大型互通立交橋中心柱結構設計

黃曉彬

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市　200092）

大型互通立交橋中心柱結構設計

黃曉彬

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

某大型全互通樞紐立交由于受到用地限制，采用“以高度換空間”的思想，布置為5層，立交中心處設置一根直徑達5.0 m的大圓柱（在此稱之為中心柱），支承起第2～5層橋梁結構。中心柱的安全關系整個立交橋的結構安全，其受力及構造極為復雜，主要介紹了中心柱的結構構造設計與受力計算分析。

互通立交；中心柱；結構設計；計算分析；抗震

1　工程概況

某大型全互通立交位于城市中心，其相交的兩條主線為中心城區東西、南北貫通的重要干線，也是快速路網的中軸線。立交采用全定向、全互通的樞紐立交形式。該立交的設置對整合市區快速交通，實現東西、南北交通轉換，提高市區出行效率都具有十分重要的意義和作用。

但是該立交地處城市中心地帶，路網密集，建筑林立，立交布線十分困難。經過反復多次的方案比較，決定采用“以高度換空間”的思想，將整個立交層次設計為5層，總高度約30 m。1層為地面道路系統，南北方向快速路主線位于地上2層，轉向匝道分別位于地上3、4層，東西方向主線位于地上5層（立交方案見圖1）。立交匝道布置緊湊，真可謂“螺螄殼里做道場”。該方案極大限度的縮減了立交占地空間，有效減少周邊建筑物的拆遷。

圖1　立交整體效果圖

2　中心柱設計概況

該立交方案“以高度換空間”的特點，代價是立交層次高，總高度約30 m。同時根據立交方案的特點，需要在立交中心五層通道的交匯處設置一個大直徑獨柱墩，中心柱類似于一根大樹干，在各層道路處伸出“樹枝”以支承各層結構的荷載。表1給出立交中心柱支撐結構概況。

表1　立交中心柱支撐結構概況

立交總體平面布置和中心柱凈效果圖如圖2 和3所示。

3　立交中心柱結構型式比選

立交中心柱結構型式主要考慮了鋼筋混凝土柱、鋼柱和鋼混組合柱幾種方案。幾種方案的優缺點詳細比較見表2。

通過比選，混凝土柱因與鋼蓋梁的連接構造過于復雜及施工工期長等因素，不推薦采用。而鋼柱和鋼混組合柱各有優缺點，設計時可以充分吸收兩者長處，推薦使用。最終確定本橋中心柱在三層橋面以下采用鋼混凝土組合柱，以上采用鋼柱。

圖2　立交平面布置圖

圖3　立交中心柱效果圖

表2　立交中心柱結構型式比選

4　中心柱結構設計

如圖4所示，中心柱鋼柱外環直徑5.0 m，壁厚30 mm，內環直徑2.6 m，壁厚20 mm，內外環之間采用4道正交布置的腹板相連，以使內外環協同受力。外環內側以及內環外側設置板肋。中心柱下半段設計為鋼混組合柱，在內、外環之間填充混凝土，該段鋼柱腹板及內外環加勁肋上均開孔，使混凝土穿過以形成剪力銷，使混凝土與鋼管共同作用。

圖4　固結方案中心柱構造圖（單位：mm）

圖5　懸挑蓋梁方案中心柱構造圖（單位：mm）

二層懸挑蓋梁設計為倒T結構，懸挑長度自柱中心約18 m，懸挑蓋梁頂寬3.5 m，底寬6.6 m，根部高度4.1 m，通過3道腹板伸入中心柱內錨固。為緩解頂板與中心柱T接焊縫處疲勞，頂板與中心柱采用抱箍構造連接，抱箍寬度0.8 m，倒圓后與懸挑蓋梁頂板連接，通過該構造擴散蓋梁頂板應力，達到降低T型接頭位置應力幅，改善其疲勞性能的目的。其它層懸挑蓋梁與柱連接均采用類似構造。

三層、四層匝道與中心柱有兩種連接方式：一種為中心柱與鋼箱梁固結，另一種為中心柱懸挑蓋梁以支承鋼箱梁。經過比選，最終均選用固結方案。

三層與中心柱固結方案中，固結區高度與梁高一致，為3.0 m。固結箱型蓋梁總寬度9.5 m，共設置7道腹板，其中，中間3道腹板伸入中心柱內錨固，兩側4道腹板與垂直固結區蓋梁腹板方向伸出中心柱的腹板進行連接。該構造傳遞匝道箱梁的彎、剪、扭內力至中心柱。

三層與中心柱斜交蓋梁方案，斜交蓋梁與王城大道方向平行，蓋梁懸挑長度自柱中心約12 m，蓋梁頂、底寬均為3.6 m，根部高3.5 m。頂底板厚度均為40 mm。亦通過3道腹板伸入中心柱錨固，邊腹板厚20 mm，中腹板厚30 mm。

四層與中心柱固結方案同三層。

四層與中心柱正交蓋梁方案，蓋梁懸挑長度自柱中心約10 m，蓋梁頂、底寬均為3.6 m，根部高2.8 m。頂底板厚度均為40 mm。亦通過3道腹板伸入中心柱錨固，邊腹板厚20 mm，中腹板厚30 mm。

五層與中心柱采用斜交蓋梁構造，斜交蓋梁與南北向主線夾角45°，蓋梁懸挑長度自柱中心約15 m，蓋梁頂、底寬均為3.6 m，根部高3.5 m。頂底板厚度均為36 mm。亦通過3道腹板伸入中心柱錨固，邊腹板厚20 mm，中腹板厚30 mm。

中心柱基礎采用19根直徑1.5 m鉆孔灌注樁，樁長50 m。承臺厚度5.0 m，采用正六邊形布置。

6　中心柱結構靜力計算

6.1整體分析

中心柱承擔二至五層箱梁傳遞的恒、活載，受力非常復雜。最不利標準組合內力匯總如表3所示。為了準確考慮各梁荷載對中心柱的影響，計算采用MiadsCivil有限元軟件進行空間建模計算，空間桿系模型如下圖6所示。

表3　中心柱最不利標準組合內力匯總表

圖6　有限元計算模型

柱底段按組合結構計算，正常使用情況下，鋼結構最大拉應力16 MPa，混凝土相應拉應力約1.6 MPa，尚未開裂，混凝土全斷面參與受力分配。鋼結構中壓應力較小，最大值在73 MPa左右。

固結懸挑蓋梁構造尺寸受應力幅控制，最大應力幅30 MPa。五層蓋梁亦受應力幅控制，應力幅約30 MPa。懸挑蓋梁側向受力應力均在允許范圍以內。

6.2墩梁固結區局部分析

對于三四層與中心柱固結方案，考慮固結區受力復雜性，對該區域進行了局部板殼元分析，計算模型圖7所示。

圖7　墩梁固結區板殼元局部分析模型

該局部模型在柱底固結，鋼箱梁挑出端按完全釋放位移自由度而施加荷載邊界條件考慮，各荷載工況下梁端內力邊界條件自整體桿系模型中獲得。

計算主要考慮了3個荷載工況，工況1為車輛荷載作用在中心柱單側固結蓋梁上，此時固結區承受較大的橫橋向彎矩；工況2為半跨加載的車道荷載反對稱布置在中心柱兩側箱梁上，此工況，固結區承受較大順橋向扭矩；工況3為半跨加載的車道荷載對稱布置在中心柱兩側箱梁上，此時固結區承受較大順橋向彎矩。上述工況均根據整體桿系模型取最不利加載位置確定。

通過局部分析結果可知，固結區頂、底板應力有較大富余度，各腹板共同分擔豎向荷載，應力均在允許值以內。

6　中心柱抗震計算

中心柱支撐著多層橋梁，且四個方向的左轉匝道均為曲線梁橋，由于其平面不規則性和豎向的高差以及相鄰聯橋的相互影響，大地震作用下，曲線梁呈現彎扭耦合的受力特征，墩柱存在雙向彎曲與軸壓耦合、樁-土-結構共同作用、相鄰聯碰撞等復雜非線性因素，曲線橋的地震反應規律極為復雜，曲線橋梁易于發生落梁、墩柱彎剪破壞等嚴重震害，因此設計時對中心柱的抗震給予了高度重視［1，2］。

工程區地震動峰值加速度為0.10 g，相應于基本烈度Ⅶ度，地震動反應譜特征周期為0.40 s。場地類別為中軟土場地，建筑類別為Ⅱ類。

對于如此大型的互通立交橋梁工程，依據《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ166-2016），抗震設防分類屬于乙類橋。抗震設防標準和性能目標見表4，考慮豎向地震的作用，豎向設計加速度反應譜可由水平向設計加速度反應譜乘以0.65得到。

表4　抗震設防標準和性能目標

抗震分析所采用的空間有限元分析模型如圖8所示。其中，立柱按全部鋼混組合柱考慮。模型建立范圍包括中心柱相鄰各主線及匝道橋墩及之間的上部箱梁，以充分考慮邊界條件對中心柱抗震的影響。在分析中，考慮了四層高架結構在地震時的耦合振動作用，以及地震波傳播方向的任意性。

圖8　抗震分析模型

中心柱按鋼混凝土組合截面計算，在E1、E2情況下，保持在彈性范圍。基于中心柱受力重要性，E2設防水準下保證彈性是合適的；中心柱自三層底以上高度地震反應較小，可以考慮采用鋼柱，降低填充混凝土的施工難度；樁基礎在E1情況下均保持彈性，E2情況下，采用1.5%配筋率能滿足能力保護構件的強度要求。

7　結　語

本文以某大型互通立交橋的中心柱為工程背景，詳細介紹了中心柱的總體布置、結構型式比選、總體與局部計算分析，抗震分析等。該方案巧妙地解決了立交橋墩布置的難題，設計大膽新穎，技術含量高，是立交結構設計的創新和亮點，可為類似工程提供一定的借鑒。

［1］徐激.延安路立交中心獨柱墩設計 ［C］//全國城市橋梁青年科技學術會議論文集，北京：人民交通出版社，1996.

［2］胡世德，葉愛君，范立礎.獨柱式多層立交橋非線性地震反應分析［J］.土木工程學報，1997（4）:19-25.

U448.22

B

1009-7716（2016）07-0100-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.030

2016-00-00

黃曉彬（1984-），男，廣西貴港人，工程師，工學碩士，從事橋梁結構設計研究工作。