一體化雙層高架橋梁結構選型及剛構小箱梁研究

邵曉東

（寧波市通途投資開發(fā)有限公司，浙江寧波 315010）

1 工程概況

寧波市北環(huán)快速路西起前洋立交收費站，東至世紀大道，道路全長約16 km，全線按“主線高架+地面輔道”布置。其中主線高架在金山路西側至江北大道之間與寧波市軌道4號線共線，兩者合建為一體化雙層高架結構，其中城市快速路位于上層，軌道交通高架位于下層，合建段全長約6.95 km。北環(huán)快速路主線高架與地面輔道均為雙向六車道，汽車荷載為城－A級，主線設計車速為80 km/h，標準橋寬為25.5 m，地面輔道設計車速為50 km/h；軌道交通采用B型車，按6輛編組，雙線標準段橋寬為9.1 m，共設一體化軌道交通車站4座，并在其中一個車站附近設置軌道交通存車線及折返線，成為國內第一條共建段設置軌道交通存車線及折返線等配線的一體化雙層高架橋，圖1為寧波北環(huán)快速路總平面圖[1]。

圖1 總體平面布置示意圖

上海市共和新路高架等國內前兩條城市快速路與軌道交通共建的雙層高架均采用簡支結構體系，而寧波市北環(huán)快速路從行車舒適性角度出發(fā)，上層采用連續(xù)結構，并受立交影響上下層間距離變化大[2]。因此，需針對性研究選用合理橋梁結構型式，并對復雜橋梁結構進行研究。

2 標準段結構選型

2.1 橋梁橫斷面及橋墩結構選型

從減少軌道交通車站高度、方便乘客上下出行角度出發(fā)，城市快速路與軌道交通合建雙層高架相互層次上通常采用城市快速高架路布置在上層、軌道交通高架布置在下層的方式。橋墩型式通常有“H”形墩及“干”字形墩。其中“Y”形墩充分利用了上層6車道高架道路橋面寬、下層軌道交通橋面窄的特點，上層采用內收的斜柱來縮小中央綠化帶寬度，且造型較美觀，但其僅適用于上、下層基本為等間距，即上層斜立柱長度變化不大的情況，如上海市共和新路一體化雙層高架工程（見圖2）。與“Y”形墩相比，“H”形墩上下立柱均為直立柱，對上下層間距變化適應性強，適合于上層橋面與下層橋面高差較大，綠化帶相對較寬的情況。而“干”字形墩為獨柱結構，一般僅使用于上層為4車道等橋寬較小的情況，如上海市閔浦二橋引橋。寧波北環(huán)快速路受立交影響，上層高架道路與下層高架軌道交通間高差變化大，且既有道路中央綠化帶較寬，采用“H”形墩是合理的橋墩結構方案（見圖3）。

2.2 主梁結構選型

一體化雙層高架上層橋面高度基本在20m以上，全線大規(guī)模采用滿堂支架現澆施工難度及風險大，費用高，對地面交通影響大，上層主梁更適合采用預制吊裝的施工方法。在裝配式預制吊裝結構中，小箱梁具有整體受力及耐久性能好、景觀效果佳、經濟指標低等優(yōu)點，廣泛應用于城市高架結構中。因此，本工程標準段選用裝配式預制小箱梁結構，以30 m跨作為基本跨徑，標準段25.5 m橋寬由8片預制小箱梁組成（見圖4）。

圖2 上海市共和新路高架“Y”墩布置圖（單位：m）

圖3 寧波市北環(huán)快速路雙層高架“H”墩布置圖（單位：m）

圖4 上層小箱梁及下層整體箱梁橫斷面（單位：mm）

下層軌道梁常用結構主要有整體箱梁、橫向裝配式小箱梁及下承式槽型梁。其中下承式槽型梁結構受上翼緣影響，H形墩雙柱橫向間距大，不利于地面道路中間分隔帶布置；橫向裝配式小箱梁則受橫向雙柱影響，跨內起梁法吊裝施工困難；而整體箱梁景觀效果好、抗扭剛度大、動力性能好，且下層軌道梁均位于中央分隔帶內，采用支架現澆法施工不會對地面交通產生影響，在施工工序上更利于與上層預制吊裝施工相錯開。因此，本工程標準段下層軌道梁采用現澆簡支整體箱梁。

對于路口等40 m以上大跨徑結構，上層預制小箱梁及下層等高度簡支整體箱梁均超出了其合理適用范圍；變高度大跨連續(xù)箱梁則由于其支點梁高及立柱尺寸大，不適合于一體化雙層高架結構；而鋼－混凝土組合梁相比混凝土梁跨越能力大、吊裝施工方便、自重小，相比鋼梁無鋼橋面鋪裝等問題，正越來越多地應用于城市大跨橋梁結構。因此，本工程40 m以上大跨上下層均采用鋼－混凝土組合箱梁結構，最大跨徑55 m，并采用簡支結構體系，梁端設置上牛腿，以降低結構控制高度。圖5為鋼－混凝土組合箱梁結構橫斷面。

圖5 上下層鋼－混凝土組合箱梁橫斷面（單位：mm）

2.3 結構體系與蓋梁型式研究

一體化雙層高架橋面高度大，結構上需重點考慮降低雙層橋梁的結構高度，以方便上層匝道布置，并減少對周邊環(huán)境的影響。因此，在上層主梁選用預制裝配式小箱梁結構的基礎上，從控制結構高度及施工便捷等角度出發(fā)，對各種結構體系及蓋梁結構型式進行多方案綜合比選見表1。

由表1可知，簡支梁橋面連續(xù)體系配合倒T蓋梁方案（方案一）可最大程度減低橋面高度，但其最大缺點是結構性能及行車性能較差。連續(xù)梁體系配合隱形蓋梁方案（方案三）橋墩結構需設置橫系梁，受其影響橋梁控制建筑高度大。隱蓋梁結構方案（方案三、方案四）小箱梁架設時需設置臨時支架墩，施工便捷性較差。連續(xù)剛構體系配合組合蓋梁方案（方案五）利用一期蓋梁承載小箱梁自重，小箱梁架設完成后澆筑接縫混凝土形成組合蓋梁，承受二期恒載及活載。該方案相比矩形明蓋梁結構（方案二）可節(jié)省建筑高度約0.7 m，相比隱蓋梁結構（方案三、方案四）主梁架設時省去了臨時支架墩，施工便捷，是一種較好的一體化雙層高架橋梁結構型式，其不足之處是目前剛構體系技術應用較少，尚不適合全線大規(guī)模推廣使用。因此，本工程全線采用連續(xù)梁體系配合常規(guī)矩形明蓋梁（方案二）作為基本結構，在凈空受限段局部采用連續(xù)剛構配合組合蓋梁（剛構小箱梁）結構，以降低橋面高度。

表1 小箱梁結構體系及蓋梁結構型式綜合比選表

3 剛構小箱梁應用研究

3.1 總體布置

如前所述，本工程在凈空受限段Pm151～Pm155（4×31 m）橋跨結構采用先簡支后連續(xù)剛構體系，其中Pm152～Pm154中墩蓋梁采用組合蓋梁。先現澆形成一期蓋梁（矩形截面），張拉蓋梁第一批預應力鋼束，利用一期蓋梁作為支撐進行小箱梁架設，然后澆筑預制小箱梁間接縫，并利用該接縫形成蓋梁組合截面，參與結構受力，待小箱梁負彎矩束和蓋梁第二批鋼束張拉完成后，形成連續(xù)剛構體系。邊墩蓋梁采用倒T蓋梁，小箱梁擱置在倒T蓋梁上，設置支座以釋放溫度應力。圖6為剛構小箱梁中墩布置圖，圖7為其施工步序圖。

3.2 結構布置

圖6 剛構小箱梁（組合蓋梁）中墩（單位：mm）

圖7 剛構小箱梁（組合蓋梁）施工步序圖

為適應組合蓋梁分次澆筑的需要，蓋梁預應力鋼束分上下兩層布置，分別布置在二期后澆混凝土及一期蓋梁混凝土內（見圖8）。骨架鋼筋采用疊加布置方式（見圖9），使一期蓋梁具有完整的骨架鋼筋，以提高一期蓋梁的抗剪能力。同時，為提高新老混凝土的結合性能，在新老混凝土間布置了間距300 mm的防收縮抗剪短筋，在后澆混凝土的底面也布置了防收縮鋼筋（見圖11）。

圖8 組合蓋梁預應力鋼束布置圖

圖9 組合蓋梁骨架鋼筋布置圖

小箱梁負彎矩鋼束及縱向頂底面鋼筋穿過橫梁布置，并對小箱梁端部箍筋進行了適當加強。根據計算，墩頂處立柱縱向主筋加強為2根1束直徑32 mm鋼筋（見圖10）。

3.3 結構分析計算

圖10 第一次澆筑蓋梁斷面配筋

圖11 第二次澆筑蓋梁斷面鋼筋

為真實反應剛構小箱梁上下部結構的受力性能，在常規(guī)剛接梁法對單梁進行分析的基礎上，采用Madis有限元程序的空間梁格模型對上下結構進行復核計算分析，計算模型見圖12，圖13、圖14分別為其1/2跨承載能力組合彎矩及剪力分析結果。其中邊梁正負最大彎矩分別為8 360 kN·m與7 671 kN·m；中梁正負最大彎矩分別為7 954 kN·m與7 497 kN·m；邊梁及中梁最大剪力分別為2 140 kN與1 750 kN。

圖12 空間梁格計算模型

圖13 承載能力組合彎矩包絡圖（1/2跨）(單位：kN·m)

圖14 承載能力組合剪力包絡圖（1/2跨）（單位：kN）

4 結語

寧波市北環(huán)快速路是浙江省第一條城市快速路與軌道交通共建的一體化雙層高架。工程已于2014年10月完成上層快速路系統(tǒng)驗收，并開放交通，目前運營良好，下層軌道交通4號線也已完成主體結構預留。與國內前兩條城市快速路與軌道交通共建的雙層高架相比，寧波市北環(huán)快速路具有上層為連續(xù)結構、采用雙層H型墩及局部采用剛構小箱梁等特點與難點。尤其是剛構小箱梁具有建筑高度低、施工便捷等優(yōu)點，是一種適合于一體化雙層高架的合理橋梁結構型式，具有廣泛的推廣價值，其在工程中的成功應用，對今后類似工程的建設具有很好的指導和借鑒意義。

[1]上海市政工程設計研究總院.寧波市北環(huán)快速路（前洋立交-康莊南路）工程初步設計[Z].2010.

[2]顧民杰,章建慶.上海市共和新路高架工程一體化高架橋墩施工設計[Z].2002.