城市快速路高架橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

徐聰

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京210000）

1 引言

為減少交通指示燈，達(dá)到保障城市快速路通行連續(xù)性的目的，會在城市道路路口修建立交橋，甚至全線采用橋梁，以易于封閉管理，并且能夠節(jié)省用地，避免線路交織干擾。高架橋主要由高支撐柱作為橋梁支承結(jié)構(gòu)。高架橋包括多種結(jié)構(gòu)形式，如槽形梁、板梁、箱梁等，不同結(jié)構(gòu)各具優(yōu)勢。其中，對于城市快速路箱梁高架橋，非常有利于進(jìn)行橋梁建筑凈空的控制，還能減少工程量，本身有著良好的適用性，既可作為區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)路段，也可用于曲線、變寬、出入口路段[1]。這種高架橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力性好，外觀線形流暢、美觀，且相應(yīng)的施工技術(shù)也比較成熟，得到了廣泛的應(yīng)用。

2 案例概況

現(xiàn)有某城市機(jī)場快速路高架橋工程，二期工程全長1 286.99 m，涉及的二期高架橋梁僅391.8 m，該橋梁結(jié)構(gòu)共4聯(lián)，主線橋?qū)挾龋?.55 m（護(hù)欄）+12.0 m（行車道）+0.6 m（中央分隔帶）+12.0 m（行車道）+0.55 m（護(hù)欄）=25.7 m，橋面設(shè)雙向橫坡，坡度為1.5%?？紤]城鄉(xiāng)接合區(qū)域的交通類型復(fù)雜，運(yùn)營期間管控難度大，故橋梁設(shè)計(jì)荷載按公路-I級計(jì)算，按城-A級復(fù)核。地震動峰值加速度0.05g，地震基本烈度6度。橋梁抗震設(shè)防類別為乙類，按7度進(jìn)行抗震措施設(shè)計(jì)。橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100 a。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級為一級。耐久性設(shè)計(jì)環(huán)境類別為I類。

3 案例結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算原則

1）永久作用。鋼材重度為78.5 kN/m3，鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土重度為26.25 kN/m3，瀝青混凝土重度為25 kN/m3；基礎(chǔ)變位作用計(jì)算時，按隔墩沉降1 cm考慮；在計(jì)算混凝土的收縮及徐變作用、預(yù)加力時，按照J(rèn)TG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算?？椎滥ψ柘禂?shù)μ和偏差系數(shù)k分別取值0.17、0.001 5。

2）可變作用。汽車荷載為公路-I級，并按城-A進(jìn)行復(fù)核，并按實(shí)際車道考慮車道折減的影響；針對汽車制動力、沖擊力及溫度作用，按照J(rèn)TG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

3）作用效應(yīng)組合。基本組合一為“永久作用＋汽車荷載”，基本組合二為“永久作用＋汽車荷載＋溫度作用＋汽車制動力”。對于上述兩種基本組合，在實(shí)際計(jì)算時，分別按承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)、持久狀況和短暫狀況構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算方式來完成對結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算。其中，A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)按作用短期效應(yīng)組合（頻遇組合）和作用長期效應(yīng)組合（準(zhǔn)永久組合）分別做抗裂驗(yàn)算。

4）預(yù)應(yīng)力類型。箱梁縱向及箱梁橫梁按照A類預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)；箱梁腹板、底板及頂板按照鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主線橋上部結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，均采用了斜腹板式等寬等高箱梁，跨徑3×35 m+3×30.3 m。箱梁采用單箱四室斷面，梁高2.2 m，頂寬25.5 m，底寬16.78 m；頂板厚25 cm，底板厚25～55 cm，腹板厚45～65 cm，邊腹板斜率設(shè)計(jì)為1.235∶1。兩側(cè)懸臂長度取3 m，懸臂端部厚度20 cm，懸臂根部厚度50 cm。箱梁橫坡設(shè)計(jì)1.5%，通過頂板傾斜而成，箱梁底板與頂板平行。邊腹板外側(cè)面與懸臂根部、底板下邊緣，采用了圓倒角處理方式。端橫梁、中橫梁厚度分別為1.5 m、2.5 m。梁底設(shè)置橫向抗震擋塊。

箱梁內(nèi)布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，橫梁內(nèi)布置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。主梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用15-φs15.2、12-φs15.2及9-φs15.2三類鋼絞線，鋼絞線的抗拉強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，錨下張拉控制應(yīng)力為σcon=1 339 MPa。所有預(yù)應(yīng)力鋼絞線均采用高密度聚乙烯塑料波紋管成孔。腹板束采用15-φs15.2鋼絞線，錨固于梁端箱梁頂面；頂板束采用12-φs15.2、9-φs15.2鋼絞線，錨固于梁端；頂板負(fù)彎矩束采用12-φs15.2鋼絞線，錨固在頂板梗肋鋸齒塊上；底板束采用12-φs15.2鋼絞線，錨固在底板梗肋鋸齒塊上。墩頂橫梁采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力采用15-φs15.2鋼絞線。

3.3 支座布置

梁底采用球形鋼支座。支座距道路中心線橫向距離為4 m，箱梁底部設(shè)置支座預(yù)埋鋼板。從防腐角度考慮，預(yù)埋鋼板采用耐候鋼板。為了以后支座維護(hù)更換方便，所有支座與梁體采用套筒螺栓連接。有關(guān)球形支座技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等，應(yīng)滿足現(xiàn)行GB/T 17955—2009《橋梁球形支座》的相關(guān)要求。

3.4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主線高架橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，橋墩采用雙柱花瓶形墩[2]，橋臺采用直壁式橋臺。橋墩單個立柱柱底尺寸1.8 m×2.2 m，墩頂尺寸為2.4 m×2.2 m，過渡墩順橋向增大。在柱間設(shè)置一道橫系梁，主要目的是增加橋墩的橫向穩(wěn)定性。在橋墩下方設(shè)置矩形承臺，承臺尺寸為10.0 m×6.25 m，高3.0 m。橋墩基礎(chǔ)采用6根直徑為150 cm的鉆孔灌注樁。橋臺承臺高度2.0m。橋臺基礎(chǔ)采用9根直徑為120 cm的鉆孔灌注樁，采用梅花形布置。在橋臺后，設(shè)置側(cè)墻與鋼筋混凝土搭板。

3.5 附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）防撞護(hù)欄與中央分隔墩：兩外側(cè)各設(shè)置1道SS級防撞墻，中央設(shè)置SSm級中央分墩，均高于橋面鋪裝面以上1.1 m。（2）橋面鋪裝：采用4 cmAC-13細(xì)粒式瀝青混凝土（SBS改性）+6 cmAC-20C中粒式瀝青混凝土（SBS改性）＋防水層＋8 cmC50鋼筋混凝土。（3）伸縮縫：各聯(lián)之間采用D160型梳齒板伸縮縫；在箱梁端部與橋臺背墻處，采用D80型。（4）橋面排水：采用集中排水方式，每孔梁的泄水孔設(shè)置在橋面較低端橋墩處，橫向兩側(cè)各設(shè)置一套泄水孔，匝道僅單側(cè)設(shè)置一套；雨水通過縱坡及橫坡收集于橋墩處的集水井內(nèi)，再通過箱梁翼緣內(nèi)預(yù)埋的泄水管及梁底、橋墩泄水管排至城市雨水系統(tǒng)。（5）搭板：橋臺后設(shè)置長度8 m的鋼筋混凝土搭板，減輕橋頭跳車。

4 思路歸納分享

由上述案例可以看出，城市快速路高架橋設(shè)計(jì)涉及各方面細(xì)節(jié)的考量、比選，但大致可以歸為上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)三大塊。對工程項(xiàng)目的各部位設(shè)計(jì)方案和具體取值，必須嚴(yán)格遵循相關(guān)現(xiàn)行國家規(guī)范的規(guī)定。在結(jié)構(gòu)形式的選擇方面，應(yīng)積累足夠的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，多總結(jié)歸納不同地區(qū)、不同跨徑、不同結(jié)構(gòu)類型的材料指標(biāo)、力學(xué)指標(biāo)，方能利用更短的時間，擬定更加合理的結(jié)構(gòu)方案。此外，根據(jù)多個項(xiàng)目的實(shí)踐情況，總結(jié)如下思路心得和基本注意事項(xiàng)：

1）城市快速路與高架橋設(shè)計(jì)首先應(yīng)以《市政公用工程設(shè)計(jì)文件編制深度要求》（2013年版）和CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（2019年版）為準(zhǔn)則，有條理地開展推進(jìn)。

2）城市快速路高架橋項(xiàng)目，路、橋?qū)I(yè)間的溝通更為重要、更加頻繁，必須互相對接、反復(fù)調(diào)整，而非單純的橋梁專業(yè)服從道路專業(yè)。例如，道路專業(yè)初定了匝道口、變寬段的位置后，將總體平面圖、縱斷面設(shè)計(jì)圖發(fā)送給橋梁專業(yè)，橋梁再根據(jù)結(jié)構(gòu)是否可行、布跨能否合理等因素，反饋給道路專業(yè)進(jìn)行調(diào)整。同理，道路交通安全設(shè)施、項(xiàng)目給排水等專業(yè)對道路、橋梁的方案也會有所制約，需要加強(qiáng)溝通、對接。

3）高架橋的橋下凈空高度和寬度不應(yīng)僅滿足規(guī)范最低標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)結(jié)合各種實(shí)際情況。例如，高架橋下交通狀況，高架橋下交通量類型，工程項(xiàng)目當(dāng)?shù)氐墓こ虘T例和人文習(xí)慣，比如，人行橫道和調(diào)頭車道是設(shè)置在主跨范圍下方還是邊跨范圍下方，高架橋主梁的正下方是否有上下并行路段等因素。以橋上和橋下的交通安全性、舒適性為原則進(jìn)行反復(fù)斟酌、比選，必要時適當(dāng)增加橋梁跨徑和凈空高度，以免高架橋下的交叉口車輛視野受限。同時，避免并行路段的高架橋下方存在明顯的壓抑感。值得注意的是，高架橋下的交叉口凈空高度控制位置應(yīng)當(dāng)根據(jù)通過交叉口的轉(zhuǎn)彎車輛行駛彎道軌跡確定。

4）高架橋的橋頭路橋分界高度，與綠化帶是否回填至輔道同高度有關(guān)，與輔道路基的狀況也有關(guān)。

5）根據(jù)城市快速路輔道和主線的交通組織設(shè)計(jì)需要，地面的車道可能會呈現(xiàn)出蜿蜒變化的形態(tài)，地面輔道的分隔帶位置和寬度也將隨之變化多樣，布設(shè)高架橋梁方案時，需要核查下部結(jié)構(gòu)是否侵占了地面的行車道，宜盡量利用地面輔道的中央分隔帶、側(cè)分帶來設(shè)置高架橋的橋墩。較為常見的布置形式有中央分隔帶設(shè)置主墩+側(cè)分帶設(shè)置輔墩的，也有兩側(cè)分隔帶聯(lián)合設(shè)置門式墩的，比選時的原則就是應(yīng)當(dāng)與交通組織設(shè)計(jì)相匹配。當(dāng)上方高架橋梁橋面較寬，或高架橋下空間受限、分隔帶內(nèi)無法設(shè)置高架橋墩時，可考慮加長高架橋上部結(jié)構(gòu)橫梁，延伸至地面輔道寬度范圍以外，從而將高架橋墩設(shè)置在輔路邊線以外，但這樣將一定程度上影響項(xiàng)目整體景觀效果。

6）在城市快速路與高架橋項(xiàng)目中，前期搜集物探資料尤為重要。應(yīng)仔細(xì)核對物探資料，與相關(guān)設(shè)計(jì)專業(yè)、甲方相關(guān)部門、現(xiàn)有埋置構(gòu)筑物所涉及的管養(yǎng)單位溝通，逐一明確所有現(xiàn)狀管線、構(gòu)筑物是否遷改。涉及的常見構(gòu)筑物一般有各級別的區(qū)域供電線路、燃?xì)夤艿?、供水管道、雨水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)、市政設(shè)施供電線路、通信光纜、軍用光纜等。若存在無法遷改的，高架橋梁方案擬定時應(yīng)設(shè)法避讓，滿足安全距離。橋梁結(jié)構(gòu)與上述管線、構(gòu)筑物的安全距離應(yīng)以相關(guān)管線、構(gòu)筑物所歸屬的行業(yè)規(guī)范為準(zhǔn)，同時符合其管養(yǎng)單位出臺的條例規(guī)定。

7）各項(xiàng)因素都影響著橋跨布設(shè)，而聯(lián)跨的布置方案又決定著結(jié)構(gòu)如何選型、選材。目前，江蘇地區(qū)最常見的、最簡單的高架橋梁結(jié)構(gòu)形式，是以變高度預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)箱梁、或簡支鋼箱梁、或連續(xù)鋼箱梁跨越交叉口，以等高度預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁、裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁作為標(biāo)準(zhǔn)段。

8）橋跨布設(shè)時，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先關(guān)注關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如交叉口、匝道口、變寬段。關(guān)鍵點(diǎn)的方案確定以后，其他區(qū)段的跨徑分配服從關(guān)鍵點(diǎn)，按此原則調(diào)整聯(lián)跨布置和選擇結(jié)構(gòu)形式、材料。與此同時，還應(yīng)當(dāng)歸并類型，盡量減少結(jié)構(gòu)種類。

9）高架橋的承臺埋深與中央分隔帶、側(cè)分帶的寬度有關(guān)，也與現(xiàn)狀地下管線、規(guī)劃地下管線的走向、埋深有關(guān)。分隔帶以內(nèi)的，埋深大于0.5 m即可；超出分隔帶、侵入行車道的，為保證地面輔道的路基質(zhì)量，承臺需增加埋深至1.5 m以下；承臺上有管線的，應(yīng)根據(jù)管線的覆土要求，適當(dāng)增大埋深。

10）應(yīng)當(dāng)充分了解和尊重當(dāng)?shù)毓こ虘T例、人文習(xí)慣等社會因素。

11）在項(xiàng)目開展前期，要搜集齊全各項(xiàng)設(shè)計(jì)依據(jù)。例如，航道等級批復(fù)函、航道影響性評價報(bào)告、防洪影響性評價報(bào)告、環(huán)境影響性評價報(bào)告，都應(yīng)在高架橋梁（尤其涉水橋梁）方案擬定前進(jìn)行充分考慮，并與建設(shè)單位、航道部門、水利部門、咨詢單位等盡早溝通。

12）高架橋方案擬定前，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人應(yīng)熟悉項(xiàng)目的總體情況，羅列出所有關(guān)鍵信息和注意事項(xiàng)，明確技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，找準(zhǔn)項(xiàng)目定位和設(shè)計(jì)思路。在對各類橋型結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和數(shù)量指標(biāo)有足夠積累的前提下，確定成熟可行的方案，最后再組織開展結(jié)構(gòu)的細(xì)部計(jì)算和繪圖。

5 結(jié)語

由此可見，城市快速路高架橋設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為系統(tǒng)的、復(fù)雜的工作。平時需要加強(qiáng)對大量工程案例的分析。在項(xiàng)目實(shí)際開展過程中從多方面把控，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理，真正提高城市交通的運(yùn)行效率，使得世界更通達(dá)，城市更宜居。