狹窄地形條件下舊路加寬改造方案研究

孫平凡

（中科路恒工程設(shè)計有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概況

山西省內(nèi)某國道于1995年建成通車，按照二級專用公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，其中項目起點至漳源鎮(zhèn)段長35 km，設(shè)計速度40 km/h，路基寬度9 m，漳源至該項目終點段長 72.5 km，設(shè)計速度 80 km/h，路基寬度12 m，部分路段寬23 m和24.5 m。

為改善國道沿線的交通條件，充分發(fā)揮國道干線公路的功能，擬對該項目進行改擴建。改造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用具有干線功能部分控制出入的雙向四車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)，分起點至漳源鎮(zhèn)、漳源鎮(zhèn)至終點兩段。其中：起點至漳源鎮(zhèn)設(shè)計速度為60 km/h，整體式路基寬度24.5 m、分離式路基寬度2×12.0 m，漳源鎮(zhèn)至終點設(shè)計速度為80 km/h，整體式路基寬度25.5 m、分離式路基寬度2×12.75 m；汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，小橋、涵洞、通道與路基同寬。根據(jù)設(shè)計方案，項目路線方案基本沿既有國道舊路進行，其中K954+530—K954+100段，存在鐵路、省道、國道、大型水庫大壩平行排列，改擴建空間受限嚴(yán)重等問題。既有道路平面位置關(guān)系見圖1。

圖1 既有道路平面位置關(guān)系圖

2 總體設(shè)計原則

a）經(jīng)過對該段道路現(xiàn)場踏勘、調(diào)研可知，采用常規(guī)拓寬方式主要存在以下問題：

（a）既有省道與擬改造國道并行，左側(cè)無加寬空間。

（b）受水庫大壩南側(cè)高擋墻護岸影響，右側(cè)拼接路基將破壞既有水庫護岸基礎(chǔ)。

（c）原路東西兩側(cè)現(xiàn)狀緊鄰某省道和大型水庫及閘房，加寬橋梁墩柱基礎(chǔ)將深入水庫保護區(qū)范圍。

b）結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況及省道管理單位、水庫管理單位意見及相關(guān)并行規(guī)程要求，提出以下設(shè)計原則：

（a）不侵占既有道路的建筑限界。

（b）加寬設(shè)計方案充分考慮場地大小及結(jié)構(gòu)施工對周邊閘房的影響。

（c）滿足水庫預(yù)留的防洪救援通道的通行要求。

（d）在技術(shù)可行前提下，選擇經(jīng)濟性更佳的設(shè)計、施工方案。

3 總體設(shè)計方案

根據(jù)上述設(shè)計原則，進行多方案比選研究，提出左路右橋方案通過該路段，即左幅利用既有國道舊路，右幅采用橋梁形式沿水庫邊緣行進。同時結(jié)合防洪批復(fù)意見，大橋中心樁號調(diào)整為右K954+819，采用（4×30+5×30+4×30+1×50+4×30）m，孔跨布置形式，右前夾角為90°。上部結(jié)構(gòu)第1～3聯(lián)、第5聯(lián)、橋梁橫斷面由5片T梁組成，橋面橫坡由蓋梁橫坡、T梁翼緣板預(yù)制橫坡和橋面混凝土現(xiàn)澆層共同調(diào)整，橫梁也相應(yīng)傾斜。第14跨橋梁橫斷面由整體式單箱雙室直腹板鋼箱梁組成，橋面橫坡由兩側(cè)腹板不等高和橋面混凝土現(xiàn)澆層共同調(diào)整，橫梁也相應(yīng)傾斜。該方案可大幅降低橋長，并解決了水庫大壩南側(cè)高擋墻無法拼接的問題，同時實現(xiàn)了對水庫閘房段的一跨跨越，減少了對水庫防洪救援道路的干擾，對水庫的影響降到最低[1]。大橋的三維效果圖見圖2。

圖2 大橋三維效果圖

設(shè)計中同步采用如下環(huán)保設(shè)計措施。

a）橋梁設(shè)計時，采用橋面徑流收集系統(tǒng)，將橋面水收集到兩端橋臺處理池內(nèi)，不直接排入水庫庫區(qū)，不會對水庫水質(zhì)造成污染。

b）第14跨簡支鋼箱梁兩側(cè)均設(shè)置聲屏障，可以有效減少運營期噪聲對水庫閘房及管理區(qū)的影響。

4 蓋梁設(shè)計研究

為減少對水庫閘房及防洪救援通道通行的干擾，第14跨采用1×50 m簡支鋼箱梁進行跨越，構(gòu)造物邊線距閘房交通橋梁最近距離為9.5 m，鋼箱梁橋下最低凈高應(yīng)不低于5.0 m，完全可以滿足橋下通行要求。為避免對右側(cè)護岸基礎(chǔ)的影響，橋墩承臺基礎(chǔ)向左側(cè)橫向偏移，需要對蓋梁的設(shè)計方案進行比選研究。水庫閘房段橋墩相對位置關(guān)系見圖3。

圖3 水庫閘房段橋墩相對位置關(guān)系圖

4.1 設(shè)計方案一 對稱大懸臂蓋梁

4.1.1 設(shè)計方案

通過回縮橋墩橫向尺寸，外伸懸臂蓋梁避開了護岸基礎(chǔ)墻趾。本方案蓋梁長度為11.8 m，寬度為2.5 m，高度分別為2.2 m（大樁號側(cè)）、2.7 m（小樁號側(cè)），蓋梁懸臂尺寸為4.4 m。橋墩及蓋梁構(gòu)造尺寸見圖4。

圖4 方案一蓋梁構(gòu)造尺寸圖（單位：cm）

4.1.2 蓋梁有限元分析

為計算分析該項目不對稱蓋梁的受力特性，采用桿系有限元軟件模擬墩柱及蓋梁，墩柱底進行固結(jié)模擬，分析模型共計節(jié)點數(shù)254，梁單元數(shù)為232，結(jié)構(gòu)計算模型見圖5所示。

圖5 懸臂蓋梁有限元模型

經(jīng)計算分析，提取結(jié)構(gòu)在不利組合下的荷載效應(yīng)如表1所示。

表1 方案一結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果表

由表1可知蓋梁最大彎矩值為-29 812 kN·m，其控制截面為懸臂根部附近，結(jié)構(gòu)設(shè)計截面抗彎效應(yīng)值為-49 139 kN·m，安全系數(shù)富余度為1.6。最大剪力值為10 140 kN，最大效應(yīng)發(fā)生在墩身交接處，結(jié)構(gòu)設(shè)計斜截面抗剪效應(yīng)為16 900 kN，安全系數(shù)富余度為1.7。結(jié)構(gòu)正截面最大拉應(yīng)力0.16 MPa，斜截面最大拉應(yīng)力為 0.65 MPa，均滿足規(guī)范限值 -1.86 MPa、-1.33 MPa的要求。正截面壓應(yīng)力、斜截面主壓應(yīng)力、短暫狀況應(yīng)力效應(yīng)值分別為5.91 MPa、6.62 MPa、6.93 MPa，均滿足規(guī)范限值 16.20 MPa、19.44 MPa、18.76 MPa 的要求[2]。

4.2 設(shè)計方案二 不對稱懸臂蓋梁

4.2.1 設(shè)計方案

通過橫向擴展墩柱尺寸，橫向移動承臺及基礎(chǔ)尺寸，采用不對稱蓋梁的設(shè)計方式[3]，避開了護岸基礎(chǔ)墻趾。該方案偏心距為2.6 m，蓋梁長度為11.8 m，寬度為2.5 m，高度分別為2.2 m（大樁號側(cè)）、2.7 m（小樁號側(cè)），兩側(cè)不對稱懸臂為1.9 m、4.5 m。橋墩及蓋梁構(gòu)造尺寸見圖6。

圖6 方案二蓋梁構(gòu)造尺寸圖（單位：cm）

4.2.2 蓋梁有限元分析

利用Midas軟件建立有限元桿系模型，考慮墩柱尺寸較大，同步模擬墩身及承臺構(gòu)造，并在承臺底部進行固結(jié)處理。分析模型共計節(jié)點數(shù)234，梁單元數(shù)為213，結(jié)構(gòu)計算模型見圖7所示。

圖7 墩臺蓋梁有限元模型

經(jīng)計算分析，提取結(jié)構(gòu)在不利組合下的荷載效應(yīng)如表2所示。

表2 方案二結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果表

由表2可知蓋梁最大彎矩值為-23 473 kN·m，主要控制截面為右側(cè)懸臂蓋梁根部，結(jié)構(gòu)設(shè)計截面抗彎效應(yīng)值為-521 393 kN·m，安全系數(shù)富余度為2.2。最大剪力值為7 230 kN，最大效應(yīng)發(fā)生在墩身交接處，結(jié)構(gòu)設(shè)計斜截面抗剪效應(yīng)為13 220 kN，安全系數(shù)富余度為1.8。結(jié)構(gòu)正截面最大拉應(yīng)力為0.52 MPa，斜截面最大拉應(yīng)力為0.35 MPa，均滿足規(guī)范限值-1.86 MPa、-1.33 MPa的要求。正截面壓應(yīng)力、斜截面主壓應(yīng)力、短暫狀況應(yīng)力效應(yīng)值分別為6.78 MPa、6.88 MPa、7.36 MPa，均滿足規(guī)范限值 16.20 MPa、19.44 MPa、18.76 MPa 的要求[3]。

4.3 方案對比

針對前述方案的特點，綜合水庫閘房及壩址處基礎(chǔ)的安全距離要求，對上述兩個方案進行對比如表3。

表3 方案比選表

由上述分析可知，兩方案蓋梁構(gòu)造選擇及配束形式均滿足正截面抗彎、斜截面抗剪、抗裂、彈性強度驗算的相關(guān)規(guī)定，并有一定的富裕度。但考慮到方案一墩身截面尺寸較小，抗剪及穩(wěn)定性能較弱，且該項目為重載交通下國省干線改造，重載貨車比例較大，對構(gòu)造物穩(wěn)定性要求高。綜合考慮安全、適用等方面因素，選擇方案二作為跨越水庫閘房及躲避護岸基礎(chǔ)墻趾方案。

5 結(jié)語

針對山西省某國道改擴建工程中路線經(jīng)過水庫段的項目地形特點，研究了左右幅路基加寬的條件，最后提出了半橋半路的改擴建方案。同時考慮水庫閘門的影響及水庫大壩南側(cè)高擋墻無法拼接的問題，采用1-50 m的鋼箱梁方案，并采用不對稱預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂蓋梁和獨柱墩大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁的設(shè)計方案進行了比選研究，避免了對水庫大壩南側(cè)高擋墻地址的侵占，滿足了橋梁所在區(qū)域內(nèi)地面復(fù)雜交通功能的需求，節(jié)省了城鎮(zhèn)空間區(qū)域。通過有限元驗算可知，獨柱墩大懸臂蓋梁方案截面彎矩、剪力、拉應(yīng)力效應(yīng)較不對稱懸臂蓋梁方案大。綜合考慮安全、適用等方面因素，選擇不對稱懸臂蓋梁方案作為跨越水庫閘房及躲避護岸基礎(chǔ)墻趾方案，且驗算可知蓋梁的承載力及應(yīng)力的驗算指標(biāo)，均滿足受力要求，方案切實可行。通過對半橋半路的加寬設(shè)計方案及不對稱預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂蓋梁的設(shè)計技術(shù)研究，對于今后穿越同類狹窄地區(qū)高速公路及國省道改擴建工程設(shè)計具有較高的參考價值和借鑒意義。