互通立交匝道橋設計方案優(yōu)化與應用研究

陳君翔　

互通立交匝道橋設計方案優(yōu)化與應用研究

陳君翔

（廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007）

文章針對互通式立交工程總體設計方案及匝道橋工程特點，闡述了匝道曲線梁橋方案設計技術(shù)，著重分析了小半徑匝道曲線梁受力與變形對立交橋梁結(jié)構(gòu)設計成果的影響，提出了在線形受限而必須采用小半徑曲線梁時，獲得有利于橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)揮力學性能的線形要素，并經(jīng)過分析與對比，探究匝道小半徑曲線梁橋結(jié)構(gòu)設計參數(shù)的優(yōu)化區(qū)間，獲得互通式立交匝道設計方案的優(yōu)化方法。結(jié)果表明，互通式立交匝道曲線橋設計必須因地制宜，盡量采用半徑較大的平面線形和合理的結(jié)構(gòu)形式，提高施工便利性，保證行車安全。

互通立交；匝道橋；設計方案；優(yōu)化研究

引言

曲線梁橋被廣泛應用于城市互通式立交工程中，不論是主線還是匝道，曲線梁橋都能充分利用有限空間達到疏浚交通流的作用。匝道的優(yōu)化是互通立交橋設計的重要環(huán)節(jié)，小半徑曲線梁的研究是匝道優(yōu)化的重點。對于小半徑曲線匝道梁橋，在幾何線形要素優(yōu)選的基礎上，仍需進一步對其結(jié)構(gòu)進行力學分析、計算和優(yōu)化，提高其內(nèi)在品質(zhì)，使其結(jié)構(gòu)性能在互通立交工程中得到更好的發(fā)揮。

1 匝道曲線梁橋方案設計

隨著城市快速道路和城市建設的迅速發(fā)展，城市路網(wǎng)中高架立交橋日益增多。曲線梁橋作為實現(xiàn)各方向交通連接的重要橋型，能滿足線形和功能要求，適應復雜的路況需求。但是曲線梁橋的設計計算復雜，其設計參數(shù)需參照經(jīng)驗值、通過試驗測定或試算選取，工作量非常大。本文依托南寧市西鄉(xiāng)塘區(qū)某互通式立交工程，推薦立交方案為互通式（三層三苜蓿葉+半定向型）立交（如圖1所示）[1]，曲線梁部分所占比例很大，其線形和結(jié)構(gòu)上特別是匝道橋部分存在較大的優(yōu)化空間。

圖1 立交路線平面圖

1.1 匝道曲線梁橋線型設計

對于城市互通式立交而言，匝道曲線梁橋的線形優(yōu)化是重點，匝道路線線形設計思路，即匝道的平面和縱面線形設計應滿足設計速度的要求，橫斷面設計應與交通量相適應，綜合考慮周邊交通環(huán)境、地下結(jié)構(gòu)、地形地勢等條件，確保匝道交通連續(xù)、穩(wěn)定、安全、暢通，實現(xiàn)匝道線形的優(yōu)化。

該互通式立交A匝道曲線橋為喇叭形，線形復雜，共6聯(lián)，其跨徑組合為：（23+30+23）m+4×30 m+2×25 m+（30+25+40+35）m+3×20 m+（23+30+23）m連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式花瓶墩和樁基礎，跨越朝陽溪和地鐵站主體結(jié)構(gòu)，是最長的匝道，在線形上存在較大的優(yōu)化空間[2]。

1.1.1 匝道平面設計

立交路線線形尤其是平面線形設計[3]，受城市路網(wǎng)規(guī)劃影響，路線平面走向須滿足城市控制性規(guī)劃要求。城市設施對立交平面線形有較多約束，組合形式復雜，使曲線占整個線形比例很大。本立交匝道是采用直線、圓曲線、緩和曲線三種線元實現(xiàn)曲率、超高過渡方式控制起終點進出口與主線線形的銜接，以保證車輛安全行駛。

匝道的平面線形要素主要是匝道平面曲線半徑和回旋線參數(shù)[4]，需綜合考慮匝道設計速度、交叉類型、交通量、自然條件、用地條件、橋跨布置、造價等因素，經(jīng)分析、計算、調(diào)整、優(yōu)化比選確定，確保行車的安全和舒適。

該匝道設計速度為40 km/h，平面圓曲線推薦最小半徑為150 m，實際采用的半徑為185 m，為小半徑曲線橋。由于線形受限而必須采用小半徑曲線梁，并運用Midas系列軟件分析、模擬、計算和對比，合理選擇曲率半徑。匝道的曲率變化較大，應設緩和曲線即回旋線，對于緩和曲線，其參數(shù)A以滿足A≤1.5R為宜。

匝道圓曲線的超高值或超高橫坡度與圓曲線半徑、設計速度均有關，超高橫坡度規(guī)定為。超高漸變率為1%，超高值決定于行車道寬度。

1.1.2 匝道縱斷面設計

由于互通式立體交叉的路線相互跨越，其縱斷面線形受到上下線高程的限制，匝道作為連接上下線的紐帶，其縱斷面須滿足上下線高程的要求，同時應滿足坡長、坡度要求，合成縱坡不大于7%。匝道縱面線形應連續(xù)、均衡、順適，應避免線形曲率突變。重視匝道與主線在縱面線形上過渡平順，保證連接處通視條件，便于車輛匯入。

1.1.3 匝道橫斷面設計

立交匝道橫斷面形式、構(gòu)造組成、各部分尺寸及比例，應符合道路等級、設計速度、設計年限的交通現(xiàn)狀、交通量、現(xiàn)場條件等要求，該匝道梁橋?qū)挾龋?.0 m=0.5 m（防撞護欄）+3.5 m（機動車道）+3.5 m（機動車道）+0.5 m（防撞護欄）。當平面曲線半徑較小時，均應按規(guī)定設置超高和加寬，從而保證汽車行駛的穩(wěn)定性和乘客的舒適性。

1.1.4 匝道平、縱、橫線形組合設計

城市互通式立交匝道路線平縱橫線形組合設計應遵循的原則是匝道線形應與主線線形協(xié)調(diào)一致、平順銜接，避免急劇變化，保持線形指標均衡性、線形視覺連續(xù)性，以滿足穩(wěn)定、安全、舒適、美觀和經(jīng)濟設計要求，實現(xiàn)整體優(yōu)化。

1.2 匝道曲線梁橋結(jié)構(gòu)設計

該立交橋梁結(jié)構(gòu)設計的主要技術(shù)參數(shù)[5]：設計荷載為城—A級，設計年限為100年，設計安全等級為一級，橋下凈空≥4.5 m，抗震設計方法為A類，地震基本烈度為7度，抗震烈度按8度設防，橋梁位于城市主干道，抗震設防類別為乙類，在結(jié)構(gòu)設計時采取了相應的構(gòu)造措施，以提高整體抗震能力。該互通立交匝道梁橋結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化包括結(jié)構(gòu)形式、跨徑大小、力學性能、穩(wěn)定性能、工程材料、施工方案、動態(tài)景觀和美學等。

匝道曲線梁橋結(jié)構(gòu)設計[6]的重點主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）橋梁結(jié)構(gòu)形式的選擇，須結(jié)合工程實際，因地制宜，綜合全線交通組織、施工方式及工期、城市景觀等，通過技術(shù)經(jīng)濟比選，確定橋型方案。

（2）橋梁上部結(jié)構(gòu)設計[7]，主要包括橋梁結(jié)構(gòu)類型、跨徑大小、截面形式、連續(xù)梁聯(lián)長、預應力、材料等系統(tǒng)優(yōu)化，擇優(yōu)擬定和計算各項技術(shù)指標。如連續(xù)梁聯(lián)長及相鄰跨徑比例，跨徑組合方案有三種，如圖2所示，其中方案三設計的橋梁上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差。

圖2 匝道橋跨徑組合方案

方案一：如圖2（a）所示，為二跨等長組合梁結(jié)構(gòu)，如2×25 m，穩(wěn)定性最好。

方案二：如圖2（b）所示，為三跨等長組合梁結(jié)構(gòu)，如3×20 m，穩(wěn)定性較好。

方案三：如圖2（c）所示，為中跨大邊跨小，如（23+30+23）m，穩(wěn)定性最差。

（3）橋梁下部結(jié)構(gòu)設計，主要包括橋墩、橋臺和基礎設計。橋墩選型應考慮地面系統(tǒng)及景觀效果，橋臺和基礎應考慮地質(zhì)土質(zhì)情況和抗震性能。

（4）預應力優(yōu)化設計。對于橋梁結(jié)構(gòu)中的異形梁（如圖3所示），預應力錨固于梁端部，頂板配置通長束，兩端張拉。在箱梁橫斷面上，鋼束一般配置于腹板內(nèi)。除異形梁以外，其余梁段（如圖4）的預應力鋼束端部均于梁端頂部彎起，兩端張拉。在底板及頂板配短束，采用兩端張拉或一端張拉。這樣配束可縮短施工周期。

圖3 異形梁端預應力鋼束配置示意圖（單位：kN/m2）

圖4 一般梁段梁端預應力鋼束配置示意圖（單位：kN/m2）

異形梁的施工順序需先于兩端其他梁段，除異形梁外，其余梁段的施工順序不受限制，可同時施工。這樣的預應力配束方式有效地解決了箱梁施工順序問題，相對于常規(guī)的逐孔施工加長的施工方式，在工期上具有明顯的優(yōu)勢。

（5）工程材料是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的物質(zhì)基礎，混凝土作為曲線梁的主要材料，應具有良好的工作性、力學性、穩(wěn)定性和易密性，且應與鋼筋緊密結(jié)合。為此，在混凝土配合比設計時，應對膠凝材料、粗細集料和外加劑的質(zhì)量進行嚴格把控，并根據(jù)結(jié)構(gòu)性能、施工技術(shù)等要求選用適當?shù)膿胶狭?，改善混凝土的技術(shù)性能，最大程度發(fā)揮材料的作用。

2 匝道曲線梁橋的工程特點

2.1 小半徑曲線梁橋的結(jié)構(gòu)特點

依托工程城市互通式立交橋梁A匝道為小半徑曲線梁橋，主要工程結(jié)構(gòu)特點如下。

（1）曲線梁橋跨徑的選擇與其彎扭剛度比有直接的關系。彎扭剛度比對結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形狀態(tài)存在較大的影響，由曲率因素引起的扭轉(zhuǎn)變形與彎扭剛度比呈正相關。在避免豎向變形過大的條件下，盡可能增大曲線梁的抗扭剛度并減小其抗彎剛度。因此，在曲線梁橋中，宜選用高度較小和抗扭慣性矩較大的箱形截面主梁。小半徑曲線梁橋的經(jīng)濟梁高應大于跨徑的1/18，在特殊情況下也應大于跨徑的1/22。

（2）橫隔板可以增加橋梁橫向剛度并且增加主梁的穩(wěn)定性，因此在曲線梁中設置一定數(shù)量的橫隔板可以大幅提升其受力性能。另外，曲線梁截面變化更常見應力集中現(xiàn)象，應在箱梁頂板、腹板、底板設置漸變段來減小應力集中效應。

（3）不同超高設置方式對曲線梁內(nèi)力有著不同的影響，通過調(diào)整曲線超高實現(xiàn)形式，探究內(nèi)力分布最優(yōu)即極值最小的超高方式，以減小橫向水平力。

（4）合理選擇支承方式。支承方式的主要區(qū)別在于是否考慮轉(zhuǎn)角約束。曲線梁采用不同類型的支承方式，其內(nèi)力和位移數(shù)值會受到顯著影響。

2.2 小半徑曲線梁橋的受力與變形特性

直線橋在恒載作用下具有橫向?qū)ΨQ性，主梁內(nèi)不會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應力和扭轉(zhuǎn)變形，即使在偏心活荷載作用下，也難以產(chǎn)生足以引起重視的扭轉(zhuǎn)應力和扭轉(zhuǎn)變形。但對于曲線橋，即使在恒載作用下也會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)應力和扭轉(zhuǎn)變形。在設計小半徑曲線梁橋時，還要考慮更多影響因素，如梁體溫度效應、預應力效應、活載等。

另外，由于地面交通和景觀要求，不少橋梁的下部結(jié)構(gòu)采用獨柱支承方式，抗扭能力較弱。主梁的扭矩造成端部支座橫向受力不均，甚至使一側(cè)支座出現(xiàn)負反力，所以須在橋梁兩端設置抗扭轉(zhuǎn)支座，以增加橋梁的整體穩(wěn)定性。

3 匝道曲線梁橋力學分析

選取A匝道包含的相同跨徑不同曲率半徑的聯(lián)長，采用Midas系列計算軟件對立交橋匝道曲線梁結(jié)構(gòu)進行有限元模擬[8]，分析比較內(nèi)力和變形響應量。

3.1 曲線梁橋彎矩計算

采用的相同跨徑為2×25 m，曲率半徑分別為150、185、215、250、300、400 m，曲率半徑不小于設超高推薦半徑=150 m，匝道頂板寬度為8 m、底板寬度為4 m等截面梁高1.6 m。建立有限元模型并得到彎矩包絡圖[9]。不同曲率半徑彎梁橋最大彎矩變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同半徑彎梁橋最大彎矩變化趨勢圖

3.2 曲線梁橋位移計算

對于位移分析，同樣采用相同跨徑為2×25 m，曲率半徑分別為150、185、215、250、300、400 m的曲線梁橋進行橫向位移計算和對比，最大橫向位移變化趨勢如圖6。

由圖6可見，曲線半徑對彎梁橋橫向位移的影響較大，應結(jié)合工程現(xiàn)場條件，盡可能選擇較大曲線半徑。

圖6 不同曲率半徑彎梁橋最大橫向位移變化趨勢圖

3.3 曲線梁橋應力計算

曲線梁應力分析中，同樣采用相同跨徑為2×25 m，曲率半徑分別為150、185、215、250、300、400 m的曲線梁橋進行應力計算[10]，最大應力y變化趨勢如圖7所示。

圖7表明，彎梁曲線半徑150 m≤＜300 m時，其結(jié)構(gòu)應力變化較大，當曲線半徑大于不設超高半徑＜300 m時，其結(jié)構(gòu)應力變化明顯減小。

圖7 不同半徑彎梁橋變化趨勢圖

4 匝道曲線梁橋設計方案優(yōu)化方法

通過結(jié)合工程實際，針對性探討同時存在跨越路線、地鐵、水系等復雜環(huán)境中城互通式市立交匝道曲線梁橋設計技術(shù)。得到匝道曲線梁橋優(yōu)化設計方案的方法主要包括以下方面。

（1）曲線匝道梁橋設計應因地制宜，盡量采用半徑較大的平面線形，經(jīng)過分析、模擬、計算和對比，獲得有利于橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)揮力學性能的線形要素取值區(qū)間，準確快速得到城市立交橋梁工程小半徑曲線梁匝道的優(yōu)化方案。

（2）在設置圓曲線超高時，應綜合考慮梁橋支座構(gòu)造、腹板高差、橋面鋪裝三種實現(xiàn)超高的措施，避免支座墊石高度、不等高腹板長側(cè)應力、橋面鋪裝厚度等過大。當采用較小平曲線半徑時，超高的設置相應增大，必將對箱梁的受力產(chǎn)生一定影響。通過調(diào)整曲線超高實現(xiàn)形式，探究不同超高設置方式對曲線梁內(nèi)力的影響，從而得到內(nèi)力分布最優(yōu)即極值最小的超高方式。

（3）依據(jù)曲線梁對橋梁結(jié)構(gòu)設計成果的影響，通過調(diào)整曲線要素、橋跨組合和聯(lián)長等，對不同參數(shù)組合下的響應量進行分析，得到主要設計參數(shù)的優(yōu)化方向和結(jié)論。以優(yōu)化互通式立交匝道梁橋線型和結(jié)構(gòu)設計。

5 結(jié)束語

合理的城市互通立交方案，需把路線線形與橋梁結(jié)構(gòu)設計有機地結(jié)合起來，才能避免由于路線方案與橋梁方案綜合考慮不足導致的鋼束反復調(diào)整、施工困難、裂縫寬度較大等問題。為此，通過匝道曲線梁橋力學分析，獲得線形要素更為合理的取值區(qū)間，優(yōu)化小半徑曲線梁橋線形和結(jié)構(gòu)，才能使其在互通立交工程中得到更好地發(fā)揮。期待主管機構(gòu)組織匯集既有研究成果，針對性地持續(xù)深入和不斷完善，形成行業(yè)通用的曲線梁橋設計規(guī)范和標準，并不斷推廣與創(chuàng)新。

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Optimization and Application Research of Interchange Ramp Bridge Design Scheme

The article elaborates on the overall design scheme of interchange engineering and the characteristics of ramp bridge engineering, and elaborates on the design technology of ramp curve beam bridge scheme. It focuses on analyzing the influence of small radius ramp curve beam stress and deformation on the design results of interchange bridge structure. It proposes that when the linear shape is limited and small radius curve beam is necessary, linear elements that are conducive to the mechanical performance of the bridge structure can be obtained. Through analysis and comparison, the optimization interval of structural design parameters of ramp small radius curved beam bridge is explored, and the optimization method of the design scheme of interchange interchange ramp is obtained. The results show that the design of interchange ramp curve bridge must adapt to local conditions, and try to adopt the plane alignment with larger radius and reasonable structure form to improve the construction convenience and ensure traffic safety.

interchange; ramp bridge; design scheme; optimization research; application

U442

A

1008-1151(2023)07-0037-04

2022-10-25

陳君翔（1991－），男（壯族），廣西交科集團有限公司工程師，研究方向為橋梁工程。