連續(xù)剛構(gòu)混凝土彎箱梁匝道橋設(shè)計(jì)與計(jì)算

秦向杰

（東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 南京 210096）

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

城市高架及互通橋梁設(shè)計(jì)大多以多跨現(xiàn)澆連續(xù)箱梁為主，在跨越被交道路時(shí)常采用主跨一跨跨越的連續(xù)梁橋，橋梁位于互通匝道上時(shí)常被設(shè)計(jì)成彎箱梁橋。對(duì)于跨徑較大、墩高較高的橋梁，常采用墩梁固結(jié)的變截面連續(xù)剛構(gòu)橋。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，高墩大跨變截面彎箱梁橋的應(yīng)用越來(lái)越普遍，其設(shè)計(jì)也越來(lái)越受到橋梁設(shè)計(jì)者的重視[1]。以下結(jié)合湖州二環(huán)北路蘇家莊立交節(jié)點(diǎn)匝道橋的設(shè)計(jì)介紹該類(lèi)橋梁的具體設(shè)計(jì)方法。

湖州內(nèi)環(huán)北線(xiàn)連接湖州北部片區(qū)，是北部區(qū)域?qū)ν鉁贤ǖ闹匾ǖ溃卷?xiàng)目對(duì)于構(gòu)建湖州市路網(wǎng)體系，加強(qiáng)北部片區(qū)東西方向的溝通均具有重要的意義。路線(xiàn)西起西塞山路，東至三環(huán)東路，途經(jīng)輕紡路、龍溪北路、青銅路、體育場(chǎng)路，內(nèi)環(huán)東路、朱洪南路、大升路等主要交叉道路，沿線(xiàn)跨越龍溪港、新塘港、大錢(qián)港三處航道，全長(zhǎng)約9.71 km。

SC匝道橋第5聯(lián)是內(nèi)環(huán)北線(xiàn)蘇家莊立交互通節(jié)點(diǎn)上的一聯(lián)箱梁，其平面位于R=100 m圓曲線(xiàn)及A=77.46 m的緩和曲線(xiàn)上，橋梁連續(xù)跨越SE匝道橋、杭長(zhǎng)橋路主線(xiàn)橋及SF匝道橋，跨徑布置為30 m+49 m+30 m，橋梁寬度10 m，采用整幅橋斷面形式。其平立面布置見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 SC匝道第5聯(lián)平面布置（單位：m）

1.2 橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：城市快速路兼一級(jí)公路。

（2）設(shè)計(jì)車(chē)速：匝道橋40 km/h。

（3）汽車(chē)荷載等級(jí)：城-A級(jí)并滿(mǎn)足公路-I級(jí)。

（4）環(huán)境類(lèi)別：I類(lèi)。

（5）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a。

（6）設(shè)計(jì)使用年限（主體結(jié)構(gòu)）：100 a。

（7）設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

2 橋梁結(jié)構(gòu)尺寸初步擬定

初步設(shè)計(jì)階段，對(duì)箱梁尺寸總體擬定如下：箱梁邊跨及中跨跨中梁高均為1.8 m，主墩處梁高2.8 m，梁高變化規(guī)律采用二次拋物線(xiàn)過(guò)渡。箱梁采用單箱單室截面，外側(cè)腹板采用斜腹式+倒圓弧形式，邊腹板斜率為1.5∶1，箱梁懸臂與斜腹板間設(shè)置半徑2.5 m圓弧。箱梁橫坡通過(guò)箱梁頂、底板共同傾斜形成，采用搭支架整體現(xiàn)澆的施工方法。

圖2 SC匝道第5聯(lián)橋型布置圖（單位：cm）

箱梁懸臂長(zhǎng)1.75 m，懸臂端部厚20 cm，懸臂根部（虛交點(diǎn)）厚38 cm，懸臂端部預(yù)留10 cm長(zhǎng)度與外側(cè)墻式護(hù)欄一起澆筑；頂板厚度28 cm；跨中腹板厚度為50 cm，主墩墩頂兩側(cè)各8 m范圍內(nèi)腹板厚度80 cm，過(guò)渡段長(zhǎng)度5m，線(xiàn)性過(guò)渡。跨中底板厚度28 cm，主墩墩頂附近底板厚度50 cm，厚度變化規(guī)律按二次拋物線(xiàn)變化。

主墩墩頂設(shè)置厚度為2 m的中橫梁，邊墩處設(shè)置厚度1.5 m的端橫梁，主跨跨內(nèi)設(shè)置厚度為0.35 m的均勻布置的橫隔板2道，邊跨跨中設(shè)置厚度為0.35 m的橫隔板1道；中橫梁及橫隔板上設(shè)置人孔，邊跨側(cè)中橫梁附近底板設(shè)置?80 cm檢修孔。

3 縱橋向受力分析及優(yōu)化

縱橋向整體計(jì)算采用“橋梁博士3.6”平面桿系計(jì)算程序，主梁和主墩共同參與受力，在邊墩位置按支座模擬，主墩底部根據(jù)地基土特性按實(shí)際彈性系數(shù)模擬其邊界條件，全橋共劃分為113個(gè)單元，見(jiàn)圖3。

3.1 對(duì)腹板斜率的優(yōu)化

結(jié)構(gòu)尺寸初步擬定時(shí)邊腹板斜率等參數(shù)的選取考慮與相鄰聯(lián)等高箱梁參數(shù)一致。由于匝道箱梁橋?qū)捳▋H為10 m），本聯(lián)箱梁在主墩墩頂處梁高較高（2.8 m），較小的腹板斜率使得墩頂附近位置底板寬度過(guò)小，根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，在主墩墩頂附近部分截面底板受壓區(qū)高度不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖3 全橋結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

表1 結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算表（腹板斜率1.5∶1，倒角R=250 cm）

設(shè)計(jì)把邊腹板斜率適當(dāng)增大至3∶1，從表2可以看出，腹板斜率調(diào)整后，截面受壓區(qū)高度均能滿(mǎn)足規(guī)范要求，同時(shí)截面構(gòu)造也兼顧了箱梁美觀，見(jiàn)圖4。

表2 結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算表（腹板斜率3∶1，倒角R=170 cm）

3.2 箱梁梁高優(yōu)化調(diào)整

常規(guī)變截面連續(xù)剛構(gòu)橋一般采用縱橋向以主墩為對(duì)稱(chēng)軸左右側(cè)梁高對(duì)稱(chēng)變化，到梁端支點(diǎn)及主跨跨中箱梁梁高均變化至同一數(shù)值，本橋由于平面布置條件受限，箱梁邊中跨跨徑比值為30/49=0.61，邊跨跨徑偏小，導(dǎo)致中跨內(nèi)力和彎矩比邊跨增加較多，結(jié)構(gòu)受力不合理。

圖4 箱梁優(yōu)化前后主墩處斷面布置（單位：cm）

從圖5可以看出，在中跨跨中梁高調(diào)整為2.1 m時(shí)（邊跨端部梁高保持1.8 m不變），中跨跨中箱梁底板最小壓應(yīng)力富余從0.5 MPa提高到1.9 MPa，結(jié)構(gòu)受力更為合理。

圖5 正常使用極限狀態(tài)荷載組合II主梁截面應(yīng)力圖（單位：MPa）

4 邊墩支座脫空驗(yàn)算

平面小半徑彎梁橋需要重點(diǎn)考慮各支座的脫空情況及橋梁整體在最不利工況下是否傾覆。本聯(lián)橋梁為連續(xù)剛構(gòu)，無(wú)橋梁整體傾覆風(fēng)險(xiǎn)，但仍需考慮端橫梁處各支座的最小支反力驗(yàn)算，以保證最不利組合下結(jié)構(gòu)處于受壓穩(wěn)定狀態(tài)。

采用Midas civil 2019空間結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件建立模型（見(jiàn)圖6），驗(yàn)算在不同端支座橫向間距情況下支反力情況。

圖6 全橋Midas空間結(jié)構(gòu)分析模型

從表3可以看出，當(dāng)梁端橫向支座間距為2.3 m時(shí)，承載能力最不利組合各支座最小反力均為負(fù)值，結(jié)構(gòu)存在支座脫空的不穩(wěn)定狀況。當(dāng)梁端橫向支座間距加寬至4 m時(shí)，3#邊墩處外側(cè)支座有最小支反力139 kN（受壓），所有支座均處于受壓狀態(tài)，且有一定的安全儲(chǔ)備，從而保證了全橋結(jié)構(gòu)的橫向整體穩(wěn)定。

截面位置承載能力最不利組合最小支反力/kN（端橫梁處支座間距2.3 m）承載能力最不利組合最小支反力/kN（端橫梁處支座間距4 m）0#邊墩處外側(cè)支座 -857.1 198.5內(nèi)側(cè)支座 -350.9 562.7 3#邊墩處外側(cè)支座 -923.6 139.0內(nèi)側(cè)支座 -419.4 464.3

5 結(jié)論

連續(xù)剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土彎箱梁匝道橋在設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合本項(xiàng)目設(shè)計(jì)情況，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

（1）匝道橋橋?qū)捿^窄，主墩處梁高較高，較小斜率的斜邊腹板設(shè)計(jì)導(dǎo)致主墩處底板寬度較小，容易導(dǎo)致承載能力極限狀態(tài)下底板受壓區(qū)高度驗(yàn)算不滿(mǎn)足規(guī)范要求。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意在兼顧橋梁美觀的前提下，適當(dāng)增大邊腹板斜率，以保證主墩附近底板受壓區(qū)高度驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）由于本橋布跨條件受限，橋梁邊中跨跨徑比值僅為0.61，偏小，直接導(dǎo)致主跨受力不利，本項(xiàng)目采用增大主跨跨中控制點(diǎn)梁高方式改善結(jié)構(gòu)受力狀況。建議在條件允許的情況下，盡量增大邊中跨跨徑比值至0.65～0.8之間。

（3）平面小半徑彎箱梁橋橫橋向支座脫空驗(yàn)算是設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，本項(xiàng)目當(dāng)端橫梁橫向支座間距由2.3 m調(diào)整為4 m時(shí)，結(jié)構(gòu)處于全部受壓穩(wěn)定狀態(tài)。建議在有條件情況下盡量加大橋墩支座橫向距離，保證橋梁結(jié)構(gòu)橫向整體穩(wěn)定性。