美国城市道路、高速公路和桥梁

美国城市道路、高速公路和桥梁

7美国桥梁设计的特点7.1结构形式与国内差相差无区别美国城市交叉口大，层数多，车道多，交叉口宽。因此，有许多高桥、宽桥和长桥，有许多曲线桥和形状桥。除了规模大、标准高外，设计、计算和结构与国内差异不多。其特点是:(1)上部结构等截面的箱梁居多,变截面的或其他截面的(如T梁)少;(2)桥梁伸入路堤(锥坡)多,桥梁伸长,桥台降低;(3)箱形截面悬臂尺寸相对小(一般1m,不超过2m),地■高(单层栏杆),复板外倾式多;(4)桥墩外形倒锥形,斧头形的多;(5)墩柱和梁体固结的(连梁—刚构、不设支座)占相当一部分数量。7.2桥面板及翼板顶设计1.上部结构用钢板工字形梁的截面,比钢箱形梁的多。2.连续梁支点仍采用钢筋混凝土板,不配置预应力,纵向钢筋两层○⊥20间距10cm,全梁一致。3.桥面板为现浇砼,底模为带有凸凹槽的金属(铝)波板,在凹槽内用聚苯板填充以节省砼。4.全梁上翼板顶有两列尼尔生钉抗剪,加强截面整体。5.I字形钢梁的腹板和翼板较厚,以满足稳定和内力包络图的需要。6.I字形钢组合梁已运用于弯桥(科州科罗拉多河桥R=210m,l=114.3m)用加强横梁的方法,来提高开口截面的抗扭刚度。7.3孔一联内部构造美国各州高速公路桥梁,刚采用多孔长联的预应力连梁(加州地区,连续—刚构居多),每联之间设置牛腿,牛腿位于距墩顶1/4～1/6跨径处,每联长度200-250m不等,4-5孔一联和国内相比超过很多,其构造采取了下列措施:(1)在一联预应力连续梁中,预应力分为两段,在中间受力较小处设置一个无预应力的现浇砼区(宽3m),这样除了施工时便于预应力张拉外,还可以减小预应力张拉和砼前期收缩的影响。(设计中称为有两个“温度不动点”);(2)对边墩柱,埋于地下部分,墩柱侧面用弹性材料——聚苯乙稀包裹,增加墩柱的柔度,降低温度应力(图4)。7.4预应力清洗梁的结构型式除了钢板和砼桥面板组合以外,还有钢纵梁和砼横梁的组合,如科州的HangingLake隧道口的Colorado河桥以及正在施工中的丹佛火车站前的多向立交桥梁,由于它们各自的特定要求,结构型式均为连续钢—砼桥面板组合梁,单(多)点支承,即取消盖梁、墩柱直接支承在上部梁体上,为了承受墩柱的压力,支承横梁采用了预应力砼结构。由于不可避免地预应力砼横梁被钢纵梁所切剖,设计中采用了下列措施:(1)纵梁钢板上打孔,让横梁预应力来通过,预应力束横贯横梁全长,加强抗弯功能;(2)在纵梁钢板和横梁砼相接部位布置两排尼尔生钉,满足抗剪功能。以上措施保证了纵横梁的整体功能,效果很好。7.5预应力清洗连梁桥由于立交道路车道较多(最多为10车道,五上五下),道路路口宽,中间没有分隔带,出现了不少宽桥。加州605/105道路,有一座两跨36+44m的预应力砼连梁桥,桥面很宽28.07～35.54m,采用单箱多室(11室)(图5)。截面、标准箱室宽2.7m,高1.90m,复板厚0.30m,上顶板厚0.20m,下底板厚0.155m。中支点横梁宽2.50m,不设跨中横梁,由于是变宽度的桥梁,故箱室除边侧3-5个为全长等宽外,中间有3个箱室为变宽,沿纵向放射性布置,构造出了变宽度的桥梁。7.6主梁桥桥结构概况旧金山飞机场出口处有一个大悬臂的连续梁桥,是林同炎公司设计的,其特点是:(1)主梁为现浇砼连续刚构梁桥;(2)桥面板为预制的预应力装配式构件;(3)现浇连梁和装配式桥面板之间设榫槽联接,以构成其结构整体。7.7hsfd公路桥结构吊装1.箱形梁采用分段预制吊装拼组的办法,在山区公路、高峡谷地段,现浇砼支架高,场地条件不具备,或在绿化区为保护树木草坪不受损害,采用逐段预制吊装纵向拼砌的施工方法,如glenwood公路桥,每段箱梁重50t,从45km外预制场运来,架桥机拼装。2.先临时墩后永久墩的架桥施工法:在施工场地狭小区,为节省临时道路的占地,先开阔桥下作为临时交通,在桥墩的两侧(悬臂板根部)暂时做一临时支承架,待梁体架完以后,才修建永久性桥墩。7.8组合梁桥的建设和小跨桥台的设置,使道路增强有力,生活空间和长科州glass桥是1座3跨连梁桥,建于丹佛至glenwood的高速公路上,为使上下行道路的中间隔离带上不设桥墩,采用了变截面的钢板梁—砼桥面板组合梁桥,加大中间跨,尽力缩小边跨,使边跨缩小在一个桥台范围内,外形效果很好,是一个获奖的、并“树碑立传”的作品。7.9景观建筑的设计效果桥梁造型设计中很注意和环境的配合,例如:1.不少高速公路均为两跨连梁(上下行车道要求),设计成连梁支点曲线形逐渐加高,和上宽下窄的凹曲线变截面墩有机地结合起来,形成桥梁整体的曲线美。2.连续梁桥支点截面加高时,采用外复板侧面等高,底缘局部加厚的方法,保持了连续梁等高度的效果(图6)。3.多层桥梁,当上层和下层之间墩台发生矛盾时,采用悬臂式墩和框架式墩,梁和墩自然地结合在一起(不加特殊的结构处理)形成一个实实在在的空间结构。4.钢筋砼桥的外装修,在华盛顿至巴尔的摩的高速公路上,一路林荫大道,风景优美,沿路的横跨钢筋砼桥梁,在桥台侧、桥墩侧以及主梁的外侧面都用块石镶砌,美化了环境,为林荫大道增添了美好的景色。5.人行天桥和街景的结合:①有的人行天桥在马路两侧的房子内伸出,和两边房子平齐。天桥加盖,成为整个建筑的一部分;②有的天桥,桥墩在道路隔离带上,再在隔离带种树,用树档住桥墩,使整个天桥犹如在空中架空一样,这景效果很好;③纽约街有一天桥,在天桥的一头有一座教堂,古典式建筑,于是天桥设计成一个同一种颜色的变截面铸铁桥,栏杆和不对称的桥体,外表都铸成花饰和教堂建筑相配合。8地震灾害对交通运输的影响美国西海岸是地震区,属太平洋环带,历史上多次发生地震和较强地震,地震带来了灾害,交通运输也受到了严重损失。1989年加州地震,道路破坏桥梁倒塌,用了6个星期来恢复,自旧金山地震以后,美国正把抗震工作作为重点来抓,集中了一定的力量,进行了桥梁的抗震加固和研究工作。8.1治疗桥梁的交通根据桥梁的重要性程度及结构特点分为三类:Ⅰ类:主干道桥梁,有微小的破坏,能在很短时间内恢复交通的;Ⅱ类:次要桥梁,不倒坍,很快恢复交通的;Ⅲ类:一般桥梁,不倒坍,不造成生命财产损失的。8.2高效施工,保证结构复杂1.水平地震—地震引起结构水平力和水平位移(测定洛杉矶地震水平加速度为2.31g),较为严重的破坏情况有两种:大位移破坏—落梁,剪切破坏—墩台突然倒塌。因此,采取如下措施:①牛腿的加固:加大牛腿的支承长度,由原来的15cm加大至60cm,并设置纵横、竖直三向防落梁措施(纵向拉束、横向钢筋砼键,竖向阻尼条)(图7);②加强墩顶抗震锚栓,锚栓设在支座之间,少而粗;③重视结构的节点处理,以使地震时梁柱交点出现塑性铰;④加大结构的柔性,减少地震力,做到“以柔克刚”;⑤墩柱入土部分加长,在10m深的范围内外套大直径的钢套管使墩柱能弯曲破坏,并在此范围内出现塑性铰,容易检查和修复。2.垂直地震——洛杉矶地震,严重表现在垂直震动,桥梁发生上下颠动(测定地震垂直加速度1.83g),墩柱立筋外崩致使桥墩折曲倒塌,针对这种震灾采取下列措施:①墩柱外加钢套箍,空隙部分用沙浆灌填(图9);②承台顶加一层钢筋网(原来只在承台底有一层钢筋网,顶部没有);③墩柱的箍筋加强:原箍筋配置ϕ12,间距30cm,现改为ϕ19,间距7.6cm;④墩柱采用双层螺旋筋的方法(图10);⑤加强桩和桩帽的联系,使其能抗御拨力。3.重点桥梁(属加固标准第Ⅰ类),要列出重点项目研究,做出加固方案,如金门大桥,用SAP2000进行计算,运用非线性理论既对全桥进行整体动力分析,又对关键部位桥塔等进行局部分析,考虑了土和桥台的作用及地基对桩抗力消能的影响等等。采用了桥塔和桥面桁架之间加弹性填料(橡胶)等一系列加固办法。4.其它抗震措施通过洛杉矶地震,认识到:①少做多层立交,少做多座上下重叠在一起的桥梁;②少做砼桥,多做钢桥;③加强对结构变形的研究,确定多大的变形能够恢复回来,多大的变形会导致倒塌;④长度100m以上的弯桥要进行分段计算。9桥梁辅助结构9.1沥青桥面的防水防水层美国北部冬季气候寒冷,纽约、圣地亚哥都在零下10度以下,下雪时洒盐水化积雪,为防止盐水及其它水分对钢筋的锈蚀,所以桥面都一般采用防水及排水处理:1.混凝土桥面的防水处理桥面不设防水层,防水采用下列方法:①钢筋上喷一层环氧防锈剂(绿色),环氧价格为330元/吨钢筋;②砼表面渗透入一层SYAK液态材料,渗入厚度1/4～1/8(铺装厚度20cm左右)。材料价格130元/加仑;③或在砼中放入一种防水剂矽(Si);④加大钢筋砼的保护层7.6cm。2.沥青桥面的防水处理:①结构上铺一层防水层(沥青系列等);②防水层上加3cm的沥青石屑(实践结果是此种效果不好,原因是沥青在使用期间剥落)。3.桥面排水措施:①桥面设水管,管直径ϕ15cm,水箅子尺寸42×42cm;②桥梁长度100～150m以下不设水管。9.2填充料及回填桥头设置搭板,搭板长9m,板厚30cm,搭板下回填砼屑透水性材料,回填范围,从搭板尾端下60cm至桥台承台后侧部分为一斜坡。承台襟边设排水管,ϕ8cm。9.3伸缩缝的设置大多数桥梁(密州、科州、华盛顿、纽约等)都设伸缩缝,不少桥梁跳车严重,行车条件不好,伸缩缝的型式有:条状橡胶伸缩体缝、橡胶板缝;钢板伸缩缝,钢板齿形伸缩缝(用于大桥)。10其他10.1建立省委会美国是一个由50个州组成的联邦制国家,全国没有一本统一的技术标准及规范,而是各州根据本州的具体情况制定设计政策。从1937年开始美国各州公路与运输工作者协会(AASHTO)的常设委员会成立了规划与设计政策委员会,负责制定与推荐公路工程政策,先后制定出《乡区公路几何设计政策》(1954,1965),《市区干线公路政策》(1957年),《市区公路与干线城市道路设计政策》(1973年),《州际与国际公路国家系统几何设计标准》(1956,1967),《公路几何设计标准》(1969)及《公路与城市道路几何设计政策》(1984)。本次考察收集到的:加州《公路设计手册》(1988～1992年),宾夕法尼亚州《道路构造物标准图》(1991年)等资料的内容体现了美国近年来公路与城市道路建设方面的新的实践经验和科研成果,加州的《公路设计手册》是活页式的,它还将不断修改、补充及完善。10.2合理设置弯弯曲曲的线形这次主要了解高速公路平面线形最大直线长度及同向曲线、反向曲线间最小直线长度问题,据调查了解,美国在这方面没有严格规定,只强调:线形应尽可能直接,但应适应地形和既有建筑设施,通常,短曲线的数量应减至最少,由短曲线组成的弯弯曲曲的线形应予避免,虽然曲线线形对美学是重要的,但还要考虑在保证超车视距的前提下,使得能保证超车需要的长直线占公路长度的百分率尽可能大些。对于反向曲线提出要在两曲线间掺入足够长的直线段来满足设置超高缓和段的需要或用缓和曲线来代替,其足够长的直线段,美国规定应在180m以上。关于同向曲线间有短的直线段线形(一般称断背或平背曲线)要求应予避免,两曲线间有相当长的直线线形不能称为断背曲线,但这相当长到底多长也没有具体规定,最好的办法就是采用没有连续超高的缓和曲线或者复曲线线形。10.3方案2:增设环形匝道,加以完善交美国高速公路及城市高速路对立交造型根据相交道路等级不同而确定,一般两条高速公路相关采用定向式较多,而高速公路与一般道路相交则大都采用菱形立交,环形立交基本没有看到。过去修建的许多标准型苜蓿叶立交,随着进入立交交通量增多,其集散车道(属交织车道)易发生交通堵塞,故目前在逐渐改造成定向式,有的只保持对角象限两个环形匝道,而将另2个改造成定向式,以取消集散车道,以后新建立交就不再有苜蓿叶式的,现有的都是过去建成的,面临逐渐被改造。关于菱形立交基本形式都是支线上跨或主线下穿,匝道布置不采用平行式,而是采用菱形,不设置挡土墙,用放坡解决,其匝道布置正好与放坡坡脚线要求一致,这样在支线上形成2处平交路口,在支线交通量较大情况下需设信号灯控制,影响了通行能力,而左转车流对直行交通干扰较大,加州提出将左转车道提前向中间靠拢,形成一处平交路口,使4个左转车流互不干扰(见图11),美国新建的菱形立交目前均按改进型实施,这种匝道布置比较合理,切实可行。目前美国立交造型高速公路与地方道路相交一般采用L1～L13,高速公路与高速相交在F1～F8(见图12,13),据加州公路局介绍L-2型如将通道布置扩大些,将来可加环形匝道,将立交改造成L-9型。L-10型目前基本不用,L-13型为单点钻石型是今后采用的基本型,F型立交中F-4不常用,F-5～8为两条高速公路T型相交基本为定向式,F-1为全定向式是基本型认为比较好。10.4沥青清洗压缝根据加州公路局介绍,打裂尺寸一般为1.5～2m,用震动压路机使其与基层结合紧密,然后加铺沥青路面10cm左右,水泥路面上用土工布满铺,并加铺1.5cm厚改性沥青找平层(废橡胶粉沥青砼),上铺3.5cm厚橡胶沥青并级配沥青砼,再铺6cm一般沥青砼面层,这样可以使用11年左右,如再加厚3cm可使用15年,若承受力不够可加厚至18cm。据匹兹堡及纽约市介绍,一般采用切缝方法,加铺5～10cm沥青砼,缝中灌弹性沥青胶,在纽约看到只切横缝,纵缝可能有拉杆,故沥青砼面层纵向来切缝,从外观看不太好看。本次考察没有看到正在施工的打裂旧水泥砼的施工现场,也没有见到打裂机械,这方面收集资料不多。10.5从地面断面角度布置分离式断面通过对科州丹佛山区70号高速公路的考察