。主梁橫斷面圖見圖8、圖9。

圖8 鋼筋混凝土板梁橫斷面圖(單位：cm)

圖9 分岔段鋼箱梁橫斷面圖(單位：cm)

門型墩立柱截面為2.0 m×2.0 m矩形，基礎承臺尺寸6.5 m×6.5 m×2.5 m，下設4根直徑1.5 m鉆孔灌注樁，以中風化砂巖作為樁基持力層，樁長40～42 m。

5 結構受力分析

5.1 結構計算參數和模型

螺旋匝道結構為多層橋面結構，每一層都涵蓋小半徑曲線梁、連續(xù)剛構、變寬分岔、斜交等結構，受力復雜，墩梁聯合受力、彎扭耦合等空間效應明顯，普通的梁單元模型計算量小，但計算精度低；采用實體單元建模計算精度高，但計算量極大。本文采用能夠兼顧計算量和計算精度的梁格法建立鋼筋混凝土標準跨和分岔異形段的有限元模型如圖10所示，結構分析考慮的荷載見表2。

a) 分岔異形段有限元模型

b) 標準跨有限元模型

表2 荷載匯總表

5.2 承載能力驗算

承載能力極限狀態(tài)下結構應力和內力計算結果見圖11、圖12，最大值匯總于表3、表4。

圖11 分岔段異形鋼箱梁組合應力(單位：MPa)

圖12 標準跨結構彎矩圖(單位：kN·m)

表3 分岔異形段結構最大內力(應力)匯總表

表4 標準跨結構最大內力匯總表

上述計算表明，鋼結構最大應力小于限值275 MPa，滿足強度要求。墩梁固結處存在明顯的應力集中現象，通過設置倒角緩解。根據上述結果進行配筋計算，結果表明結構承載能力和使用階段裂縫寬度均滿足設計要求，結構是安全的。

5.3 撓度驗算

正常使用階段結構撓度計算結果見圖13、圖14。

圖13 分岔段異形鋼箱梁撓度變形(單位：mm)

圖14 標準跨結構撓度變形(單位：mm)

正常使用階段，分岔段異形鋼箱梁的最大豎向撓度38.4 mm，標準跨混凝土板梁的最大豎向撓度5.6 mm，最大撓度發(fā)生于曲梁最外側，均小于規(guī)范限值，剛度滿足設計要求。

5.4 穩(wěn)定性分析

結構穩(wěn)定計算結果見表5，成橋穩(wěn)定系數遠大于4，結構穩(wěn)定性有充分保障。

表5 結構失穩(wěn)模態(tài)及穩(wěn)定系數匯總表

結構分析計算表明，該螺旋匝道整體強度和穩(wěn)定性滿足設計要求，恒載內力分布均勻。多層螺旋結構與門式墩橫梁剛結后，結構整體剛度大，在汽車離心力、制動力作用下水平位移小，能夠保證行車安全；主梁與墩連續(xù)剛結省去了大量的支座和伸縮縫，不僅降低了工程造價，且避免了支座脫空、曲梁向外側傾覆、曲梁外側爬行造成伸縮縫錯位等問題。

以下幾點值得注意：該橋橋墩彎矩和水平反力較常規(guī)橋梁大，這主要是由于橋墩與小半徑曲線梁固結，墩梁聯合受力造成，因此剛結體系較普通的支座支撐體系而言，內力分布更加均勻；分析計算也表明，溫度效應是造成橋墩水平反力偏大的另一個重要因素，本匝道橋屬于高次超靜定結構，對溫度變化敏感，因此對于該類橋梁的設計如何正確選用溫度計算模式、有效控制溫度效應是值得研究的問題，本文沒有展開；通過空間梁格分析發(fā)現，小半徑曲線梁外側縱向彎矩比內側縱向彎矩大，外側偏載現象顯著，最大撓度發(fā)生于曲梁最外側，偏載引起結構較大的扭矩，結構空間效應顯著，因此這類橋梁設計時應注意采取抗扭措施和外側邊梁加固措施。

6 結語

該立交匝道的設計在用地范圍十分有限，地面道路、臨近建筑物眾多的情況下，突破常規(guī)，遵循少占地，多占空的設計理念，提出了曲線半徑僅31 m的4層螺旋匝道結構，結合聯絡橋，實現了倉庫2、3、4、5層和地面道路的交通，構思巧妙，造型新穎，結構設計大膽。通過方案對比和結構受力分析，表明4層螺旋式匝道結構整體受力均勻，結構剛度大，整體性好，空間效應顯著，整體造型和倉庫建筑協調一致，設計符合安全、適用、經濟、美觀的原則，能夠滿足多層物流倉庫立體交通需求。希望本匝道的設計經驗能夠為今后類似的市政立交、立體物流倉儲設計提供參考。

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