城市立交工程中钢箱梁结构的设计与施工

城市立交工程中钢箱梁结构的设计与施工

随着我国城市化和道路交通运输的不断发展，由快速路和主要道路组成的城市高架道路系统也迅速发展，城市主要道路的交叉口建设日益繁荣。城市立交桥由于受地形、地物以及需跨越的已有城市道路的影响,其设计和施工往往受到诸多因素的限制,这就决定了城市立交桥设计具有以下特点:(1)为了跨越已建城市主干道而不影响正常的城市交通,抗扭刚度大、强度高、整体性好及架设工期短等特点的钢箱梁结构逐渐得到更多的应用;(2)由于受地形、地物等限制,立交匝道桥为了实现转向功能多采用较小半径的弯、坡、斜桥,且设置较大的超高值;(3)为了与城市环境协调,使立交桥的造型优美、线性流畅,达到令人赏心悦目的景观效果,独柱式桥墩和较大悬臂等高度斜腹板箱梁得到广泛采用;(4)城市立交桥的施工往往受到市政工程超短工期的限制,为了方便施工和缩短施工周期,在城市立交桥设计中,多采用等跨径的桥跨布置,且结构设计种类尽可能单一和标准化。笔者曾参加某城市大型立交桥梁结构设计和工后服务,对城市立交桥设计有一些体会。本文着重介绍其中几个方面的问题,供同行在城市立交桥设计中参考。1结构横向抗倾覆城市大型立交桥的施工,通常会对城市道路交通和周边环境造成较大影响,因此城市立交工程对施工方案和施工工期的要求非常苛刻。钢箱梁结构除了有抗扭刚度大、强度高、重量轻、整体性好和外形简洁流畅等特点外,还具有结构设计方便、施工简便、迅速等特点。城市立交主线桥或匝道桥的中小跨径钢箱梁结构设计比较简单,无论是简支结构还是连续梁结构,都可以通过调整顶、底板的厚度来适应主梁弯矩的变化,使钢板应力控制在合理范围内而不会增加设计和施工的难度。城市立交桥的钢箱梁结构设计能较容易地达到现行设计规范要求的强度、稳定和变形的有关规定,其施工也以工厂预制加工、现场焊接安装等较为简单的施工方法为主,因此钢箱梁结构在设计和施工方面的优势顺应了城市立交桥梁的发展趋势,能够在不妨碍原有交通的前提下进行施工且提高施工进度。但钢箱梁结构在作为立交匝道桥(特别是曲线桥)的主梁时,容易忽视结构横向抗倾覆问题。如图1所示,一个2跨1联的斜腹板钢箱梁匝道桥,桥跨8m,跨径分别为23.6m+21.4m,梁高1.5m,箱梁净悬臂长1.95m,支座设置为箱梁两端各设置2个四氟滑板橡胶支座,中墩支点为设置一盆式固定支座。在施工混凝土防撞护栏时,施工方未按设计要求两侧平衡施工,而是单侧施工防撞护栏,导致施工护栏至最后一段时,钢箱梁发生侧向偏转,另一侧支座脱空。主要原因是由于钢箱梁自重小,支座设计仅在两端设置了双向支座,且由于箱梁底宽的限制使支座横向宽度较小,这样2个双支座能提供的横向抗矩就相对较小,中间支点为一单支座,是不提供横向抗矩的。因此,城市立交匝道桥在采用钢箱梁结构时,应重视箱梁横向抗倾覆问题,联长越长,这个问题越突出,设计时应尽量采用双支座;两支座横向间距宜大,或者设置抗拉支座。2结构抗倾覆和成桥问题城市立交匝道桥大多处在曲线上,具有弯、坡、斜等特点。通常采用预应力混凝土连续梁结构使支点产生负弯矩来卸载跨中正弯矩,以达到减少桥梁的建筑高度,桥的外形轮廓清晰、流畅,行车舒适等效果。城市立交匝道桥由于受地形、地物和地下管线的限制以及美观的要求,多采用柱式桥墩和中墩独柱支承设计。为了桥型美观和轻盈,箱梁也大多采用较大悬臂的斜腹板箱。无论是直线上的匝道桥还是曲线上的匝道桥,这些形式的多跨连续梁结构都可能存在横向偏载作用下支座脱空的问题,且曲线连续梁桥主梁还有向弯道外侧“爬移”的趋势。通常,在立交匝道桥设计中采用平面杆系程序进行结构的内力计算和配束,往往容易忽视结构在横向偏载作用下结构的抗倾覆和支座脱空问题。现行公路桥梁相关规范对结构构件的抗扭能力提出了更严格的要求,这同时也为结构的横向稳定问题提供了一定保障。因此,进行匝道桥设计计算时,若中墩支撑均为单支座支承,仅在每联端或桥台设置双支座,则一定要建立空间模型。这一方面是严格按规范验算结构的抗扭承载力,另一方面可以检查各支点上支座在最不利偏载情况下是否有脱空现象。对于曲线桥横向“爬移”问题,一般通过设置支座位置预偏心来解决。支座偏心值首先是曲线内外弧差和超高引起的结构自重的中心偏差,再加上车辆离心力向外推移和日照温升、温降积累的残余变形值,因此,独柱支承的偏心设置也要建立空间计算模型,以验算结构的抗扭能力和联端双支座的受力是否大致均衡,且不能出现支座脱空现象。针对上述内容,对于预应力混凝土连续梁桥,为了避免出现支座脱空和曲线桥径向“爬移”现象,设计时可以采取以下措施:(1)尽可能多设置双支座,或者中间独柱墩间隔几跨就设计成固结墩或加宽墩顶设置双支座。(2)在中间墩均是独支承的情况下,连续梁结构每联长度不宜过长,一般不要超过100m。(3)曲线桥中间独柱墩上的支座按计算设置向外弧的预偏心,且联端或桥台处的双支座横向间距尽量加大。(4)通过预应力束的径向偏心距来消除曲线梁的扭矩,即通过在曲线梁轴线两侧采用不同的预应力钢束及锚下控制应力,构成预应力偏心,以产生内扭矩来抵消一部分曲线梁由自重和二期恒载作用下的扭矩。(5)曲线桥若受地物和地下管线限制难以布设合理桥墩位置,还可以通过调整箱梁结构形式来满足要求。图2即为加宽内弧箱梁底板以达到支座预偏心的作用。3应尽量选用等跨对称布置预应力城市立交桥施工往往受市政工程超短工期的限制,设计的施工流程往往在施工期会受到较大的调整。特别是对于多跨预应力连续梁结构,无论是节段施工跨数还是施工方向(单端张拉预应力的方向)都有可能在施工期间因现场情况变化而发生大的改变。因此,对城市立交桥的跨径布置要尽可能采用等跨对称布置,尽量能达到即使施工期要求施工方向发生变化,设计计算和预应力束布置亦不需要作大的变动。对于工期要求特别紧和施工场地有限的工程,常用的逐跨张拉预应力的施工方法是不适用的,一般都要求2跨或多跨张拉甚至1联1次张拉预应力。这些情况,在进行城市立交桥施工图设计时都要提前考虑,以使桥跨布置和结构设计能适应施工阶段可能发生的变化,从而避免设计人员反复修改设计次数,达到动态设计的目的。4立交桥的设计原则城市立交桥设计质量不仅直接影响城市整体交通的运行流畅,影响工程造价和工程使用寿命,