國道109線（忠和傅家窯立交—八里灣）改擴(kuò)建工程設(shè)計研究

魏 朋，馬國綱

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計院，甘肅 蘭州 730050）

國道109線（忠和傅家窯立交—八里灣）改擴(kuò)建工程設(shè)計研究

魏 朋，馬國綱

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計院，甘肅 蘭州 730050）

國道109線（忠和傅家窯立交—八里灣）改擴(kuò)建工程位于蘭州城市近郊，工程場區(qū)周邊社會環(huán)境復(fù)雜，項目設(shè)計方案的制定受許多因素的制約。選取了舊橋利用、橫斷面方案比選以及高架橋上跨連霍高速公路3個設(shè)計節(jié)點進(jìn)行了分析論述，有關(guān)經(jīng)驗可供相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員參考。

舊橋利用；橫斷面比選；橋型方案；結(jié)構(gòu)計算

1　項目設(shè)計概況

該項目工程地點位于甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)和皋蘭縣忠和鎮(zhèn)，道路基本沿現(xiàn)有

國道109線（以下簡稱為“舊109線”）布設(shè)。該項目所利用的舊109線道路兩側(cè)商貿(mào)活動繁榮，人口密度大，尤其是道路西側(cè)的北龍口國際商貿(mào)物流城極大地帶動了道路兩側(cè)商貿(mào)建筑的開發(fā)建設(shè)，目前道路西側(cè)商貿(mào)建筑密集，商貿(mào)規(guī)模已達(dá)到較高水平。道路兩側(cè)分布的村莊民房密集，當(dāng)?shù)鼐用癯鲂惺诸l繁活躍。

該項目道路舊路利用原則為在平面和縱斷面設(shè)計中盡量利用舊109線平面位置和標(biāo)高，對舊路設(shè)計指標(biāo)較低路段進(jìn)行局部優(yōu)化。

該項目道路等級為城市主干路，設(shè)計車速高架橋車行道采用 60 km/h，地面道路車行道采用40 km/h，路面結(jié)構(gòu)為瀝青混凝土路面。地面道路橫斷面采用規(guī)劃斷面，即 1.5 m（人行道）+12 m（車行道）+6 m（中央分隔帶）+12 m（車行道）+1.5 m（人行道）=33 m；高架橋橫斷面為0.5 m（防撞護(hù)欄）+8 m（機(jī)動車道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）+8 m（機(jī)動車道）+0.5 m（防撞護(hù)欄）=17.5 m。

2　對舊橋利用的設(shè)計研究

該項目設(shè)計注重對現(xiàn)狀構(gòu)筑物的利用，以減少拆除重建的工程量，從而有效降低工程造價。該項目地面道路在K0+200處需下穿蘭秦快速路（連接蘭州市區(qū)和蘭州新區(qū)的城市快速路）形成分離式立體交叉。蘭秦快速路在上跨舊109線處，現(xiàn)狀為1座2～16 m的鋼筋混凝土框架舊橋。現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，該橋建成時間較短，外觀良好，各結(jié)構(gòu)部件完全正常，但橋下路面已完全被破壞，路基翻起凹陷嚴(yán)重，路面嚴(yán)重變形造成小型轎車基本無法通行。為了對該舊橋加以完全利用，道路定線時將路線中心線與舊橋中心線完全重合，在不壓縮道路車行道寬度和人行道寬度的前提下，將中央綠化帶寬度由3 m壓縮至 1 m，與 1 m寬的框架橋中墻剛好對接，從而也實現(xiàn)了地面道路和該舊橋的完全順接。然后對該舊橋的橋下路基路面重新進(jìn)行設(shè)計，確保橋下凈空滿足規(guī)范要求，即可實現(xiàn)對該舊橋的完全利用。

該項目地面道路在K9+976.105處需下穿G30連霍高速公路形成分離式立體交叉。G30連霍高速公路在上跨舊109線處，現(xiàn)狀為1座1～30 m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁舊橋，與該項目道路中心線夾角63°。現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，該橋建成時間較早，但外觀基本良好，各結(jié)構(gòu)部件基本正常，橋下路面裂縫分布較密，該舊橋仍然可以正常使用。該項目地面道路橫斷面寬度為33 m，由于和舊橋斜交的原因，該項目地面道路橫斷面方向在舊橋下的可利用寬度僅為25 m，舊橋下的橫斷面寬度嚴(yán)重不足極有可能造成未來交通發(fā)展的瓶頸，嚴(yán)重制約該項目地面道路的通行服務(wù)水平和質(zhì)量。為此，在該項目設(shè)計中，針對如何利用舊橋進(jìn)行了充分研究。

很顯然，對舊橋拆除重建或改造拓寬是一個看似合理的方案，但該項目地處城市邊緣，交通十分繁忙，高速公路交通量很大。該方案面臨的高速公路保通問題和舊109線保通問題都極為復(fù)雜。由于城市發(fā)展和周邊地形使空間受限，無法很好地進(jìn)行施工組織設(shè)計，因此該方案最終被否定。基于此，對舊橋的完全利用成為設(shè)計工作需要研究的問題。針對如何解決舊橋橋下凈寬造成該項目地面道路的瓶頸問題，設(shè)計中對舊橋下的地面道路橫斷面進(jìn)行了專項設(shè)計。首先確保車行道的寬度，該項目地面道路采用雙向6車道，因此舊橋下的地面道路橫斷面仍然采用雙向6車道，寬度為10.25 m×2=20.5 m，再將3 m寬的中央綠化帶調(diào)整為0.5 m寬的中央防撞墩，確保舊橋下雙向行車安全，同時將非機(jī)動車道和人行道合并設(shè)置，寬度1.75 m×2=3.5 m。該設(shè)計方案基本解決了車輛的交通瓶頸問題，但不利于非機(jī)動車輛和人的出行。考慮到該項目道路主要以機(jī)動車輛通行為主，所以該方案基本可行。采用該方案，對舊橋可以完全加以利用，避免了對連霍高速公路通行的不利影響，有效降低了項目的工程量和施工難度，從而降低了該項目的工程造價，亦加快了項目的建設(shè)進(jìn)度。

3　橫斷面設(shè)計方案研究

該項目是按照城市主干路標(biāo)準(zhǔn)，對舊109線忠和傅家窯立交至八里灣段進(jìn)行改擴(kuò)建。該項目道路的功能定位如下：

（1）作為蘭州市規(guī)劃的中部快速路的組成路段，實現(xiàn)蘭州新區(qū)與蘭州市區(qū)的快速連通功能；

（2）作為舊109線的局部路段，實現(xiàn)國道過境車輛快速穿過市區(qū)的功能；

（3）道路所處場區(qū)位于蘭州市區(qū)的北出口地段，該區(qū)域已經(jīng)被規(guī)劃為蘭州市重要的經(jīng)濟(jì)增長區(qū)。道路沿線商貿(mào)建筑林立，人流較為密集，車流量較大。中國蘭州北龍口國際物流商貿(mào)城沿道路西側(cè)展布，目前已經(jīng)初具規(guī)模。作為自北向南穿過該區(qū)域的重要道路，為當(dāng)?shù)厣藤Q(mào)活動和居民出行提供較為便利的條件，進(jìn)而為該區(qū)域的開發(fā)與發(fā)展創(chuàng)造良好的交通環(huán)境。

基于該項目的功能定位，道路設(shè)計提出了“地面道路+高架橋”的雙層立體式交通格局。高架橋橫斷面寬度 17.5 m，采用雙向 4車道，設(shè)計速度 60 km/h，主要服務(wù)于功能（1）和功能（2），即來往蘭州市區(qū)和蘭州新區(qū)的車輛以及舊109線過境車輛可快速通過該區(qū)域。地面道路橫斷面寬度根據(jù)規(guī)劃設(shè)置為 33 m，采用雙向 6車道，設(shè)計速度 40 km/h，主要服務(wù)于功能（3），即主要服務(wù)于該區(qū)域的商貿(mào)活動和居民出行。同時，為了方便高架橋和地面道路車輛的交通轉(zhuǎn)換需求，在道路中段位置設(shè)置了連接高架橋和地面道路的轉(zhuǎn)換匝道。

針對該項目的雙層立體式交通特點，道路設(shè)計中將橫斷面的方案選擇進(jìn)行了重點研究，根據(jù)甲方和政府相關(guān)部門的意見，兼顧技術(shù)因素，最終選擇方案1為推薦方案。

3.1橫斷面方案1

方案1橫斷面采用“上四下六”的斷面形式：高架橋為雙向4車道，斷面寬度17.5 m，即0.5 m護(hù)欄+8 m車行道+0.5 m中央防撞護(hù)欄+8 m車行道+0.5 m護(hù)欄=17.5 m；地面道路為雙向6車道，兩幅路形式，斷面寬度33 m，即1.5 m人行道+12 m車行道+6 m中央分隔帶+12 m車行道+1.5 m人行道= 33 m。方案1斷面人行道寬度僅為1.5m，是考慮到該項目不在城市中心地段，目前屬于城鄉(xiāng)結(jié)合部，結(jié)合規(guī)劃未來該區(qū)域?qū)⒋罅Πl(fā)展商貿(mào)業(yè)，尤其是大陸橋集團(tuán)開發(fā)的北龍口國際商貿(mào)城已具備相當(dāng)規(guī)模，該區(qū)域未來的交通類型基本應(yīng)是機(jī)動車輛，行人和非機(jī)動車輛數(shù)量較少，所以人行道寬度設(shè)為1.5 m，非機(jī)動車道設(shè)為單向1.5 m也基本合理。方案1的橫斷面形式見圖1。

圖1　方案1典型橫斷面圖（單位：cm）

3.2橫斷面方案2

針對方案1人行道寬度過窄的特點，道路設(shè)計提出了方案2斷面。該方案采用“上四下六”的橫斷面形式：高架橋為雙向4車道，斷面寬度17.5 m，即0.5 m護(hù)欄+8 m車行道+0.5 m中央防撞護(hù)欄+8 m車行道+0.5 m護(hù)欄=17.5 m；地面道路為雙向6車道，兩幅路形式，斷面寬度33 m，即3.0 m人行道+10.5 m車行道+6 m中央分隔帶+10.5 m車行道+3 m人行道=33 m。該方案充分利用高架橋雙柱橋墩間的空間，將非機(jī)動車道設(shè)在中央分隔帶內(nèi)。該方案保證了人行道的寬度，但將非機(jī)動車道移至道路中心線位置雖然可充分利用空間，但這種方式不太符合人們的出行習(xí)慣，而且車行道上需設(shè)置較多的非機(jī)動車輛過街設(shè)施，降低了車輛的通行效率。方案2的橫斷面形式見圖2。

圖2　方案2典型橫斷面圖（單位：cm）

3.3橫斷面方案3

針對方案1和方案2的不足，道路設(shè)計提出了方案3橫斷面形式。該方案采用“上四下六”的橫斷面形式：高架橋為雙向 4車道，斷面寬度 17.5 m，即0.5 m護(hù)欄+8 m車行道+0.5 m中央防撞護(hù)欄+8 m車行道+0.5 m護(hù)欄=17.5 m；地面道路為雙向6車道，兩幅路形式，斷面寬度36 m，即2.5 m人行道+12.5 m車行道+6 m中央分隔帶+12.5 m車行道+2.5m人行道=36 m。該方案的人行道設(shè)為 2.5 m，非機(jī)動車道設(shè)為2.5 m，更好地滿足了人們的出行需求，但道路寬度增加為36 m，不符合該項目規(guī)劃的橫斷面寬度，增加了道路占地面積和工程量，同時該項目的工程造價會大幅增加。方案3的橫斷面形式見圖3。

圖3　方案3典型橫斷面圖（單位：cm）

3.4橫斷面方案4

方案 4斷面采用“上六下四”的橫斷面形式：高架橋為雙向6車道，斷面寬度 23.5 m，即 0.5 m護(hù)欄+11 m車行道+0.5 m中央防撞護(hù)欄+11 m車行道+0.5 m護(hù)欄=23.5 m；地面道路為雙向 4車道，三幅形式，斷面寬度33 m，即3.0 m人行道+7 m車行道+2.5 m分隔帶+8 m車行道+2.5 m分隔帶+7 m車行道+3.0 m人行道=33 m。方案4高架橋比其他方案多2個車道，這為未來不斷增長的快速通行車輛預(yù)留了交通空間，提升了該項目發(fā)揮快速通道功能的水平。地面道路人行道寬度為3.0 m，非機(jī)動車道寬度2.5 m，提升了行人和非機(jī)動車輛出行的安全性和舒適性，雖然地面道路僅設(shè)置了雙向4車道，但道路整體斷面車道數(shù)仍為10車道，滿足交通量預(yù)測的需求。但本方案比其他方案的造價要高出許多。方案4的橫斷面形式見圖4。

圖4　方案4典型橫斷面圖（單位：cm）

4　高架橋上跨連霍高速公路橋梁方案設(shè)計研究

該項目高架橋平面線位與道路設(shè)計線位完全一致，高架橋長度9.658 km。橋梁上部結(jié)構(gòu)主要采用預(yù)應(yīng)力混凝土組合連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋臺主要采用輕型橋臺、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋墩主要采用雙柱式橋墩，橋墩高度最大值為16.5 m，墩柱直徑為1.8 m×1.8 m，承臺尺寸為8 m×3 m×3 m，下接直徑為2 m的鉆孔灌注樁，樁長40 m（上跨連霍高速公路的橋段除外）。

高架橋上跨G30連霍高速公路處，道路中線與連霍高速公路中線斜交角為63°，地面道路在此處下穿連霍高速公路，形成 3層立體式交通體系，連霍高速公路豎向位于高架橋和地面道路之間。

4.1推薦方案

推薦方案采用鋼混組合結(jié)構(gòu)上跨連霍高速公路，主橋跨徑為51 m+61 m+51 m，3跨連續(xù)管翼緣鋼-混組合梁橋，橋長163 m。

4.1.1上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計采用連續(xù)管翼緣組合梁。管翼緣組合梁是將傳統(tǒng)鋼-混凝土組合梁中工字鋼梁的平鋼板上翼緣用鋼管混凝土替代的新型組合結(jié)構(gòu)。管翼緣組合梁的管翼緣豎向高度減小了腹板的高度，避免了腹板長細(xì)比過大在設(shè)計中出現(xiàn)的問題，從而提高了組合梁的剛度和穩(wěn)定性。鋼管中內(nèi)填C50自密實混凝土，套箍效應(yīng)能顯著提高混凝土強度，從而提高構(gòu)件承載力。管內(nèi)混凝土的存在可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲。受彎矩作用時，鋼管的受力特點類似于矩形鋼管混凝土偏心受壓構(gòu)件。

矩形管翼緣組合梁與傳統(tǒng)鋼板翼緣組合梁相比技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)在以下3點：

（1）等梁高時管翼緣組合梁腹板高度低，減少了縱橫向加勁肋板的數(shù)量；

（2）管翼緣組合梁扭轉(zhuǎn)剛度遠(yuǎn)大于鋼板翼緣組合梁，橫向穩(wěn)定性好，施工階段不需要為了防止施工過程中板梁發(fā)生失穩(wěn)而采取過多臨時措施；

（3）管翼緣組合梁的抗彎、抗剪承載能力高于鋼板翼緣組合梁，安全儲備大。

主梁采用6片焊接方管翼緣組合梁，方管內(nèi)填C50自密實微膨脹混凝土。主梁由縱梁、橫梁和橋面混凝土板組成。考慮到上跨連霍高速公路橋下凈空以及施工時不應(yīng)影響連霍高速公路正常通行的要求，鋼結(jié)構(gòu)部分組合梁下翼板采用Q500qENH，其余全部采用Q345qENH鋼材。

主梁節(jié)段之間現(xiàn)場采用焊接連接。每根主梁分為三段，主梁節(jié)段通過焊接實現(xiàn)縱向腹板、下翼緣連接；端橫梁采用工字型截面，端橫梁與主梁之間僅腹板通過高強螺栓連接，中橫梁采用桁架式，中橫梁與縱梁之間采用栓焊混合連接。圖5為主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面。

圖5　主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：mm）

4.1.2下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)邊墩采用臺階式蓋梁柱式墩樁基礎(chǔ)；中墩橋墩蓋梁采用鋼結(jié)構(gòu)門式框架，橫跨舊109線，跨徑為30 m。由于跨徑較大，如果采用混凝土結(jié)構(gòu)，則蓋梁與橋墩連接節(jié)點設(shè)計較為復(fù)雜，且混凝土易開裂。因此，中墩蓋梁和橋墩均采用鋼箱截面。鋼橋墩采用雙薄壁箱型截面，由頂?shù)装濉⒏拱濉M隔板和加勁肋組成，加勁肋與橫隔板鋼材采用Q345qENH，其余采用Q500qENH。橋墩立面布置面見圖6。

圖6　橋墩立面布置圖（單位：mm）

鋼蓋梁采用箱型截面，由頂板、底板、腹板、加勁肋和橫隔板組成，頂板和底板采用Q500qENH。其余均采用Q345qENH。蓋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖7。

鋼蓋梁與橋墩連接處受力復(fù)雜，為此，將蓋梁腹板與橋墩壁板設(shè)計為整體式壁板，厚度為30 m m，同時，在橋墩兩側(cè)設(shè)置梯形加勁板，厚度為30 m m，鋼蓋梁與墩柱節(jié)點構(gòu)造見圖8。

為方便后期鋼結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)，該橋鋼結(jié)構(gòu)采用耐候鋼，橋梁在后期使用過程中不必再次進(jìn)行涂裝。對于鋼箱梁外表面，指除橋面行車道鋪裝部分以外的所有直接暴露在大氣中的鋼箱梁外表面（包括懸臂段縱向加勁肋、橫肋板），其表面涂裝方案按大氣區(qū)腐蝕種類為長效型級別，選用長效型防腐壽命15～25 a涂層裝配套體系，而鋼箱梁內(nèi)表面不設(shè)置涂裝。

圖7　蓋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）

圖8　鋼蓋梁與墩柱節(jié)點構(gòu)造、整體式壁板大樣圖（單位：mm）

4.1.3結(jié)構(gòu)計算

鋼梁計算采用M IDAS/Ci vi l2012，分別建立該橋上部結(jié)構(gòu)和門式框架的有限元模型。上部結(jié)構(gòu)采用梁格法建模，主梁和混凝土板均離散為梁單元，管翼緣鋼梁和管內(nèi)混凝土為組合截面，頂板混凝土根據(jù)規(guī)范計算得有效計算寬度為3 m，同時，設(shè)置混凝土板虛擬橫梁，虛擬橫梁縱向間距為2 m，混凝土板與管翼緣組合梁之間對應(yīng)節(jié)點采用剛性連接，上部結(jié)構(gòu)靜力有限元模型見圖9。

圖9　上部結(jié)構(gòu)有限元模型

門式框架采用梁單元模擬，橋墩與蓋梁采用剛性連接，模型見圖10。

圖10　門式框架有限元模型

邊界條件如下：

（1）主梁與混凝土板：對應(yīng)節(jié)點處采用剛性連接，使主梁與混凝土板協(xié)同受力。

（2）主梁與橋墩：設(shè)置彈性連接、彈簧剛度按照支座等效，約束形式見圖11。

圖11　主梁與橋墩約束形式

汽車荷載作用下、梯度溫度荷載作用下的計算結(jié)果分別見圖12和圖13。

圖12　汽車荷載作用下主梁應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖13　梯度溫度荷載作用下主梁應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

計算表明該結(jié)構(gòu)受力安全，方案可行。

4.2比選方案

該方案采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力鋼混組合連續(xù)梁橋，橋梁總長為103 m，其跨徑組合為28 m+45 m+30 m。該方案主梁上部結(jié)構(gòu)采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力鋼混組合連續(xù)梁，梁高2.5 m，橋梁采用單箱雙室斷面，頂板寬度17.5 m，底板寬度11.9 m（見圖14）。橋墩采用門式剛構(gòu)橋墩，下設(shè)矩形承臺，樁基采用鉆孔灌注樁。

圖14　波形鋼腹板橫斷面圖（單位：cm）

橋梁上部結(jié)構(gòu)波形鋼腹板節(jié)段工廠制作，并在工廠進(jìn)行小段預(yù)拼，以橫鋼撐連接，支座處加強鋼板在現(xiàn)場安裝焊接完成。橋墩等下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場施工，同時預(yù)制混凝土頂板。運輸波形鋼腹板整段吊裝至臨時支座上，以波形鋼腹板為工作平臺，澆筑混凝土并張拉鋼束。

本次設(shè)計高架橋終點段引道縱坡3.99%，接線道路舊G109線縱坡3%，為保證減少拆遷和溝道改移，確保橋下凈空，應(yīng)采用較低的梁高。本方案波形剛腹板橋施工需搭設(shè)施工支架且梁高較大，同時45 m的中跨跨徑不利于連霍高速未來的拓寬改建。

5　結(jié)語

本文從該項目的諸多設(shè)計影響因素中選擇了3個典型控制因素進(jìn)行了分析論述。當(dāng)前我國城市發(fā)展迅速，尤其是城市的道橋建設(shè)，規(guī)模和數(shù)量都有較大發(fā)展。伴隨著城市周邊的改造和提升，道路設(shè)計受到了許多外部環(huán)境因素的制約。國內(nèi)許多地方的道路建設(shè)都遇到了舊橋的改造利用，道路之間相互交叉有空間受限等問題。本文對舊橋的處理方式是完全利用并不進(jìn)行改造，大大降低了工程的難度和造價；橫斷面方案的選擇主要結(jié)合城市規(guī)劃和道路沿線區(qū)域的未來發(fā)展特點；高架橋上跨連霍高速公路考慮了高速公路未來的改造提升需求，同時把橋梁施工對高速公路的不利影響降低到最低。這些設(shè)計工作中總結(jié)的經(jīng)驗希望能給以后的工程建設(shè)提供幫助。

U41；U44

B

1009-7716（2016）09-0082-06

2016-06-06

魏朋（1979-），男，甘肅蘭州人，高級工程師，從事城市道路橋梁設(shè)計工作。