城市立交工程中鋼箱梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工

城市立交工程中鋼箱梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工

隨著我國城市化和道路交通運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，由快速路和主要道路組成的城市高架道路系統(tǒng)也迅速發(fā)展，城市主要道路的交叉口建設(shè)日益繁榮。城市立交橋由于受地形、地物以及需跨越的已有城市道路的影響,其設(shè)計(jì)和施工往往受到諸多因素的限制,這就決定了城市立交橋設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn):(1)為了跨越已建城市主干道而不影響正常的城市交通,抗扭剛度大、強(qiáng)度高、整體性好及架設(shè)工期短等特點(diǎn)的鋼箱梁結(jié)構(gòu)逐漸得到更多的應(yīng)用;(2)由于受地形、地物等限制,立交匝道橋?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能多采用較小半徑的彎、坡、斜橋,且設(shè)置較大的超高值;(3)為了與城市環(huán)境協(xié)調(diào),使立交橋的造型優(yōu)美、線性流暢,達(dá)到令人賞心悅目的景觀效果,獨(dú)柱式橋墩和較大懸臂等高度斜腹板箱梁得到廣泛采用;(4)城市立交橋的施工往往受到市政工程超短工期的限制,為了方便施工和縮短施工周期,在城市立交橋設(shè)計(jì)中,多采用等跨徑的橋跨布置,且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)種類盡可能單一和標(biāo)準(zhǔn)化。筆者曾參加某城市大型立交橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工后服務(wù),對城市立交橋設(shè)計(jì)有一些體會。本文著重介紹其中幾個(gè)方面的問題,供同行在城市立交橋設(shè)計(jì)中參考。1結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆城市大型立交橋的施工,通常會對城市道路交通和周邊環(huán)境造成較大影響,因此城市立交工程對施工方案和施工工期的要求非?？量?。鋼箱梁結(jié)構(gòu)除了有抗扭剛度大、強(qiáng)度高、重量輕、整體性好和外形簡潔流暢等特點(diǎn)外,還具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便、施工簡便、迅速等特點(diǎn)。城市立交主線橋或匝道橋的中小跨徑鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡單,無論是簡支結(jié)構(gòu)還是連續(xù)梁結(jié)構(gòu),都可以通過調(diào)整頂、底板的厚度來適應(yīng)主梁彎矩的變化,使鋼板應(yīng)力控制在合理范圍內(nèi)而不會增加設(shè)計(jì)和施工的難度。城市立交橋的鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能較容易地達(dá)到現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求的強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形的有關(guān)規(guī)定,其施工也以工廠預(yù)制加工、現(xiàn)場焊接安裝等較為簡單的施工方法為主,因此鋼箱梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和施工方面的優(yōu)勢順應(yīng)了城市立交橋梁的發(fā)展趨勢,能夠在不妨礙原有交通的前提下進(jìn)行施工且提高施工進(jìn)度。但鋼箱梁結(jié)構(gòu)在作為立交匝道橋(特別是曲線橋)的主梁時(shí),容易忽視結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆問題。如圖1所示,一個(gè)2跨1聯(lián)的斜腹板鋼箱梁匝道橋,橋跨8m,跨徑分別為23.6m+21.4m,梁高1.5m,箱梁凈懸臂長1.95m,支座設(shè)置為箱梁兩端各設(shè)置2個(gè)四氟滑板橡膠支座,中墩支點(diǎn)為設(shè)置一盆式固定支座。在施工混凝土防撞護(hù)欄時(shí),施工方未按設(shè)計(jì)要求兩側(cè)平衡施工,而是單側(cè)施工防撞護(hù)欄,導(dǎo)致施工護(hù)欄至最后一段時(shí),鋼箱梁發(fā)生側(cè)向偏轉(zhuǎn),另一側(cè)支座脫空。主要原因是由于鋼箱梁自重小,支座設(shè)計(jì)僅在兩端設(shè)置了雙向支座,且由于箱梁底寬的限制使支座橫向?qū)挾容^小,這樣2個(gè)雙支座能提供的橫向抗矩就相對較小,中間支點(diǎn)為一單支座,是不提供橫向抗矩的。因此,城市立交匝道橋在采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)重視箱梁橫向抗傾覆問題,聯(lián)長越長,這個(gè)問題越突出,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用雙支座;兩支座橫向間距宜大,或者設(shè)置抗拉支座。2結(jié)構(gòu)抗傾覆和成橋問題城市立交匝道橋大多處在曲線上,具有彎、坡、斜等特點(diǎn)。通常采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)使支點(diǎn)產(chǎn)生負(fù)彎矩來卸載跨中正彎矩,以達(dá)到減少橋梁的建筑高度,橋的外形輪廓清晰、流暢,行車舒適等效果。城市立交匝道橋由于受地形、地物和地下管線的限制以及美觀的要求,多采用柱式橋墩和中墩獨(dú)柱支承設(shè)計(jì)。為了橋型美觀和輕盈,箱梁也大多采用較大懸臂的斜腹板箱。無論是直線上的匝道橋還是曲線上的匝道橋,這些形式的多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)都可能存在橫向偏載作用下支座脫空的問題,且曲線連續(xù)梁橋主梁還有向彎道外側(cè)“爬移”的趨勢。通常,在立交匝道橋設(shè)計(jì)中采用平面桿系程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算和配束,往往容易忽視結(jié)構(gòu)在橫向偏載作用下結(jié)構(gòu)的抗傾覆和支座脫空問題。現(xiàn)行公路橋梁相關(guān)規(guī)范對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗扭能力提出了更嚴(yán)格的要求,這同時(shí)也為結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定問題提供了一定保障。因此,進(jìn)行匝道橋設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),若中墩支撐均為單支座支承,僅在每聯(lián)端或橋臺設(shè)置雙支座,則一定要建立空間模型。這一方面是嚴(yán)格按規(guī)范驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的抗扭承載力,另一方面可以檢查各支點(diǎn)上支座在最不利偏載情況下是否有脫空現(xiàn)象。對于曲線橋橫向“爬移”問題,一般通過設(shè)置支座位置預(yù)偏心來解決。支座偏心值首先是曲線內(nèi)外弧差和超高引起的結(jié)構(gòu)自重的中心偏差,再加上車輛離心力向外推移和日照溫升、溫降積累的殘余變形值,因此,獨(dú)柱支承的偏心設(shè)置也要建立空間計(jì)算模型,以驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的抗扭能力和聯(lián)端雙支座的受力是否大致均衡,且不能出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。針對上述內(nèi)容,對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,為了避免出現(xiàn)支座脫空和曲線橋徑向“爬移”現(xiàn)象,設(shè)計(jì)時(shí)可以采取以下措施:(1)盡可能多設(shè)置雙支座,或者中間獨(dú)柱墩間隔幾跨就設(shè)計(jì)成固結(jié)墩或加寬墩頂設(shè)置雙支座。(2)在中間墩均是獨(dú)支承的情況下,連續(xù)梁結(jié)構(gòu)每聯(lián)長度不宜過長,一般不要超過100m。(3)曲線橋中間獨(dú)柱墩上的支座按計(jì)算設(shè)置向外弧的預(yù)偏心,且聯(lián)端或橋臺處的雙支座橫向間距盡量加大。(4)通過預(yù)應(yīng)力束的徑向偏心距來消除曲線梁的扭矩,即通過在曲線梁軸線兩側(cè)采用不同的預(yù)應(yīng)力鋼束及錨下控制應(yīng)力,構(gòu)成預(yù)應(yīng)力偏心,以產(chǎn)生內(nèi)扭矩來抵消一部分曲線梁由自重和二期恒載作用下的扭矩。(5)曲線橋若受地物和地下管線限制難以布設(shè)合理橋墩位置,還可以通過調(diào)整箱梁結(jié)構(gòu)形式來滿足要求。圖2即為加寬內(nèi)弧箱梁底板以達(dá)到支座預(yù)偏心的作用。3應(yīng)盡量選用等跨對稱布置預(yù)應(yīng)力城市立交橋施工往往受市政工程超短工期的限制,設(shè)計(jì)的施工流程往往在施工期會受到較大的調(diào)整。特別是對于多跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁結(jié)構(gòu),無論是節(jié)段施工跨數(shù)還是施工方向(單端張拉預(yù)應(yīng)力的方向)都有可能在施工期間因現(xiàn)場情況變化而發(fā)生大的改變。因此,對城市立交橋的跨徑布置要盡可能采用等跨對稱布置,盡量能達(dá)到即使施工期要求施工方向發(fā)生變化,設(shè)計(jì)計(jì)算和預(yù)應(yīng)力束布置亦不需要作大的變動。對于工期要求特別緊和施工場地有限的工程,常用的逐跨張拉預(yù)應(yīng)力的施工方法是不適用的,一般都要求2跨或多跨張拉甚至1聯(lián)1次張拉預(yù)應(yīng)力。這些情況,在進(jìn)行城市立交橋施工圖設(shè)計(jì)時(shí)都要提前考慮,以使橋跨布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能適應(yīng)施工階段可能發(fā)生的變化,從而避免設(shè)計(jì)人員反復(fù)修改設(shè)計(jì)次數(shù),達(dá)到動態(tài)設(shè)計(jì)的目的。4立交橋的設(shè)計(jì)原則城市立交橋設(shè)計(jì)質(zhì)量不僅直接影響城市整體交通的運(yùn)行流暢,影響工程造價(jià)和工程使用壽命,