互通立交匝道橋梁設(shè)計(jì)研究

熊建輝

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司深圳分院，廣東深圳 518045）

1 引言

作為當(dāng)下城市交通不可或缺的結(jié)構(gòu)，互通立交能夠有效優(yōu)化路段各方向車流的匯入現(xiàn)象，節(jié)約現(xiàn)代城市民眾出行耗時(shí)，提高交通效率。互通立交的建構(gòu)質(zhì)量主體依托于其橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，良好的橋梁設(shè)計(jì)能夠顯著提高車輛行駛的安全性及相應(yīng)路段車流通行與集散的效率[1]。基于此，研究與優(yōu)化立交橋梁對整體交通工程發(fā)展具有重要意義。

2 城市互通立交匝道橋梁特點(diǎn)分析

2.1 互通立交匝道運(yùn)行速度特點(diǎn)

在匝道施工設(shè)計(jì)中，一定要遵循當(dāng)?shù)厝说男熊嚵?xí)慣，始終保證行駛中的車輛視距不受任何情況影響。匝道的施工設(shè)計(jì)要充分考慮車輛行駛的3 個(gè)過程：一是駛?cè)朐训罆r(shí)，駕駛?cè)说囊曈X改變和熟悉外部環(huán)境需要一定的調(diào)整時(shí)間，因此在駛?cè)朐训罆r(shí)車輛速度會有一個(gè)逐步減慢的過程；二是行駛在匝道中間段，駕駛員已基本適應(yīng)外部環(huán)境，車輛保持勻速行駛狀態(tài)；三是駛出匝道時(shí)，為了快速適應(yīng)正道的行駛速度，車輛駕駛員通常會從匝道尾處開始加速行駛[2]。

2.2 互通立交匝道通行能力分流分析

道路互通立交的出入口處由于通行車輛較多且通行車況復(fù)雜，該位置往往是交通事故和各種意外情況發(fā)生的集中爆發(fā)點(diǎn)。因此，在進(jìn)行互通立交施工設(shè)計(jì)前，一定要結(jié)合通行車輛荷載承受力、不同車型對道路的不同要求等情況，對匝道的坡度、坡長、橫斷面尺寸、橋梁支撐結(jié)構(gòu)及建設(shè)規(guī)模等內(nèi)容進(jìn)行綜合細(xì)致分析，進(jìn)而制訂科學(xué)合理的施工設(shè)計(jì)方案[3]。

3 城市互通立交匝道橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

城市道路的互通立交匝道從外部結(jié)構(gòu)上來看，主要是由上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分組成，在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)時(shí)，要分別從兩個(gè)部分結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的職能進(jìn)行針對性能力分析，也要將兩個(gè)部分組合在一起進(jìn)行綜合分析，因?yàn)樵谧罱K的應(yīng)用中，兩個(gè)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別影響著匝道的整體應(yīng)用效果，但兩個(gè)部分組合后的應(yīng)用效果才是至關(guān)重要的決定性因素。兩個(gè)組成部分在具體施工設(shè)計(jì)中應(yīng)分別注意。

1）匝道橋梁的上部結(jié)構(gòu)主要是保障行駛車輛的正常通行，體現(xiàn)為具體的使用載體，因此，在進(jìn)行匝道橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要以通行要求為基礎(chǔ)來綜合考慮匝道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容[4]。例如，鑒于匝道寬度是影響車輛通行速度和效率的關(guān)鍵因素，橋梁形狀結(jié)構(gòu)是保障車輛行駛安全的關(guān)鍵因素，匝道橋面坡度是影響車輛行駛的重要因素等，在進(jìn)行匝道橋梁施工設(shè)計(jì)中，要對匝道橋梁的結(jié)構(gòu)形狀、橫斷面尺寸、坡度、寬度、長度等內(nèi)容進(jìn)行全面綜合性分析，進(jìn)而保證匝道橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性，保證城市道路交通運(yùn)行的安全性、可靠性和高效性。

2）匝道橋梁的下部結(jié)構(gòu)主要是保證匝道運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，體現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)的支撐，因此，在進(jìn)行匝道橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要以整體橋梁的荷載承受力為基礎(chǔ)進(jìn)行綜合性分析設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于匝道橋梁的下部結(jié)構(gòu)最直觀地暴露在居民視野中，在施工設(shè)計(jì)中還要充分考慮所處位置的外部環(huán)境因素。例如，支撐橋墩結(jié)構(gòu)的美觀性、占地面積、箱梁橋的整體支撐設(shè)計(jì)等。總的來說，匝道橋梁的下部結(jié)構(gòu)是保障匝道整體結(jié)構(gòu)安全性和可靠性的基礎(chǔ)，在施工設(shè)計(jì)時(shí)要將所有相關(guān)因素都統(tǒng)籌考慮進(jìn)去，進(jìn)而保證施工設(shè)計(jì)的全面性和可靠性。

4 工程實(shí)例

深圳市彩梅立交改造工程項(xiàng)目南起現(xiàn)狀彩田路與蓮花支路相交路口，向北上跨北環(huán)大道后，繼續(xù)上跨梅林路，向北接順現(xiàn)狀彩田路，終于梅東二路，改造全長約1.3 km，平面整體呈南北走向。彩梅立交全線共新建主線橋1 座，匝道橋5 座，通道1 座，天橋梯道2 座，新建橋涵總長為2 059.2 m，總建筑面積為33 520.4 m2。

5 互通立交橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

工程中匝道橋建設(shè)目的為舒緩路段南北直行車流增多帶來的壓力，其結(jié)構(gòu)為3 層互通立交，布局總體采用從上至下。基于工程測量與研究，分析出3 點(diǎn)影響設(shè)計(jì)互通式立交橋梁結(jié)構(gòu)的因素。

1）某高層構(gòu)建物坐落于立交工程東北方，距離立交工程所設(shè)計(jì)主線路段過近，約65 m。同時(shí)，在互通立交路往北約110 m 范圍內(nèi)一條地裂縫貫穿施工場地，平行于互通立交路段。考慮上述狀況，工程所設(shè)計(jì)橋梁東向南匝道的平曲線最小半徑值僅有25 m，縱坡最大僅為4.6%，具有道路指標(biāo)過低隱患。具體立交橋工程環(huán)境示意圖如圖1 所示。

圖1 城市立交橋環(huán)境示意圖

2）工程需考慮平行其立交互通路段的一條半徑為1 400 mm的雨水管道，給橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了進(jìn)一步挑戰(zhàn)。

3）工程橋梁邊線臨近地面道路，橋梁設(shè)計(jì)需考慮左右轉(zhuǎn)向所帶來的交通車流壓力。此外，基于交通組織狀況，立交工程的橋墩設(shè)置還需配合地面交通需求，給橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步增添了難度。為使互通立交橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為科學(xué)合理，相關(guān)參與設(shè)計(jì)規(guī)劃人員應(yīng)當(dāng)具備良好的科學(xué)素養(yǎng)，充分利用現(xiàn)代化技術(shù)成果，盡可能降低上述不利因素對工程的影響。

6 互通立交橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

6.1 小半徑匝道橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到曲率等因素影響，為預(yù)防彎橋截面發(fā)生翹曲變形現(xiàn)象發(fā)生，即降低扭矩對彎橋承受豎直向彎曲過程中的影響，相關(guān)設(shè)計(jì)工程師要基于工程特征，在設(shè)計(jì)規(guī)劃匝道階段針對性選用約20 m 的跨徑。同時(shí)，在對工程橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮扭矩對其腹板里外下?lián)系挠绊懀x用雙支座以避免內(nèi)外側(cè)下?lián)线^大差距。規(guī)劃立交橋防撞護(hù)欄方案時(shí)，工程師需選用不同材質(zhì)防撞護(hù)欄配置匝道橋梁內(nèi)外側(cè)，通常內(nèi)側(cè)選用混凝土材質(zhì)，外側(cè)選用鋼材質(zhì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)與研究分析得出，當(dāng)匝道內(nèi)外選用不同材質(zhì)護(hù)欄種類時(shí)，能夠有效降低梁內(nèi)扭矩，均衡兩側(cè)支座豎向反力，舒緩梁中內(nèi)力。在恒載狀況下檢測不同材質(zhì)護(hù)欄與同材質(zhì)護(hù)欄影響分析對照表見表1 和表2。

表1 恒載狀況下外側(cè)鋼護(hù)欄及內(nèi)側(cè)混凝土護(hù)欄影響分析對照表

表2 恒載狀況下兩側(cè)均為混凝土護(hù)欄影響分析對照表

6.2 地裂縫部位的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工程施工區(qū)域內(nèi)的地裂縫為過度采集承壓水所致，經(jīng)過專家探測與分析，為活動(dòng)性地裂縫，具有正斷層特性，即相對上盤降低，下盤升高。基于研究結(jié)果，為盡可能降低地裂縫對整體立交工程的影響，橋梁構(gòu)造設(shè)計(jì)人員應(yīng)遵守國家及地方有關(guān)管控單位頒布的規(guī)章制度，將此地裂縫視作三類建筑物進(jìn)行避讓處理，上盤理論避讓距離需超過6 m，下盤不小于4 m。考慮工程勘測精度影響，為盡可能降低誤差，最終工程決定實(shí)際上盤避讓距離需超過8.7 m，下盤不小于6.7 m。此外，為確保橋梁樁基結(jié)構(gòu)底端位置處于避讓區(qū)域外，需將地裂縫傾角視為80°。綜合上述參數(shù)，最終設(shè)計(jì)出跨越地裂縫區(qū)域立交橋梁跨度需大于52 m，并設(shè)計(jì)靜定結(jié)構(gòu)作為此段橋梁結(jié)構(gòu)類型，以減少地裂縫活動(dòng)對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)。

6.3 下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

立交橋梁工程建設(shè)中需要考慮輔道的結(jié)構(gòu)構(gòu)建，為盡可能降低立交橋出現(xiàn)橋墩無序、繁多等狀況發(fā)生，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要遵循安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟(jì)合理的標(biāo)準(zhǔn)，對工程所建設(shè)橋墩的數(shù)目及大小進(jìn)行科學(xué)合理把控。從工程實(shí)際出發(fā)，改善橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案需要考慮多方面因素，諸如橋梁在建設(shè)與服役期間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、地震荷載等，即基于工程所在地域地震安全性評估等級，針對性進(jìn)行橋梁下部橋墩規(guī)劃設(shè)計(jì)。本工程中，施工地域地震評估等級為高烈區(qū)，故整體橋梁工程墩柱類型選用矩形柱，并使用具備強(qiáng)阻尼的橡膠支座作為工程橋梁支座，以便更有效地把控橋墩截面大小。

通過對立交橋梁墩底模擬E1 地震作用，測得在不同橋向下隔震橋梁下部結(jié)構(gòu)的彎矩及剪力減震系數(shù)普遍大于50%、樁頂內(nèi)力的減震系數(shù)則普遍大于30%。考慮到傳統(tǒng)橋梁所使用的固定支座橋墩其中內(nèi)力分布的均勻性較低，不利于隔震，可選用高阻尼支座以優(yōu)化盆式支座橋墩內(nèi)力均勻性。此外，在E2 地震作用下，為有效降低橋梁墩底出現(xiàn)塑性鉸狀況發(fā)生，選用具備高阻尼性的橡膠用作橋墩支架材質(zhì)，此時(shí)橋梁下部結(jié)構(gòu)剪力具備64%的減震系數(shù)且樁頂內(nèi)力穩(wěn)定，滿足立交橋梁樁基整體結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

立交橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要著重關(guān)注其蓋梁設(shè)計(jì)，在符合抗震指標(biāo)的基礎(chǔ)上，做好抗震措施與橋梁結(jié)構(gòu)的融合設(shè)計(jì)，保障橋下預(yù)留出適宜空間。為確保橋梁結(jié)構(gòu)在遭遇地震等自然災(zāi)害期間不發(fā)生落梁等安全事故，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在橋梁底規(guī)劃安裝自上而下的凸塊，并空余適宜空間于橋墩間。當(dāng)建設(shè)橋墩較高時(shí)，設(shè)計(jì)人員需規(guī)劃安裝系梁于橋墩之間，并合理適配其大小，以確保橋墩不先于系梁遭到損壞。為確保系梁具備較強(qiáng)的塑性變形性能，需要增加對應(yīng)的結(jié)構(gòu)配筋數(shù)目。嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計(jì)要求對箍筋的配筋進(jìn)行制作，以更好地作用于立交橋梁的塑性鉸區(qū)，在后續(xù)通過地下樁基抗彎檢驗(yàn)后，依據(jù)最新抗震要求，對橋墩保護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件予以進(jìn)一步認(rèn)定。

7 結(jié)語

總體而言，作為當(dāng)下城市交通不可或缺的結(jié)構(gòu)，互通立交有效優(yōu)化道路各方向車流的匯入問題，提高了交通效率。本文以具體工程為實(shí)例，詳細(xì)探討了互通立交匝道橋梁設(shè)計(jì)方法，以提高行車的安全和道路的通行與集散效率。對城市交通的可持續(xù)發(fā)展起到推動(dòng)作用。