樞紐小半徑斜彎坡橋梁設(shè)計問題研究

1 概述

吉縣至河津高速公路是山西省高速公路網(wǎng)西縱的重要組成部分，北接西縱隰縣至吉縣段高速公路并與臨吉高速十字交叉，南接西縱河津至運城段高速公路并與侯禹高速十字交叉，在與臨吉高速交叉位置設(shè)置吉縣樞紐。

該立交樞紐設(shè) A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H 共 8 條匝道，樞紐所處地形異常復(fù)雜，共設(shè)置小半徑斜彎坡橋梁15座，設(shè)計難度很大，其中位于G，H上的匝道橋梁均處于半徑70 m～80 m的小半徑曲線上，其他匝道橋梁所處半徑也較小，且分別位于變寬分叉線形上。

本樞紐橋梁設(shè)計中，主要采用了現(xiàn)澆曲線連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，考慮到施工的進度及方便性，部分橋跨采用了裝配式與現(xiàn)澆組合結(jié)構(gòu)。樞紐立面布置圖及樞紐橋梁斷面圖見圖1，圖2。

圖1 樞紐立面布置圖

2 設(shè)計問題分析

2．1 總體計算

立交樞紐中的橋梁多以小半徑、斜彎坡等其他異型結(jié)構(gòu)為主，對于半徑較大或者平面寬度變化趨勢不大的橋梁，可以采用平面桿系的理論進行結(jié)構(gòu)分析計算。但是對于立交樞紐內(nèi)大部分平面半徑較小(通常小于150 m)或斜交角度大于10°的橋梁及寬度變化較為劇烈的分叉變寬異型橋梁，就必須采用梁格法進行梁體空間結(jié)構(gòu)分析，這樣才能更準確的反映出梁體各部位的受力狀態(tài)。

圖2 樞紐橋梁斷面圖

工程設(shè)計人員在進行實際工程設(shè)計操作時，可以先采用平面桿系軟件進行配束調(diào)束工作，完成配束調(diào)束后，再利用梁格法空間分析軟件進行結(jié)構(gòu)的驗算。

需要特別注意的是，在工程設(shè)計人員配束調(diào)束的過程中，對于受力復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力、承載力等受力指標上應(yīng)該進行嚴格的控制，以便于在空間分析時，結(jié)構(gòu)驗算能夠滿足要求。

2．2 橫隔板受力分析

就我國目前現(xiàn)行的橋梁規(guī)范而言，沒有對橋梁橫隔板的計算分析給出詳細的指導(dǎo)方法。但是，目前比較慣用的實際設(shè)計方法是以“腹板剪力法”“恒載按腹板均布，活載按影響線移動布置”及“荷載均布法”等方法為主。實際設(shè)計時，恒載按照恒載產(chǎn)生的支反力除以腹板數(shù)，作用在腹板具體位置，對位于平曲線內(nèi)的橋梁，需要考慮外側(cè)腹板的增大系數(shù)，護欄的荷載按照實際位置加載，活載則按照影響線移動布置。從目前國內(nèi)大量的參考文獻中可以得知，這種計算模式應(yīng)該和主梁實際的受力狀態(tài)較為接近。

工程設(shè)計人員在進行實際工程設(shè)計時，需要特別注意的是，按照這種方法計算完成后，需要用其他的計算方法對其結(jié)果進行校核，以確保橋梁主體結(jié)構(gòu)的安全。

2．3 支座預(yù)設(shè)置偏心問題

在我們實際工程設(shè)計中，絕大部分的匝道橋梁中間橋墩都設(shè)置為無抗扭剛度的點支撐支座，預(yù)設(shè)中間支座一定的偏心值，可以改善橋梁的內(nèi)扭矩，從而使得橋梁的最大、最小的絕對扭矩值基本接近，以減少抗扭鋼筋的用量，同時也能夠有效的改善橋臺處的扭矩，避免支座的落空現(xiàn)象，使得各個支座能夠協(xié)同工作，有效的防止了主梁的傾覆。

2．4 橋面板橫向計算

通常橋面板的橫向計算采用框架模擬計算，而沒有采用單向板或者雙向板的計算模式。我們在計算中會發(fā)現(xiàn):按照單向板計算橋面板時，與橋面板的實際受力情況不符合，容易導(dǎo)致錯誤的配筋形式;在布置橫向預(yù)應(yīng)力時，在箱室頂板跨中處下彎，而實際上是不需要的，只需要在橋面板的上緣配置直線通長的預(yù)應(yīng)力鋼絞線即可。因此，采用框架式計算模型對橋面板進行橫向分析，其結(jié)果更接近梁板的實際受力狀態(tài)。

3 橋梁布孔探討

本項目立交樞紐屬于大型樞紐式互通立交，受到地形地物及交叉物的限制，平面線形較為復(fù)雜。橋梁布設(shè)大部分均以小半徑彎橋和其他異型現(xiàn)澆橋梁為主，對工程設(shè)計人員的專業(yè)水平及設(shè)計經(jīng)驗都會有較高的要求。特別是在當前設(shè)計任務(wù)重，工作量大，時間要求緊迫的情況下，如何更好、更快、更經(jīng)濟、更安全、更美觀的設(shè)計出好的立交樞紐橋梁，對設(shè)計人員是較大的考驗。

互通樞紐內(nèi)橋梁布孔方案的設(shè)計是樞紐立交橋梁設(shè)計的靈魂，直接關(guān)系到橋梁的安全、造價、施工難易程度、美觀程度，甚至關(guān)系到橋梁在互通方案中的合理性。互通樞紐內(nèi)的橋梁往往要將整個樞紐區(qū)內(nèi)的橋涵布設(shè)統(tǒng)一考慮進去，而且更多的要考慮施工的可行性。

互通樞紐內(nèi)橋梁布孔的設(shè)計還應(yīng)充分考慮沿線的自然條件、社會條件、地質(zhì)條件，同時還要結(jié)合本項目的特點和難點，從而選擇合理的橋型方案，以盡可能的減少工程對土壤環(huán)境、水環(huán)境、生物環(huán)境、自然環(huán)境的影響和破壞。

互通樞紐內(nèi)的橋梁施工方案的選擇對橋梁布設(shè)也有著很重要的影響。橋梁全部采用現(xiàn)澆連續(xù)結(jié)構(gòu)雖然造型較為美觀，且可以適應(yīng)絕大多數(shù)平面線形的要求，但是施工難度較大，工期較長。因此，工程技術(shù)人員應(yīng)該在有條件的情況下，盡可能的選用預(yù)制結(jié)構(gòu)，或者預(yù)制與現(xiàn)澆組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。這樣既減少了項目的建設(shè)成本，也解決了現(xiàn)澆橋梁曲線多跨鋼絞線施工空間問題，同時還可以有效的解決單端逐孔張拉引起的各聯(lián)橋梁施工相互制約的問題。但是需要注意的是，采用的預(yù)制結(jié)構(gòu)應(yīng)該在外觀上與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)一致，既外形美觀又方便施工。

橋梁在布孔時除考慮所跨越的構(gòu)造物外，應(yīng)結(jié)合實際線形，橋梁高度，變寬趨勢等指標。布孔時應(yīng)盡可能優(yōu)先采用16 m～30 m的常用跨徑，分聯(lián)盡可能設(shè)置在寬度變化的起終點。S形橋梁當兩側(cè)反向半徑均較小的情況下，橋梁受力特別復(fù)雜，尤其是采用獨柱結(jié)構(gòu)的S形橋梁受力更為復(fù)雜，此時應(yīng)該考慮在中間連接的緩和曲線上分割成兩聯(lián)不同方向的橋梁結(jié)構(gòu)進行受力分析。同時可適當?shù)臏p小橋梁的聯(lián)長或者有選擇性的采用雙柱式支撐結(jié)構(gòu)體系。

在實際的工程設(shè)計中，需要特別注意的是，多數(shù)橋梁工程技術(shù)人員往往認為路線平縱面資料是橋梁設(shè)計的基礎(chǔ)資料，無論橋梁設(shè)計多么復(fù)雜都不能改變。實際上立交樞紐方案和橋梁設(shè)計方案是相輔相成的，不是一點都不可以改變的。立交樞紐的匝道線形布設(shè)時應(yīng)同時考慮到橋梁設(shè)計施工的可能性及難易程度。比如，分叉端的橋梁布置受到路線分叉的影響就會很難設(shè)計，但是如果分叉的位置能夠前后適當調(diào)整，就可以給橋梁的設(shè)計提供很大的便利，同時也方便施工。

4 結(jié)語

互通樞紐區(qū)的橋梁設(shè)計除要求有豐富的橋梁設(shè)計經(jīng)驗、扎實的結(jié)構(gòu)分析理論基礎(chǔ)外，還應(yīng)該具備一個全局性的統(tǒng)籌思考的思維角度，要具備總體設(shè)計的思想意識。

小半徑曲線橋梁的內(nèi)外支反力很不均勻，主要原因是由于預(yù)應(yīng)力和溫度梯度引起的，溫度由橋梁所處的環(huán)境決定，不可改變。預(yù)應(yīng)力的設(shè)置則根據(jù)彎梁橋的受力特點進行合理的調(diào)束，內(nèi)外側(cè)腹板鋼束會有所不同。因此建議小半徑的曲線橋梁(半徑小于80 m的橋梁)宜設(shè)計成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的連續(xù)梁橋或者鋼結(jié)構(gòu)箱梁橋，因為預(yù)應(yīng)力的布置以及支座的設(shè)置，作為空間特性非常明顯的小半徑曲線橋梁，位移趨勢難以預(yù)測，很有可能導(dǎo)致支座脫空和梁體的橫向爬移。

斜交的連續(xù)箱梁橋的梁端變形會比較復(fù)雜，伸縮縫的設(shè)置應(yīng)該比正交橋梁的伸縮量要大一些，或者建議選擇多向變形的伸縮縫裝置。

小半徑曲線橋梁的支座布置，應(yīng)該在計算約束的情況下必須有效約束，結(jié)構(gòu)位移的位置需要釋放的就應(yīng)該放開。眾所周知，國內(nèi)多起橋梁傾覆變形事故已經(jīng)說明了支座在小半徑橋梁中的設(shè)置方式與結(jié)構(gòu)本身的受力安全處于同樣重要的地位。

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