狹窄地形條件下舊路加寬改造方案研究

孫平凡

（中科路恒工程設計有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概況

山西省內某國道于1995年建成通車，按照二級專用公路標準建設，其中項目起點至漳源鎮段長35 km，設計速度40 km/h，路基寬度9 m，漳源至該項目終點段長 72.5 km，設計速度 80 km/h，路基寬度12 m，部分路段寬23 m和24.5 m。

為改善國道沿線的交通條件，充分發揮國道干線公路的功能，擬對該項目進行改擴建。改造技術標準采用具有干線功能部分控制出入的雙向四車道一級公路標準，分起點至漳源鎮、漳源鎮至終點兩段。其中：起點至漳源鎮設計速度為60 km/h，整體式路基寬度24.5 m、分離式路基寬度2×12.0 m，漳源鎮至終點設計速度為80 km/h，整體式路基寬度25.5 m、分離式路基寬度2×12.75 m；汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，小橋、涵洞、通道與路基同寬。根據設計方案，項目路線方案基本沿既有國道舊路進行，其中K954+530—K954+100段，存在鐵路、省道、國道、大型水庫大壩平行排列，改擴建空間受限嚴重等問題。既有道路平面位置關系見圖1。

圖1 既有道路平面位置關系圖

2 總體設計原則

a）經過對該段道路現場踏勘、調研可知，采用常規拓寬方式主要存在以下問題：

（a）既有省道與擬改造國道并行，左側無加寬空間。

（b）受水庫大壩南側高擋墻護岸影響，右側拼接路基將破壞既有水庫護岸基礎。

（c）原路東西兩側現狀緊鄰某省道和大型水庫及閘房，加寬橋梁墩柱基礎將深入水庫保護區范圍。

b）結合現場調查情況及省道管理單位、水庫管理單位意見及相關并行規程要求，提出以下設計原則：

（a）不侵占既有道路的建筑限界。

（b）加寬設計方案充分考慮場地大小及結構施工對周邊閘房的影響。

（c）滿足水庫預留的防洪救援通道的通行要求。

（d）在技術可行前提下，選擇經濟性更佳的設計、施工方案。

3 總體設計方案

根據上述設計原則，進行多方案比選研究，提出左路右橋方案通過該路段，即左幅利用既有國道舊路，右幅采用橋梁形式沿水庫邊緣行進。同時結合防洪批復意見，大橋中心樁號調整為右K954+819，采用（4×30+5×30+4×30+1×50+4×30）m，孔跨布置形式，右前夾角為90°。上部結構第1～3聯、第5聯、橋梁橫斷面由5片T梁組成，橋面橫坡由蓋梁橫坡、T梁翼緣板預制橫坡和橋面混凝土現澆層共同調整，橫梁也相應傾斜。第14跨橋梁橫斷面由整體式單箱雙室直腹板鋼箱梁組成，橋面橫坡由兩側腹板不等高和橋面混凝土現澆層共同調整，橫梁也相應傾斜。該方案可大幅降低橋長，并解決了水庫大壩南側高擋墻無法拼接的問題，同時實現了對水庫閘房段的一跨跨越，減少了對水庫防洪救援道路的干擾，對水庫的影響降到最低[1]。大橋的三維效果圖見圖2。

圖2 大橋三維效果圖

設計中同步采用如下環保設計措施。

a）橋梁設計時，采用橋面徑流收集系統，將橋面水收集到兩端橋臺處理池內，不直接排入水庫庫區，不會對水庫水質造成污染。

b）第14跨簡支鋼箱梁兩側均設置聲屏障，可以有效減少運營期噪聲對水庫閘房及管理區的影響。

4 蓋梁設計研究

為減少對水庫閘房及防洪救援通道通行的干擾，第14跨采用1×50 m簡支鋼箱梁進行跨越，構造物邊線距閘房交通橋梁最近距離為9.5 m，鋼箱梁橋下最低凈高應不低于5.0 m，完全可以滿足橋下通行要求。為避免對右側護岸基礎的影響，橋墩承臺基礎向左側橫向偏移，需要對蓋梁的設計方案進行比選研究。水庫閘房段橋墩相對位置關系見圖3。

圖3 水庫閘房段橋墩相對位置關系圖

4.1 設計方案一 對稱大懸臂蓋梁

4.1.1 設計方案

通過回縮橋墩橫向尺寸，外伸懸臂蓋梁避開了護岸基礎墻趾。本方案蓋梁長度為11.8 m，寬度為2.5 m，高度分別為2.2 m（大樁號側）、2.7 m（小樁號側），蓋梁懸臂尺寸為4.4 m。橋墩及蓋梁構造尺寸見圖4。

圖4 方案一蓋梁構造尺寸圖（單位：cm）

4.1.2 蓋梁有限元分析

為計算分析該項目不對稱蓋梁的受力特性，采用桿系有限元軟件模擬墩柱及蓋梁，墩柱底進行固結模擬，分析模型共計節點數254，梁單元數為232，結構計算模型見圖5所示。

圖5 懸臂蓋梁有限元模型

經計算分析，提取結構在不利組合下的荷載效應如表1所示。

表1 方案一結構驗算結果表

由表1可知蓋梁最大彎矩值為-29 812 kN·m，其控制截面為懸臂根部附近，結構設計截面抗彎效應值為-49 139 kN·m，安全系數富余度為1.6。最大剪力值為10 140 kN，最大效應發生在墩身交接處，結構設計斜截面抗剪效應為16 900 kN，安全系數富余度為1.7。結構正截面最大拉應力0.16 MPa，斜截面最大拉應力為 0.65 MPa，均滿足規范限值 -1.86 MPa、-1.33 MPa的要求。正截面壓應力、斜截面主壓應力、短暫狀況應力效應值分別為5.91 MPa、6.62 MPa、6.93 MPa，均滿足規范限值 16.20 MPa、19.44 MPa、18.76 MPa 的要求[2]。

4.2 設計方案二 不對稱懸臂蓋梁

4.2.1 設計方案

通過橫向擴展墩柱尺寸，橫向移動承臺及基礎尺寸，采用不對稱蓋梁的設計方式[3]，避開了護岸基礎墻趾。該方案偏心距為2.6 m，蓋梁長度為11.8 m，寬度為2.5 m，高度分別為2.2 m（大樁號側）、2.7 m（小樁號側），兩側不對稱懸臂為1.9 m、4.5 m。橋墩及蓋梁構造尺寸見圖6。

圖6 方案二蓋梁構造尺寸圖（單位：cm）

4.2.2 蓋梁有限元分析

利用Midas軟件建立有限元桿系模型，考慮墩柱尺寸較大，同步模擬墩身及承臺構造，并在承臺底部進行固結處理。分析模型共計節點數234，梁單元數為213，結構計算模型見圖7所示。

圖7 墩臺蓋梁有限元模型

經計算分析，提取結構在不利組合下的荷載效應如表2所示。

表2 方案二結構驗算結果表

由表2可知蓋梁最大彎矩值為-23 473 kN·m，主要控制截面為右側懸臂蓋梁根部，結構設計截面抗彎效應值為-521 393 kN·m，安全系數富余度為2.2。最大剪力值為7 230 kN，最大效應發生在墩身交接處，結構設計斜截面抗剪效應為13 220 kN，安全系數富余度為1.8。結構正截面最大拉應力為0.52 MPa，斜截面最大拉應力為0.35 MPa，均滿足規范限值-1.86 MPa、-1.33 MPa的要求。正截面壓應力、斜截面主壓應力、短暫狀況應力效應值分別為6.78 MPa、6.88 MPa、7.36 MPa，均滿足規范限值 16.20 MPa、19.44 MPa、18.76 MPa 的要求[3]。

4.3 方案對比

針對前述方案的特點，綜合水庫閘房及壩址處基礎的安全距離要求，對上述兩個方案進行對比如表3。

表3 方案比選表

由上述分析可知，兩方案蓋梁構造選擇及配束形式均滿足正截面抗彎、斜截面抗剪、抗裂、彈性強度驗算的相關規定，并有一定的富裕度。但考慮到方案一墩身截面尺寸較小，抗剪及穩定性能較弱，且該項目為重載交通下國省干線改造，重載貨車比例較大，對構造物穩定性要求高。綜合考慮安全、適用等方面因素，選擇方案二作為跨越水庫閘房及躲避護岸基礎墻趾方案。

5 結語

針對山西省某國道改擴建工程中路線經過水庫段的項目地形特點，研究了左右幅路基加寬的條件，最后提出了半橋半路的改擴建方案。同時考慮水庫閘門的影響及水庫大壩南側高擋墻無法拼接的問題，采用1-50 m的鋼箱梁方案，并采用不對稱預應力混凝土懸臂蓋梁和獨柱墩大懸臂預應力混凝土蓋梁的設計方案進行了比選研究，避免了對水庫大壩南側高擋墻地址的侵占，滿足了橋梁所在區域內地面復雜交通功能的需求，節省了城鎮空間區域。通過有限元驗算可知，獨柱墩大懸臂蓋梁方案截面彎矩、剪力、拉應力效應較不對稱懸臂蓋梁方案大。綜合考慮安全、適用等方面因素，選擇不對稱懸臂蓋梁方案作為跨越水庫閘房及躲避護岸基礎墻趾方案，且驗算可知蓋梁的承載力及應力的驗算指標，均滿足受力要求，方案切實可行。通過對半橋半路的加寬設計方案及不對稱預應力混凝土懸臂蓋梁的設計技術研究，對于今后穿越同類狹窄地區高速公路及國省道改擴建工程設計具有較高的參考價值和借鑒意義。