武漢長豐大道常碼頭立交二環線幫寬段設計

張國鋒 王永奇 吳靖云 謝小韜 劉從新

（1.中國市政工程西北設計研究院有限公司 武漢 430056； 2.武漢地產開發投資集團有限公司 武漢 430022）

長豐大道位于漢口古田片區，大致呈東西走向，連接硚孝高速、三環線和二環線，沿線跨越漢宜高鐵、漢丹鐵路、軌道交通1號線進出場線、京廣鐵路，是漢口西部地區重要的東西向交通要道和對外出口道路。長豐大道由西往東跨越京廣鐵路線后與二環線相交并形成常碼頭立交。

常碼頭立交節點是2條城市快速路——二環線與長豐大道相交節點，實現“快快互通”功能。由于二環線已經建成通車，在常碼頭立交處并未預留匝道口，長豐大道與二環線實現交通轉換，需在二環線上采用幫寬形式。

1 技術標準

（1）道路等級：城市快速路。

（2）設計行車速度：60 k m／h。

（3）汽車荷載等級：城-A 級［1］。

（4）抗震要求：設計地震烈度6度，地震動峰值加速度為0.05g，7度設防。

（5）環境類別：I類。

（6）設計基準期：100年。

2 新老橋結構連接形式

新老橋梁幫寬是指橋梁整體在橫向為分期修建，或在原有橋梁橫向以拼接加寬的方式新建的橋梁，最終形成整體橋面。

上部構造可采用有縫連接（不連接）、鉸接、半剛接、剛接等多種方式；下部構造可采用連接或不連接等形式。有縫連接、鉸接屬于弱連接，半剛接、剛接屬于強連接。上部結構各種連接及其構造、受力特性及特點形式見表1。

表1 連接形式及特征一覽表

3 幫寬連接設計原則

（1）幫寬后的橋梁應滿足整體使用要求。

（2）幫寬部分橋梁應采用同一荷載等級。新建結構連接原有結構的橋梁應對原有結構部分進行驗算，應與新建結構滿足相同的荷載標準。

（3）幫寬部分橋梁宜采用相同的結構形式和跨徑。

（4）當幫寬部分橋梁為不同的結構形式或跨徑時，存在橫向剛度差，為避免應力集中，應采用鉸接或不連接等弱連接形式，弱化橫向聯系，同時加強縱向剛度，以確保結構的受力安全。

（5）當幫寬部分橋梁大于5 m時，幫寬部分基本為獨立受力模式，原則上采用上部構造弱連接，下部構造不連接方式；當幫寬部分橋梁小于等于3 m時，幫寬部分難以獨立受力或獨立受力性能不佳，需要與原結構共同受力，原則上采用上部構造強連接、下部構造弱連接方式。

現狀二環線箱梁梁懸臂為4 m，屬大懸臂結構，橋下為發展大道，地面交通繁忙，幫寬段橋墩與二環線橋墩相距約15.5 m，橋墩及基礎均不能相連，而且大部分幫寬段寬度大于5 m，因此設計采用上部結構弱連接，下部構造不連接的方式，但需經驗算幫寬后老橋的受力情況，以及計算新老橋的位移差。

4 現狀二環線懸臂驗算

根據連接方案需分別進行原橋現狀和幫寬后的結構整體驗算，橋梁幫寬后，車流由縱向行駛改為橫向行駛，需重點對原橋懸臂段受力進行驗算。

4.1 混凝土梁懸臂受力驗算

現狀二環線混凝土箱梁為單箱三室預應力混凝土箱梁，懸臂長4 m，橫向設置間距50 c m的3股Φs15.2預應力鋼束。

驗算工況。主要驗算重車車輪施加在懸臂端部工況（按部分預應力A類構件設計）。

計算結果見表2。

表2 混凝土梁懸臂計算結果

由表2可見，截面正應力及強度均滿足規范要求［2］。

4.2 鋼箱梁懸臂受力驗算

鋼箱梁采用帶U肋的正交異性橋面板，橫隔板間距3.0 m，每2道橫隔板之間加1道懸臂板橫向加勁肋和腹板豎向加勁肋。懸臂頂板加勁肋在靠近防撞護欄側布置3個一字肋，其余采用倒T肋。

4.2.1 橫隔板驗算

驗算工況。主要驗算重車車輪施加在懸臂端部工況。計算結果見表3。

表3 鋼箱梁懸臂計算結果 MPa

由表3可見，截面應力滿足規范要求。

4.2.2 懸臂頂板一字肋驗算

（1）計算模型。將一字肋考慮為以隔板為支撐的連續梁結構。模型中取7×1.5＝10.5 m連續結構進行計算。

（2）計算荷載。車輪荷載：單個車輪100 k N，鋪裝厚度方向按45°擴散。分別計算車輪縱向行駛及橫向行駛2種情況（車輛由主線進入匝道時，會轉彎成橫向行駛）。

工況一：車輛沿橋面板縱向加勁肋方向行駛，車輪作用在中間。

另一方面，代理機器人分析，即在DepthMap軟件的數據分析中，根據空間的系統特征讓代理機器人模擬人在其中的行為，同時記錄其行動路線的分析方式.該分析反映整體空間中人流活動的分布規律[6]，其中分析圖中的顏色越趨于深色表明人流活動越密集.如圖6所示，人群活動區域集中于曲阜路及中山路與肥城路的交匯點兩處，教堂廣場空間明顯處于人群活動較少區域，結合視域整合度的分析，可知由于廣場空間中不合理的空間形態設計，阻礙了游客對教堂廣場區域的探索，在整體區域視線聚集性受限的情況下，即使廣場西北角具有較高的整合度數值也無法帶動游客的積極性.

工況二：車輛沿橋面板縱向加勁肋方向行駛，車輪作用在懸臂最外側。

工況三：車輛沿橋面橫隔板方向行駛，車輪作用在中間。

工況四：車輛沿橋面橫隔板方向行駛，車輪作用在懸臂最外側。

（3）計算結果見表4。

表4 鋼箱梁懸臂加勁肋計算結果 MPa

由表4可見，截面最大拉應力已超出鋼材的允許應力，考慮對其進行加固處理。

（4）加固措施。由于一字肋不能滿足行車的安全性要求，因此對橋面板懸臂部分一字肋進行加固處理，處理方式為在一字肋下方焊接一塊水平鋼板（見圖1），使一字肋變為倒T型肋，能顯著增加加勁肋抗彎剛度，增加截面下緣受力面積，進而改善加勁肋下緣受力情況。另一方面，考慮到施工方便性，增加的鋼板不穿過橫隔板，按鋼板與隔板焊接的方式處理。

圖1 加勁肋加固措施示意圖（單位：mm）

加固后計算結果見表5。

表5 鋼箱梁懸臂加勁肋加固后計算結果 MPa

5 二環線幫寬梁與既有橋相對位移計算

新建橋梁與原橋拼接后，橋面縱向伸縮縫兩側由于新老橋的剛度及車載狀況不一致會發生相對位移，相對位移的大小直接影響行車的安全及舒適性。因此需要對既有二環線橋梁與新建幫寬橋梁的相對位移進行計算分析。

5.1 二環線預應力混凝土連續梁＋幫寬鋼箱梁

（1）計算模型見圖2。其中二環線上混凝土梁采用實體單元模擬，新建幫寬梁采用板單元模擬。

圖2 二環線預應力混凝土連續梁＋幫寬鋼箱梁計算模型

（2）加載工況。僅考慮汽車活載引起結構的響應，采用城-A規范中的車輛荷載［3］。加載工況如下：

工況一。既有主線橋梁上同時加雙向6輛重車。

工況二。既有主線橋梁上一側加2輛重車與一列小車，另一側加一輛重車。

工況三。既有主線橋上加2輛重車。

工況四。既有主線橋上加1輛重車與一列小車。

（3）計算結果。計算結果見表6。

表6 預應力混凝土連續梁＋幫寬鋼箱梁計算結果 mm

由表6可見，當混凝土梁上加載6輛重車時，混凝土橋與幫寬梁最大位移差為（12.4＋6，9.8＋9.7）＝19.5 mm；當加載3輛重車和1列小車時，最大位移差為（7.7＋3.3，6.1＋5.8）＝11.9 mm。

5.2 二環線鋼箱梁＋幫寬鋼箱梁

（1）計算模型見圖3。其中二環線上既有鋼箱及新建幫寬梁均采用板單元模擬。

圖3 二環線鋼箱梁＋幫寬鋼箱梁計算模型

（2）加載工況同5.1。

（3）計算結果見表7。

表7 二環線鋼箱梁＋幫寬鋼箱梁計算結果 mm

由表7可見，當既有鋼梁上加載6輛重車時，既有橋與幫寬梁最大位移差為（32.7＋7.9，12.4＋18.4）＝40.6 mm；當加載3輛重車和一列小車時，最大位移差為（18.2＋4.6，10.9＋6.7）＝22.8 mm。

6 結論

（1）通過分析比較，本次幫寬設計對橋梁幫寬段連接采用上部結構弱連接、下部構造不連接的方式。

（2）對既有二環線橋梁幫寬前后原橋懸臂段受力進行了重點驗算，結果顯示混凝土箱梁懸臂滿足連接后的受力要求，鋼箱梁懸臂外側則需要相應的加固處理。

（3）對于混凝土梁幫寬，由于既有橋本身跨度較小，混凝土梁剛度較大，所以在各種荷載工況下，最大位移差只有19.5 mm（若結合實際通行車輛，則位移差更小）。因此對行車影響亦不是很明顯。

（4）對于鋼梁幫寬，與混凝土梁相比，既有橋跨度較大，而且鋼結構剛度相對較小，導致既有橋與幫寬橋梁在極端重車荷載作用下，位移差較大（最大達到40.6 mm），但在正常使用荷載作用及二環線限重運營時，位移差亦能滿足行車要求。

［1］ JTGD60－2004公路橋涵設計通用規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ TB10002.2－2205鐵路橋梁鋼結構設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［3］ JTGD62－2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.