匝道橋的設(shè)計及結(jié)構(gòu)計算

摘 要：高速公路互通的匝道橋中因受縱坡及線形所限而體現(xiàn)出坡、彎、斜、異形等不同特點，因此相對于直梁橋“剪、彎”作用，匝道橋在“剪、彎、扭”等復(fù)合作用下進(jìn)行受力。應(yīng)結(jié)合復(fù)合受力狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，上下部的結(jié)構(gòu)設(shè)計要選擇對于“剪、彎、扭”有利的措施。文章基于工程建設(shè)實際，探討了高速公路互通匝道橋的結(jié)構(gòu)計算方法及設(shè)計要點，僅供有關(guān)設(shè)計人員在設(shè)計時進(jìn)行參照。

關(guān)鍵詞：匝道橋；結(jié)構(gòu)計算；設(shè)計要點

前言

高速公路的建設(shè)發(fā)展迅速，而在高速公路互通立交中匝道橋的應(yīng)用不斷增多，匝道橋是指高架路與立交橋上下連接的路段，也指高速公路連接鄰近輔路的路段。高架路匝道通常將入口與出口分開進(jìn)行設(shè)置，不可逆行，車輛沒有從匝道出口下路，也不能從匝道入口下路，只能在下個下匝道出口下路。立交橋匝道通常根據(jù)設(shè)定標(biāo)志進(jìn)行行駛，適合于高速公路主干線、橋梁及行車隧道等與之鄰近的輔路，或主干線陸橋及引線連接道等。

匝道橋橋面寬度通常在8-15米之間，彎道半徑在60-255米之間，一些處于緩和曲線上，大部分跨徑在20-30米之間，通常大部分采用混凝土現(xiàn)澆或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的箱梁。橋梁因彎梁結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生“彎扭耦合”作用，若在設(shè)計施工中采取不恰當(dāng)措施就會引發(fā)梁體向外產(chǎn)生移動反轉(zhuǎn)、梁內(nèi)側(cè)支座產(chǎn)生脫空、固結(jié)墩墩身產(chǎn)生開裂等比較嚴(yán)重后果。

1 匝道橋特點

匝道橋通常具有如下特點，匝道橋通常具有1-2個車道，寬度在8-15米之間；因匝道主要為車輛實現(xiàn)道路轉(zhuǎn)向的作用，在高速公路立交中通常受占地面積所限，大部分采用半徑不大的曲線梁橋，平曲線最小半徑約為60米左右，有時在比較平緩的曲線設(shè)置的超高值比較大；匝道橋一般都具有較大的縱坡設(shè)置值。

因匝道橋存在的上述特點，在設(shè)計中要特別對以下三方面因素提高重視，一是受曲率關(guān)系影響而形成的彎扭矩，計算過程中對于彎扭耦合作用要注意不能忽視；二是因產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩作用，外梁比內(nèi)梁的內(nèi)力大，一般都會對形成造成超載，內(nèi)梁產(chǎn)生卸載等情況，因內(nèi)外梁反力具有的明顯相差，內(nèi)梁在活載偏置時容易形成負(fù)反力，特別是在較小曲率半徑及較小靜荷重情況時，更容易發(fā)生此類情況。若此時的拉力支座不能承擔(dān)，就會使支座產(chǎn)生脫空現(xiàn)象；三是匝道橋都是曲線形狀的梁橋，橫梁具有對全橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的支撐作用，因此相對于直橋而言采用的橫梁剛度將不斷增大。

2 匝道橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

通常匝道橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，下部應(yīng)用柱式墩，肋板式臺，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。

2.1 結(jié)構(gòu)計算

匝道橋大部分都是曲線梁橋，采用的閉口截面具有與抗扭強度相當(dāng)時，曲線梁段對應(yīng)不足12度的中心角的扭轉(zhuǎn)跨徑可近似作為曲線跨徑的直線橋結(jié)構(gòu)分析，中心角在12-30度之間時，可根據(jù)直線橋分析主梁剪力及縱向彎矩，扭矩及反力可根據(jù)空間具體情況進(jìn)行分析。超過30度的中心角所對應(yīng)的截面內(nèi)力可結(jié)合空間具體情況進(jìn)行分析。

分析計算模型，可將匝道橋簡化為直線梁分析其縱向彎矩，所得誤差應(yīng)該不會很大。此外，設(shè)置于橫梁位置的兩個支座，使其影響箱梁內(nèi)力明顯降低，所以不能運用復(fù)雜有限元法分析整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力。主要計算參數(shù)可結(jié)合滿堂支架實施澆筑施工，混凝土澆筑完成兩周后，對預(yù)應(yīng)力進(jìn)行必要的張拉，采用直接落架方法模擬施工階段，但拆除支架不需要進(jìn)行模擬，所獲得的結(jié)果比較安全。對于正常應(yīng)用的箱梁有效寬度，支座受梯度溫度應(yīng)力影響可能會發(fā)生1毫米的沉降，要將主拉應(yīng)力控制為一半允許值內(nèi)，并結(jié)合受力需要在墩頂位置配置短索。張拉預(yù)應(yīng)力束在施工階段累計為1厘米的最大上升撓度，梁體在正常應(yīng)用階段最大下?lián)蠟?厘米，都符合規(guī)范要求。除這種以直代曲方法可在某些條件下應(yīng)用外，還有有限條法、有限元法等多種方法。梁格分析法主要將橋梁上部結(jié)構(gòu)采用等效梁格代表，是設(shè)計中比較常用的一種方法，具有易于掌握，可保證設(shè)計精度等優(yōu)點。其本質(zhì)是采用空間網(wǎng)格對結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行模擬，對于彎橋橫向受力特性進(jìn)行了成分考慮。

2.2 設(shè)計要點

匝道橋大部分是小半徑曲線梁橋，平曲線半徑最小約為60米，超高值設(shè)置的相對較大，主要采用以下三種超高設(shè)置方式，一是調(diào)整梁高；二是相同梁高的調(diào)整墩高與墊塊；三是調(diào)整鋪裝層或一起調(diào)整鋪裝層與墩帽。在設(shè)計中可結(jié)合實際情況進(jìn)行選擇應(yīng)用。因匝道橋受自重作用影響形成扭矩，主梁自身需一定的抗扭矩與抗扭剛度，同時其支承也要能承擔(dān)自重與活載偏載形成的扭矩。在支座設(shè)計中要遵循以下原則，一是基于承載力的梁端橫向支座布置最多為2個以防止支座產(chǎn)生脫空；二是應(yīng)采用墩-梁固結(jié)構(gòu)造墩高較大的獨柱式中墩支點，進(jìn)而實現(xiàn)較為經(jīng)濟(jì)效果。

設(shè)置匝道橋固定支座，能夠有效避免水平位移的發(fā)生；要盡可能將支座間距設(shè)大。對于曲線梁橋上下部結(jié)構(gòu)其不同支承方式都要利于結(jié)構(gòu)受力，才能避免支座產(chǎn)生脫空現(xiàn)象。在構(gòu)造中要采取適宜措施對水平進(jìn)行限位，尤其是可能產(chǎn)生水平位移比較大的曲線梁橋更要進(jìn)行必要的限制。

在構(gòu)造上，如曲線梁橋具有較大的預(yù)應(yīng)力鋼束徑向力，特別是對于小半徑曲線梁橋具有更明顯的作用。設(shè)計時就要注意其對主梁腹板曲線內(nèi)側(cè)砼的壓力，該壓力能夠造成腹板崩裂或鋼束崩出，因此在主梁腹板內(nèi)要設(shè)計數(shù)量充足的防崩鋼筋。處于曲線平面內(nèi)外管道對應(yīng)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的最小混凝土保護(hù)層厚度要達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范要求。鋼筋在曲線梁橋中的布置應(yīng)使截面的抗扭能力達(dá)到設(shè)計要求，橋箱梁底板、頂板橫向筋及腹板箍筋應(yīng)構(gòu)成封閉的抗扭矩。

3 結(jié)束語

綜上所述，匝道橋設(shè)計相對于直線橋梁更為復(fù)雜，在具體設(shè)計中，確保匝道橋設(shè)計不產(chǎn)生質(zhì)量問題主要是通過分析全面準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)受力情況這一有效手段。根據(jù)匝道橋特點，在設(shè)計中主要有以下三方面體會，一是曲線上匝道橋中的橫梁具有對全橋保持穩(wěn)定的作用，所以相對于直線正橋，需要的橫梁剛度將增大。由于橫梁具有較大的剛度，因此可忽略橋梁斷面變形。二是對于曲梁格結(jié)構(gòu)，通常外梁中具有較大的應(yīng)力作用，如外梁剛度增大，應(yīng)力也會增大，而主梁斷面無法進(jìn)行適應(yīng)。因此，有時應(yīng)用內(nèi)梁剛度加大的設(shè)計法可明顯降低橋梁鋼材用量。三是對于曲線上匝道橋內(nèi)梁形成的負(fù)反力，應(yīng)用下部結(jié)構(gòu)或支座對負(fù)反力進(jìn)行降低的設(shè)計方法是實際中采用較多的方法。

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作者簡介：崔芳宇（1982-），男，本科學(xué)歷，研究方向：道橋工程。