復(fù)雜建設(shè)條件下繞城高速互通橋梁設(shè)計(jì)

顏心園, 王 琳, 施文杰

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司；公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,安徽 合肥 230088)

1 工程背景

合肥繞城高速集賢路互通立交工程是合肥繞城高速新增的互通立交，位于繞城高速公路與集賢路(城市快速路)交叉處。項(xiàng)目的建設(shè)，不僅能夠緩解相鄰兩座互通立交的交通壓力、提高高速公路運(yùn)行效率；而且能夠改善互通周邊城市道路的快速出行。

作為銜接高速公路與城市快速路的互通立交，集賢路互通路交面臨如下制約因素：繞城高速上跨合九鐵路立交橋、互通周邊廠房建筑群、集賢路快速化規(guī)劃、城市支路網(wǎng)等(圖1)。

圖1 繞城高速區(qū)域鳥瞰圖

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 互通立交方案

針對(duì)現(xiàn)狀區(qū)域局促的建設(shè)條件和控制因素，借鑒其他繞城高速類似條件互通立交成功經(jīng)驗(yàn)，最終采用變形雙喇叭全互通立交方案[1-3]。本方案充分利用高速公路兩側(cè)綠廊有限的空間，進(jìn)出口收費(fèi)廣場(chǎng)分別設(shè)置在高速公路兩側(cè)，巧妙地實(shí)現(xiàn)無拆遷條件下緊湊區(qū)域的緊湊布線。

2.2 互通橋梁總體方案

互通立交范圍內(nèi)，主線雙向八車道高速公路長(zhǎng)約1.533 km，新建匝道全長(zhǎng)約6.518 km，其中C、D匝道下穿高速公路，F(xiàn)匝道上跨集賢路，G匝道上跨繞城高速和集賢路，A、B匝道依次上跨C、D匝道和香樟大道。

本項(xiàng)目共新建：主線橋梁80 m，1座；匝道橋1 573.7 m，5座；主線老橋利用拼寬橋梁16 m，1座；涵洞15道。限于篇幅，論文僅以G匝道橋梁為例(圖2)。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)自然條件、施工難易、造價(jià)及整體景觀等制約因素，確定合理的橋梁設(shè)計(jì)方案[4-6]。G匝道橋梁跨徑布置為：2×(4×25)+57.3+(20+22+18.2+16.1+17)+(30+2×25) m，全長(zhǎng)430.6 m。跨繞城高速主橋上部結(jié)構(gòu)為鋼桁架梁橋，其余為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁[7]。

圖2 G匝道橋總體布置圖

3 細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 跨繞城高速橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)G匝道縱坡及上跨繞城高速凈空高度要求，上跨繞城高速橋梁主梁高度不能大于1.8 m；同時(shí)原繞城高速合九鐵路分離立交橋中央分隔帶中間縫寬1.0 m，且主梁外側(cè)設(shè)置了通訊箱，不能設(shè)置橋墩，使得必須一跨跨越繞城高速合九鐵路分離立交橋，橋梁跨徑約為56 m。考慮到以上限制因素，綜合分析比較了鋼箱梁橋、拱橋、鋼桁架橋等方案，主跨最終采用1孔57 m低高度鋼桁架梁橋[8-10]。

上跨原繞城高速鐵路橋的鋼桁架橋，位于R=130 m平曲線上，采用彎橋直做，即鋼桁梁防撞護(hù)欄按道路平曲線布置。

主桁采用無豎桿華倫式體系，節(jié)間長(zhǎng)度3.4 m，主桁高度7.2 m(含主梁)。兩片主桁橫向距離為15.2 m，橋面行車道寬度10.5 m。

上弦桿采用φ800單圓鋼管混凝土，壁厚18 mm；下弦桿為等截面矩形鋼箱，跨中段尺寸為1.2 m(寬)×2.0 m(高)，端部弦桿尺寸為1.2 m(寬)×2.5 m(高)。端斜桿采用壁厚20 mm的φ600鋼管混凝土結(jié)構(gòu)；中間斜腹桿采用φ600鋼管，壁厚分20 mm、14 mm和12 mm三種。

主橋橋面系為正交異性橋面板，荷載經(jīng)橫梁傳遞至下弦桿；端橫梁為箱型橫梁，中橫梁為倒T型橫梁，中橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為3.4 m，腹桿與下弦桿結(jié)合處與下弦桿節(jié)點(diǎn)板焊接，節(jié)點(diǎn)板與箱型下弦內(nèi)部?jī)蓚€(gè)橫隔板連接，通過橫隔板將荷載傳遞到桁架下弦的腹板上(圖3、圖4)。

圖3 桁架橋立面布置圖(單位：cm)

圖4 桁架橋橫斷面布置圖(單位：cm)

3.2 跨城市快速路橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

現(xiàn)狀集賢路為城市主干道，下穿合九鐵路繞城高速上跨橋。依據(jù)合肥市規(guī)劃，集賢路遠(yuǎn)期改造為城市快速路。為保障集賢路無障礙快速通行需要，G匝道第四、五聯(lián)橋梁設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了集賢路主、輔道及H匝道的凈空要求。兩聯(lián)跨徑不同，考慮到市政橋梁景觀要素，兩聯(lián)橋梁主梁采用統(tǒng)一的梁高，高1.8 m?，F(xiàn)澆箱梁頂板寬10.5 m，底板寬6.5 m。為提高曲線段匝道橋的抗傾覆性能，橋梁下部結(jié)構(gòu)每一聯(lián)均設(shè)置一個(gè)固接墩，其余橋墩為雙柱墩。

3.3 全封閉式隔音棚橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

依據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告要求，繞城高速采用聲屏障+封閉式隔聲棚、隔聲窗、降噪林等環(huán)境保護(hù)措施降低噪聲污染。G匝道第四聯(lián)尾跨和第五聯(lián)橋梁設(shè)置全封閉式隔音棚(圖5)，以減少項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)營(yíng)對(duì)沿線環(huán)境的負(fù)面影響。

圖5 全封閉隔音棚完成后橋梁實(shí)景圖

封閉式隔音棚側(cè)面及頂部透明板采用15 mm加筋亞克力板,周邊采用鋁合金型材邊框；金屬吸隔聲板外殼采用鋁合金板，厚度1.5 mm，表面鈍化后噴塑；內(nèi)部填充高性能吸音材料。橋上封閉式隔音棚設(shè)置在現(xiàn)澆箱梁防撞護(hù)欄上，寬度10 m，高度6.33 m，橋梁上部投影高度共計(jì)9.43 m。橋梁設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮橋梁自身的恒載和活載外，尚需計(jì)入曲線匝道橋偏心及偏載、全封閉式隔音棚傳遞荷載與作用。常規(guī)構(gòu)造尺寸已不能滿足設(shè)計(jì)要求，為此對(duì)第四聯(lián)和第五聯(lián)箱梁進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)(圖6)：

圖6 墩頂處箱梁斷面圖(單位：cm)

(1)為提高結(jié)構(gòu)整體剛度和承載力，現(xiàn)澆箱梁梁高加至1.8 m；同時(shí)箱梁懸臂翼緣根部加高至70 cm。

(2)為提高風(fēng)荷載和曲線段偏載下橋梁抗傾覆性能和抗扭性能，第五聯(lián)箱梁設(shè)置一處固接墩，橋臺(tái)處采用雙支座，同時(shí)另外兩個(gè)橫梁加寬至與主梁等寬，支座橫向距離加大至8.7 m。

(3)下部結(jié)構(gòu)也相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，由常規(guī)雙柱墩優(yōu)化為矩形雙柱接蓋梁，墩柱接承臺(tái)樁基礎(chǔ)。雙柱橋墩采用1.8 m×1.8 m矩形截面，固接墩根部尺寸為1.2 m×1.8 m。橋墩采用型鋼混凝土，以提高墩柱承載力和耐久性。

3.4 橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

跨繞城高速主橋過渡墩采用三柱式墩接蓋梁接承臺(tái)樁基；跨集賢路第四聯(lián)橋梁，考慮橋下凈空、綠化帶及中分帶等合理布置橋墩，設(shè)置一個(gè)獨(dú)柱固接墩和一個(gè)獨(dú)柱雙支座墩；上跨H匝道和集賢路輔道的第五聯(lián)橋梁設(shè)置一個(gè)固定墩；其余橋墩均為雙柱墩。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

運(yùn)用MIDAS Civil對(duì)跨線主橋進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工工序進(jìn)行有限元模擬分析(圖7)。

圖7 橋梁有限元模型

桁架橋計(jì)算結(jié)論如下：

(1)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合工況下，上弦桿鋼管最大應(yīng)力158 MPa，腹桿最大應(yīng)力151 MPa，下弦桿最大應(yīng)力104 MPa，橫梁最大應(yīng)力170 MPa，均小于設(shè)計(jì)值，滿足規(guī)范要求。

(2)在汽車活載作用下，鋼桁架橋下弦桿最大最小豎向位移和為12 mm

5 結(jié)束語(yǔ)

2018年3月，集賢路互通立交工程正式投入運(yùn)營(yíng)，有效改善區(qū)域城市出行壓力，提高了高速公路運(yùn)行效率，取得良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，本項(xiàng)目的成功落成和運(yùn)營(yíng)，具有一定的借鑒意義：

圖8 建成后的集賢路互通全景圖

(1)面對(duì)現(xiàn)狀區(qū)域局促的建設(shè)條件和控制因素，因地制宜，成功運(yùn)用變形雙喇叭全互通立交方案，為類似互通立交提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

(2)跨線低高度桁架橋，具有低高度、便于快速施工等特點(diǎn)，可有效減小橋梁整體規(guī)模、減小造價(jià)、縮短工期。它不僅在互通立交跨線橋梁發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)平原區(qū)公路和市政立交橋設(shè)計(jì)有較強(qiáng)的借鑒意義。

(3)針對(duì)市政跨線橋梁，橋下受限因素較多，應(yīng)因地就勢(shì)合理落墩。曲線匝道橋應(yīng)盡可能少用或不用獨(dú)柱墩；不得已必須要采用獨(dú)柱墩時(shí)，可考慮采用固接墩或者獨(dú)柱墩設(shè)置雙支座，并加強(qiáng)抗傾覆計(jì)算。

(4)本項(xiàng)目G匝道設(shè)置封閉式隔音棚橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其他環(huán)境敏感區(qū)同類橋梁設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)參考價(jià)值。