立交“褲衩”橋梁高程設(shè)計(jì)與施工控制

王林凱,邱體軍

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230000;2.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 230000)

隨著國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,日益增多的高速及市政公路等公共基礎(chǔ)的建設(shè)進(jìn)一步完善地區(qū)之間的聯(lián)系和交流,持續(xù)改善人民生活品質(zhì)。隨著高速及市政主干線的逐年建成,路線交叉越來越多,互通立交設(shè)置也隨之增加。一方面,市政公路中的互通立交能夠在有限的空間內(nèi),保證市區(qū)車輛快速、安全地通過交叉口;另一方面,高速公路中的互通立交能夠使得當(dāng)?shù)氐能囕v快速地出入高速,有效地帶動(dòng)一方經(jīng)濟(jì),促進(jìn)地方發(fā)展。

立交中的橋梁主要注意包括曲線梁橋的設(shè)計(jì)方法、橋墩穩(wěn)定性、預(yù)應(yīng)力的鋼束布置及異形橋梁混凝土箱梁橋的設(shè)計(jì)[1]。立交現(xiàn)澆橋梁施工過程中,主要注意施工方案[2],橋面鋪裝施工[3,4]和豎曲線對(duì)橋面高程的影響[5,6]。但是較少工程師關(guān)注立交現(xiàn)澆橋梁中的橋面高程設(shè)計(jì)與施工控制問題。

高速及市政公路中主線橋與匝道橋分合流點(diǎn)位置的橋梁一般稱之為“褲衩”橋。互通立交中的“褲衩”橋梁設(shè)計(jì)一般比較繁瑣,隨著設(shè)計(jì)行業(yè)競爭的日益惡劣[7,8],橋梁設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)任務(wù)逐年加重,加之設(shè)計(jì)及施工行業(yè)環(huán)境以及管理等問題,導(dǎo)致實(shí)際設(shè)計(jì)施工過程中,“褲衩”橋梁的設(shè)計(jì)后續(xù)服務(wù)和變更問題尤為嚴(yán)重,以控制高程不正確,“褲衩”橋與匝道橋銜接不上導(dǎo)致分跨線位置錯(cuò)臺(tái)錯(cuò)位等質(zhì)量問題居多。綜上所述,“褲衩”橋梁的相關(guān)高程設(shè)計(jì)和施工控制應(yīng)引起足夠的重視。

在介紹常見的“褲衩”橋梁高程設(shè)計(jì)錯(cuò)誤后,研究分析互通立交中大鼻端“褲衩”箱梁的橋面高程設(shè)計(jì),最后介紹一種施工過程中“褲衩”箱梁高程問題補(bǔ)救方案,以期對(duì)后續(xù)“褲衩”橋梁的設(shè)計(jì)及施工變更方案起到一定的借鑒作用。

1 橋梁縱斷面高程及橫坡計(jì)算

高速公路及市政高架豎曲線一般以二次拋物線為主。如圖1所示,x軸表示里程樁號(hào),y軸表示豎曲線高程。坡度為i1的直線與坡度為i2的直線采用半徑為R的豎曲線過渡,如圖1所示。QD點(diǎn)為豎曲線起點(diǎn);ZD點(diǎn)為豎曲線終點(diǎn);JD為兩條直線的交點(diǎn);T為豎曲線切線長度,表示起點(diǎn)QD與交點(diǎn)JD的里程差值;E為豎曲線外距,表示交點(diǎn)JD到豎曲線的距離;L表示豎曲線里程長度。

圖1 道路豎曲線要素

圖2 橋面屋脊線示意

圖3 “褲衩”外高程控制點(diǎn)示意(單位:cm)

根據(jù)路線知識(shí),豎曲線里程長度L根據(jù)坡度變化和曲線半徑R確定

L=R|i2-i1|=2T

(1)

曲線上點(diǎn)距離第一段直線點(diǎn)的高程差值△y1與距離起點(diǎn)的里程距離△x1值的關(guān)系為

(2)

同理,交點(diǎn)JD與ZD的曲線上的點(diǎn)與第二段直線點(diǎn)的高程差值△y2可以用計(jì)算點(diǎn)與曲線終點(diǎn)的里程距離△x1值的關(guān)系為

(3)

這樣就可以先根據(jù)線性計(jì)算,獲取交點(diǎn)線上的直線高程,再通過公式(2)、公式(3)獲取某一樁號(hào)位置處豎曲線和直線間高差,兩者疊加得到豎曲線上的設(shè)計(jì)高程。

路線設(shè)計(jì)文件采用樁號(hào)+高程+半徑的交點(diǎn)設(shè)計(jì)信息文件,可以按表1所示。

表1 縱斷面設(shè)計(jì)文件

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以獲取曲線坡度和曲線切距。

ij-1-j=(Hj-Hj-1)/(Zj-Zj-1)

(4)

Tj-1-j=abs(ij-1-j-ij-j+1)Rj/2

(5)

式中:ij-1+j為控制點(diǎn)j-1和控制點(diǎn)j之間的交點(diǎn)直線斜率;Tj-1-j為控制點(diǎn)j-1和控制點(diǎn)j之間的切距,m。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況,j一般從2開始。

截面橫坡一般采用線性過渡,通過進(jìn)行線性插值即可獲取某一樁號(hào)位置處的截面橫坡設(shè)計(jì)值。

2 道路分合流位置的屋脊線

道路分合流位置兩條設(shè)計(jì)線對(duì)橋面高程均有影響,會(huì)在兩條設(shè)計(jì)位置處形成一條高度峰值線,橋梁上稱之為屋脊線,路面上也稱之為路拱線。

兩條高程設(shè)計(jì)線中間的屋脊線上的任一點(diǎn)O具有以下特點(diǎn)。

過O點(diǎn)作兩條設(shè)計(jì)線的垂線,記作交點(diǎn)A、B。通過A點(diǎn)在設(shè)計(jì)線1處的樁號(hào)獲取A點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程Za和設(shè)計(jì)橫坡ia,通過B點(diǎn)在設(shè)計(jì)線2處的樁號(hào)獲取B點(diǎn)的設(shè)計(jì)高程Zb和橫坡ib,O點(diǎn)與A點(diǎn)之間的距離記作LA,O點(diǎn)與B點(diǎn)之間的距離記作LB,則屋脊線上任意O點(diǎn)滿足以下等式

Za+LA×ia=Zb+LB×ib

(6)

屋脊線上側(cè)橋面可以按設(shè)計(jì)線1控制設(shè)計(jì)高程,屋脊線下側(cè)橋面可以按設(shè)計(jì)線2“褲衩”設(shè)計(jì)高程。

3 “褲衩”橋常見設(shè)計(jì)施工問題

廣東云茂高速木九山樞紐互通AK1匝道橋上部結(jié)構(gòu)為小箱梁,下部結(jié)構(gòu)為樁柱式帶蓋梁基礎(chǔ),AK1匝道在鼻端處分叉為A匝道和C匝道橋。A匝道橋4#墩與CK0匝道橋0#墩共用下部結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)師以AK1匝道橋橋面高程點(diǎn)a為基礎(chǔ),通過a點(diǎn)到b點(diǎn)的距離和a點(diǎn)處的設(shè)計(jì)橫坡推算b點(diǎn)標(biāo)高,而C匝道0號(hào)墩上的橋面設(shè)計(jì)高程以C匝道設(shè)計(jì)標(biāo)高計(jì)算,這樣導(dǎo)致0#左側(cè)“褲衩”箱梁和C匝道橋橋面高程在b點(diǎn)相差18 cm。施工單位架梁完成后,發(fā)現(xiàn)“褲衩”分跨線位置處,兩側(cè)橋面高程存在較大的高差錯(cuò)位,呈現(xiàn)出明顯的錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。

顯然,這是設(shè)計(jì)方設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致的工程問題。正確的設(shè)計(jì)方法是b點(diǎn)應(yīng)采用C匝道設(shè)計(jì)線進(jìn)行高程計(jì)算,蓋梁做成折線型或者通過加高支座墊石的方法消除“褲衩”主線和C匝道接頭部分的高程差值。

實(shí)際工程中,這種高程問題時(shí)有發(fā)生。橋梁設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)不足或者工作管理等問題導(dǎo)致設(shè)計(jì)圖紙有誤,施工單位在復(fù)測放樣時(shí),未考慮多條設(shè)計(jì)線的影響,不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)高程錯(cuò)誤,從而導(dǎo)致架梁或者澆完梁后出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)錯(cuò)位等工程質(zhì)量問題。

4 大鼻端“褲衩”橋梁設(shè)計(jì)

G4012黃山至千島湖段高速互通橋梁方案中,主線橋分流出C匝道橋,橋梁布孔線與“褲衩”接頭位置相差較遠(yuǎn),達(dá)到7.2 m,屬于大鼻端“褲衩”橋梁。

“褲衩”橋上部結(jié)構(gòu)為3×30 m現(xiàn)澆箱梁,分跨線位置主線樁號(hào)為K69+723.5,C匝道樁號(hào)為CK0+159。主線橋幅寬度為16.75 m,設(shè)計(jì)高程位置距離設(shè)計(jì)線1 m;C匝道橋幅寬度為9 m,設(shè)計(jì)線距離外邊緣線7.25m,設(shè)計(jì)高程為設(shè)計(jì)線位置。

主線及C匝道橋所處段的縱斷面交點(diǎn)和超高設(shè)置分別如表2和表3所示。

表2 主線縱斷面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

表3 C道縱斷面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

主線不設(shè)置超高,路線橫坡均為2%,C匝道超高按表4進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表4 C匝道橫坡設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

“褲衩”橫梁寬度2 m。“褲衩”橋鼻端外,因?yàn)椤把濕谩毕淞旱臋M梁折線線型固定,分跨線折線交點(diǎn)位置不滿足屋脊線上點(diǎn)的特征,通過設(shè)置單一的屋脊線無法進(jìn)行“褲衩”橋鼻端外的橋面高程。

因此,先以C匝道橋內(nèi)邊緣線為一確定虛擬屋脊線,根據(jù)設(shè)計(jì)縱斷面數(shù)據(jù),9 m寬匝道內(nèi)輪廓線邊緣處點(diǎn)A的高程為HA=HO+i0dOA=43.158 m,以主線高程控制點(diǎn)為起點(diǎn),沿設(shè)計(jì)線按主線橫坡2%進(jìn)行放樣,放樣距離L為(43.524-43.158)/0.02=18.3 m,沿分跨線放樣至點(diǎn)C,此時(shí)C點(diǎn)橋面高程值已經(jīng)達(dá)到屋脊線峰值高程43.158 m,其余分跨線上位置均按43.158 m高程設(shè)計(jì)。

同理,鼻端外其他位置的橋面高程放樣可按下列流程進(jìn)行。

(1)以鼻端外屋脊線延伸線為基準(zhǔn)線,每隔0.5 m作C匝道設(shè)計(jì)線垂線獲取交點(diǎn)W1;以W1為基準(zhǔn)點(diǎn),放樣出9 m匝道橋幅范圍的橋面高程點(diǎn),記作9 m橋幅內(nèi)邊緣線高程為Z1。

(2)以鼻端外屋脊線延伸線為基準(zhǔn)線,每隔0.5 m同時(shí)作主線設(shè)計(jì)線垂線獲取交點(diǎn)W2;以W2為基準(zhǔn)點(diǎn),沿垂線放樣至橋面高程等于Z1值。

(3)兩條垂線中間存在等高帶,采用平坡過渡。

這樣,鼻端外就衍生出兩條新的屋脊線,兩條屋脊線之間采用平坡過渡。通過這樣設(shè)置,保證了大鼻端“褲衩”橋面高程同時(shí)滿足主線及匝道的橫坡及高程設(shè)計(jì)值,實(shí)現(xiàn)了“褲衩”鼻端外橋面高程的精確設(shè)計(jì)。

“褲衩”鼻端內(nèi)部分的高程一般不需要設(shè)置平坡調(diào)整帶,設(shè)置單條屋脊線即可完成橋面高程設(shè)計(jì),其屋脊線選用路線設(shè)計(jì)上的路拱線即可,箱梁截面按雙坡設(shè)計(jì)。

這樣整個(gè)“褲衩”箱梁橋面形成了“褲衩”內(nèi)的變寬范圍為雙坡截面,采用單條屋脊線即可完成橋面高程設(shè)計(jì),“褲衩”外為三種橫坡截面,通過中間設(shè)置平坡調(diào)整,形成兩條衍生的屋脊線實(shí)現(xiàn)橋面高程設(shè)計(jì)。本例中強(qiáng)制使匝道9 m寬度的內(nèi)邊緣線為一確定屋脊線,這樣的處理使得橋面高程最值點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求的情況下最小,是較為合理的設(shè)計(jì)方案。

5 “褲衩”橋高程誤差的補(bǔ)救方案

因設(shè)計(jì)或施工對(duì)“褲衩”高程設(shè)計(jì)或放樣錯(cuò)誤導(dǎo)致施工現(xiàn)場主線和“褲衩”橋面高程銜接不上的問題,單純通過增加鋪裝厚度會(huì)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)橋梁承受的荷載超過設(shè)計(jì)值,并且會(huì)產(chǎn)生較大的工程造價(jià)增加。鋪裝厚度增加時(shí),還應(yīng)保證路面線性平順,橋面坡度合理。

橫坡數(shù)值與路線平面相關(guān),因此不需要進(jìn)行設(shè)計(jì)橫坡調(diào)整,僅調(diào)整匝道設(shè)計(jì)線的縱斷面設(shè)計(jì)。

以上述高速的大鼻端“褲衩”橋?yàn)槔Ｊ┕挝粷仓F(xiàn)澆箱梁時(shí)未考慮匝道設(shè)計(jì)線,路線橫坡均按2%設(shè)置。這導(dǎo)致“褲衩”橋與C匝道橋銜接部位,左側(cè)“褲衩”橋端高程為43.020,橫坡為2%,右側(cè)C匝道側(cè)高程為43.158 m,橫坡為4.28%,高程相差達(dá)到14cm左右,橫坡相差2.28%,屬于嚴(yán)重的錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。

首先以橋面橫坡和最小鋪裝厚度為控制因素,重新進(jìn)行橋面高程放樣,獲取橋面各控制點(diǎn)高程。當(dāng)放樣高程比現(xiàn)有實(shí)際高程高出一定厚度時(shí),調(diào)平層內(nèi)設(shè)置直徑6～10 cm的PVC管或波紋管,管道厚度應(yīng)保證混凝土澆筑過程中管道不發(fā)生明顯變形。

為對(duì)“褲衩”橋橋面高程進(jìn)行補(bǔ)救,先對(duì)C匝道的高程設(shè)計(jì)線進(jìn)行調(diào)整,結(jié)合“褲衩”橋“三屋脊線”精確設(shè)計(jì)方法重新放樣,確定各個(gè)橋面位置處需要增加的橋面調(diào)平層厚度。

(1)以“褲衩”橋匝道側(cè)輪廓線既有施工高程為高程控制點(diǎn),沿C匝道外輪廓線按設(shè)計(jì)橫坡4.28%進(jìn)行放樣,分跨線位置“褲衩”外輪廓位置橋面高程為42.867 m,放樣至C匝道設(shè)計(jì)線位置高程為43.177 m,即“褲衩”分跨線位置C匝道設(shè)計(jì)處需要增加43.177-43.020=0.157 m的橋面調(diào)平層。

(2)將C匝道的控制點(diǎn)2的高程由原設(shè)計(jì)值的43.315 03調(diào)整為43.472 03,其他參數(shù)不變。

(3)以新設(shè)計(jì)高程設(shè)計(jì)線為基準(zhǔn),結(jié)合橋面屋脊線按大鼻端橋面高程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行橋面高程控制點(diǎn)重新放樣。

(4)放樣后對(duì)橋面鋪裝調(diào)平層厚度超過設(shè)計(jì)值的部分調(diào)平層鋼筋網(wǎng)內(nèi)埋置PVC管或波紋管,減小鋪裝重量。

經(jīng)過加高調(diào)平層厚度,過深部分埋置PVC管或者波紋管和調(diào)整設(shè)計(jì)高程的補(bǔ)救方案后能夠保證新建的“褲衩”橋消除“褲衩”接頭位置錯(cuò)臺(tái)問題,豎曲線線型平順以及結(jié)構(gòu)承受的鋪裝荷載不會(huì)有較大的增加。

6 結(jié) 語

針對(duì)“褲衩”橋梁的高程設(shè)計(jì)與施工放樣,首先介紹了常見的設(shè)計(jì)與施工問題,然后通過分析大鼻端“褲衩”橋梁的橋面高程設(shè)計(jì),得出整個(gè)“褲衩”橋梁橋面高程的精確設(shè)計(jì)方法:對(duì)鼻端內(nèi)的橋面高程可采用單屋脊線雙坡截面進(jìn)行橋面高程設(shè)計(jì),對(duì)大鼻端外部位設(shè)置雙屋脊線,截面按三坡形式設(shè)計(jì),推薦兩條屋脊線之間設(shè)置為平坡。

最后以既有高速“褲衩”現(xiàn)澆箱梁因施工過程中僅考慮主線設(shè)計(jì)高程和設(shè)計(jì)橫坡導(dǎo)致其與匝道橋接頭位置錯(cuò)臺(tái)問題為例,通過增加調(diào)平層厚度和重新調(diào)整匝道豎曲線的方案進(jìn)行高程問題補(bǔ)救。在新的匝道高程設(shè)計(jì)線的基礎(chǔ)上,按“褲衩”位置高程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行重新放樣進(jìn)而確定橋面各控制點(diǎn)位置調(diào)平層加厚厚度,對(duì)加厚厚度超過一定范圍內(nèi)埋設(shè)PVC管或者波紋管。

通過調(diào)整后的路線各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足相關(guān)規(guī)范,“褲衩”橋分叉位置橋面順接合理,橋梁結(jié)構(gòu)二期荷載重度也并未得到增加。由于PVC管或波紋管內(nèi)是空心的,因此整個(gè)變更方案,工程造價(jià)并未有較大的增加。