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立交设计中桥梁布跨选择与应用

新闻时间:2018-06-15 文章来源: 文章作者:ztcjjt

     给大部分人的印象是立交区的桥梁都具有较高的难度, 立交区的桥梁布跨更是带上了神秘面纱,本文根据多年从事立交桥梁设计工作的经验, 总结了部分立交区桥梁跨径布设的一些经验,通过和我一起去布跨让立交区桥梁布跨不在神秘。相信通过下面介绍你也能做的到,通过努力你能做的更好!下面以南安庄枢纽为例向大家介绍下整个布跨过程。
1 概述
1.1 任务概述
1.1.1 项目背景

      京港澳高速公路石家庄至磁县(冀豫界)段改扩建工程是国家高速公路网“射3”的重要组成部分,是河北省“五纵、六横、七条线”骨干网中最为重要的“纵4”线。该项目纵贯穿河北省中心腹地,是连接我国华北、华中与华南地区的交通大动脉,在国家及河北省高速公路网中具有十分重要的地位和作用。
1.1.2任务依据
      ⑴ 河北省高速公路管理局与中国公路工程咨询集团有限公司签订的勘察设计合同书 ;【2010年6月】
      ⑵ 中交第二公路勘察设计研究院有限公司、河北省交通规划设计院编制的《京港澳高速公路石家庄至磁县(冀豫界)段改扩建工程工程可行性研究报告》,
      ⑶ 河北省交通运输厅及省高速公路管理局的有关文件、会议纪要和指示精神;项目总体组编制的相关专业指导书或会议纪要等。
      ⑷石安高速总体组提供的《京港澳施工图设计暂行规定》、《京港澳定测暂行规定》。
      ⑸与各相关单位签订的协议,及各主管部门下发的批复意见。
1.1.3 设计主要采用规范
      (1) 中华人民共和国行业标准《公路工程技术标准》(JTGB01-2003);
      (2) 中华人民共和国行业标准《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004);
      (3) 中华人民共和国行业标准《公路圬工桥涵设计规范》(JTG D61-2005);
      (4) 中华人民共和国行业标准《公路钢筋混凝土及及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004);
      (5) 交通部部颁《公路桥涵施工技术规范》(JTJ 041-2000);
       (6) 交通部部颁《公路桥梁抗震设计细则》(JTG B02-01-2008)
1.2 设计标准
1.2.1 技术标准

具体技术指标如下:
      ⑴ 设计速度:120km/小时。
      ⑵ 主线汽车荷载:公路—Ⅰ级。
      ⑶ 桥梁宽度: 整体式路基桥梁宽度为2×20.5m。

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图1-2 桥梁标准横断面
      ⑷ 桥面铺装  10cm沥青混凝土。
      ⑸ 洪水频率  特大桥:1/300;大桥、中桥、小桥、涵洞:1/100;
      ⑹ 地震烈度 线路区地震基本烈度为Ⅶ度,地震动峰值加速度为0.10g,地震动反应谱特征周期为0.40s。
1.3.1 地形地貌

      本合同段位于河北省石家庄市所辖藁城市、栾城县、赵县、高邑县境内,走廊带处于东经:114°38′-114°46′,北纬:37°40′-38°02′之间,属于华北平原的西部边缘带,属太行山山前冲积平原,局部路段地势略高。沿线地势自东北向西南逐步升高,但起伏极小,绝对高程在36~75m之间,沿线所经地区地形平坦,村镇密集。
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 图1-2 项目沿线地形地貌
1.3.2 工程地质
      区域地质资料显示,线路区内无活动性断层,未发现大型滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象,线路区稳定。
      线路区域地形平坦,在地貌单元上为太行山前冲洪积平原,沿线地势自东北向西南逐步升高,总体上来说地貌单元较为单一,线路所经区域地质条件相对稳定,无活动构造、断裂带通过,地层岩性比较单一,工程地质条件较好。
      线路区第四系冲洪积、坡洪积物结构较松散,强度较低,不宜做为桥梁等大型构筑物的天然地基持力层,桥梁基础形式宜选择桩基础,对小桥涵可根据地层情况选择稳定的硬塑黏性土层或砂土层做桩端持力层。
1.3.3 水文地质

      区域内地下水位深度一般介于20~30m之间,储水层为第四系冲积层砂砾层,地下水位下1~3m为浅层咸水,200m以下储水丰富,为淡水,水质良好。地层中存在几层高液限粘土和中液限粘土薄层,深度大约在1~3m之间,起到隔水板作用,如果遇到降水,上面将存在上层滞水,其厚度根据降雨量大小而定。水文地质条件发良好。
1.3.4 地震
      根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001),路线所经区域按50年超越概率10%的设防标准,项目区地震动峰值加速度为0.10g,地震基本烈度Ⅶ度。
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图1-3-1 项目区域地震动峰值加速度系数

1.3.5 气象、水文
      ⑴ 气象

      项目地处中纬度欧亚大陆东缘,属于暖温带大陆性季风气候。太阳辐射的季节性变化显著,地面的高低气压活动频繁,四季分明,寒暑悬殊,雨量集中,干湿期明显,夏冬季长,春秋季短。春季气候干燥,降水量少,常有5、6级偏北风或偏南风;夏季,受海洋温湿气流影响,6~8三个月降水占全年降水量的63%-70%。项目沿线年平均气温13.5℃,一月平均气温-2.3℃,四月平均气温13.2℃~14.5℃,七月平均气温26.3℃,十月平均气温12.7℃~13.6℃,极端最低气温-22.4℃,极端最高气温43.3℃;年平均降水量558.7毫m,雨量多集中在七、八月份;年日照2447~2871小时;无霜期165~210天;平均冻深56cm。
      ⑵ 水文
      本合同段内水文条件简单,地下水位埋深在20~30m,主要补给为大气降水。
2.设计目标

      设计方案在技术可行、经济合理、美观大方、有利于环保、因地制宜、就地取材,便于施工养护等条件下,同时既满足相关部门相关文件要求,并考虑因地制宜、便于施工、就地取材和养护等因素。

3. 设计思想
3.1分离式立交

      分离式立交的选择全面贯彻‘安全、适用、经济、美观和有利于环保’的方针,考虑因地制宜、便于施工、就地取材和养护等因素的前提条件下,选择了技术可靠,经济合理的工程方案。充分利用初设阶段桥型方案比选的结果,在桥型方案设计时,明确桥梁的总体设计理念。重视桥梁的总体造型和景观设计,使桥梁和周围的自然环境与社会环境融为一体,重视环境保护,不因建桥而破坏周围的自然环境。主桥桥孔除考虑道路正常通行的净空高度外,设计中还考虑施工、被交叉道路的维修、罩面等净空的要求。

3.2 大中桥
      大中桥的选择结合地形、地质、河流特征等情况,在桥位服从路线总体走向的前提下,路桥综合考虑。根据外业的勘测调查和场地工程地质评价,经研究、论证,进而确定了较为合理的桥位。桥型方案遵循“安全、适用、经济、美观和有利环保的原则”,并考虑因地制宜、便于施工、就地取材和养护等因素。桥孔布设结合桥位处的地形、地质、施工条件、施工工期及水文计算结果等因素进行方案选择。

3.3结构形式的选用
      根据初设比较结果跨径按以下原则进行:

      (1)跨径20~40米的范围的采用预制箱梁,采用分箱预制,组合拼装,张拉墩顶负弯矩束,再浇筑桥面湿接缝和横梁的施工方法;此方案特点如下:
      ① 结构在施工时具有抗扭刚度大、自稳定性能高的特点,从而使施工浇筑安全、吊装方便快捷;
      ② 组合箱梁在安装到位后可以利用临时支座高度调整箱顶面横坡,使箱顶预制2%横坡尽量与桥面设计横坡一致,提高设计精度;
      ③ 组合箱梁建筑高度低、外形美观,近年被高等级公路广泛采用;
      ④ 组合箱梁现浇湿接缝及中横隔梁使梁体更好的适应曲线曲率,在弯坡斜桥梁布孔中灵活多变,增强了外型美观;
      (2)跨径小于20米的中桥、分离式立交一般采用13、16m后张预应力混凝土空心板。
      (3)通道桥、小桥一般采用13m后张预应力混凝土空心简支板、8米现浇板。
      (4) 通道、涵洞由于全线地质条件
差,故采用4、6米现浇箱涵。
3.4 桥梁抗震设计
      桥梁上部结构、墩台及基础形式的选取上,考虑地形、地质条件、结构特点、规模、重要性等,选择适当桥型。项目区地震动峰值加速度为0.10g,地震基本烈度Ⅶ度,地震动反应谱特征区划为0.40s,场地土的类别为Ⅱ类。一般桥梁按《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)根据采用的支座类型和下部墩身刚度分配水平地震荷载;对高墩、构较复杂的桥梁、特大桥采用动力分析软件做专门的反应谱分析。项目桥梁设计采取的抗震措施主要有:

      ⑴ 加大桥梁墩台盖梁尺寸,两侧设置钢筋混凝土防震挡块,整体性比较差的板式桥梁,墩台顶面增加抗震锚栓;
      ⑵ 在上部梁、板端部,挡块内侧设置橡胶缓冲块,有助于削弱上部结构地震荷载对下部结构的冲击效应;
      ⑶ 控制桥台高度,减小动土压力对桥台的作用,桥台多采用座板式等整体性强的结构型式。
      ⑷  按《公路桥梁抗震设计细则》要求加密墩柱的箍筋,并对墩柱塑性铰区域进行延性抗震设计。
3.5 桥梁耐久性设计及措施
      桥梁结构的耐久性设计应充分重视合理结构型式的选择、结构受力的协调、采用的建筑材料品质以及运营环境等方面。

      ⑴ 选择合理的桥梁结构型式是桥梁耐久性设计的重要保证,一般来说,梁式结构桥梁的耐久性较好;预应力砼结构要优于普通钢筋砼结构;结构连续要好于桥面连续;现浇箱梁结构要好于预制拼装结构;中小跨径结构要好于大跨径结构。项目初步设计过程中充分考虑了桥梁结构的耐久性,桥梁结构推荐方案均采用梁式结构;对于跨径大于13m的桥梁均采用了预应力结构;20m、25m、30m、40m跨径的桥梁均采用先简支后结构连续组合箱梁;小半径曲线及变宽较大的桥梁均采用了现浇箱梁。
      ⑵ 桥梁结构受力状况是影响耐久性的重要因素,在结构计算中要严格验算结构应力分布,控制重点部位应力幅度,防止结构疲劳破坏,同时加强局部构造设计,进一步的提高桥梁结构的耐久性。
      ⑶ 桥梁运营环境是影响耐久性的重要方面,结合工程地质勘察报告,重点分析研究沿线地下水对桥梁基础的腐蚀性,在路线选线、桥梁布跨、基础选择等方面主动避开对结构具有防腐性影响的位置,避让不开的采取必要设计方案降低对桥梁腐蚀性影响。
3.6 桥头路基处理
      为有效减少桥头地基沉降,在特大桥、大桥和中桥处设置灰土桩加固路基。桥头地基采用全段面处置,沿路线方向为锥坡前缘,处置段长度应不小于40m,与路基过渡段长度为10m,灰土桩桩径为50cm;全线湿陷性深度最大为5.5m,桩长根据湿陷程度不同,采用不同的桩长,当湿陷深度小于5m时,采用6m的桩长,湿陷深度大于5m时,采用8m的桩长,梅花形布桩,桩间距桥头段为1.5m、桥头过渡段为1.8m。

3.7具体桥梁布跨思路
      全面贯彻‘安全、适用、经济、美观和有利于环保’的方针,考虑因地制宜、便于施工、就地取材和养护等因素的前提条件下,选择了技术可靠,经济合理的工程方案。充分利用初设阶段桥型方案比选的结果,在桥型方案设计时,明确桥梁的总体设计理念。重视桥梁的总体造型和景观设计,使桥梁和周围的自然环境与社会环境融为一体,重视环境保护,不因建桥而破坏周围的自然环境。主桥桥孔除考虑道路正常通行的净空高度外,设计中还考虑施工、被交叉道路的维修、罩面等净空的要求。

下面以南安庄枢纽向大家介绍下布跨思路:

      桥梁跨径的选择:根据南安庄枢纽平纵断面可以看出:主线、A、C、E匝道四次上跨青银高速,主线、A、C、E匝道与青银高速的夹角分别为90°、102°、84°、65°。

     
 

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图3.3-3  南安庄枢纽平面图

      跨越时青银高速路基宽度为28米,根据《京港澳高速公路河北段改扩建项目勘察设计监理周会会议纪要》要求桥梁需要按照八车道预留,若采用一孔跨越青银高速则需要最大跨径为67米,采用混凝土构件梁高需3.8米,这样大大增加了桥梁规模,同时匝道桥处在小半径曲线采用大跨径实施难度大,施工质量无法保证,采用钢结构等特殊结构会很大程度增加工程造价。经过与建设单位沟通并与青银高速管理部门进行协商,采取在中央分隔带设置桥墩的方案。
      集散车道边缘距离青银高速中心距离为38.5米,如果一孔跨越半幅青银高速和集散车道则需要41米,且一孔跨越后其他匝道布孔还存在一定的难度,同时由于跨径增大导致该匝道纵坡变大,综合考虑在集散车道与青银高速以及青银高速中央分隔带处分别设置桥墩。主线及C匝道采用装配式预应力混凝土箱型连续梁,跨径组合为(23+2x30+23)m;大小桩号侧各接一联3x30米装配式预应力混凝土箱型连续梁;因纵断面填高较大两侧各做一联4x30米配式预应力混凝土箱型连续梁。也可以考虑整体填土提高一米,可以缩短桥长度而不增加占地,目前未按照增加填土缩短桥梁方案。

      A匝道、E匝道和青银高速交角度较小,通过对国内同类型桥梁进行调研,充分利用我国桥粱建设的先进技术和成功经验,同时引进国内外桥梁建设的先进经验和新理念、新材料、新工艺,确定了A、E匝道桥采取分体箱梁斜桥正做的方式。
4.设计方案

      南安庄枢纽共设桥梁5座,通道桥3个,通道12个,涵洞4个,下面仅对大桥做详细介绍:
4.1南安庄枢纽主线桥
      总体布置:桥梁上部采用30m装配式混凝土箱形连续梁及30m预应力混凝土现浇连续箱梁,桥型布置左幅为4x30m+3x30m+(23+2x30+23)+4x30m装配式预应力混凝土箱形连续梁;桥型布置右幅为4x30m装配式预应力混凝土箱形连续梁+3x30m预应力混凝土现浇连续箱梁+(23+2x30+23)m+3x30m+4x30m装配式预应力混凝土箱形连续梁。右幅第四、五联变宽也采用装配式预应力混凝土箱形连续梁,变宽通过变湿接缝宽度的方式实现。
      上部构造:上部结构引桥采用30m装配式混凝土箱形连续梁,先简支后结构连续及30m预应力混凝土现浇连续箱梁。全桥共分为5联,装配式混凝土箱形连续梁梁高分别为1.60m,左幅桥横向设置组合箱梁7片;右幅桥横向设置组合箱梁8片及7片。
      桥墩:为了增加美观性以及视野开阔性,桥墩半幅采用三柱式桥墩,通过加大盖梁尺寸提高盖梁刚度,墩柱直径1.4m,桥墩基础采用桩基础,直径1.6m,按摩擦桩计算;在青银高速中分带处设置桥墩,为满足护栏C值要求,柱径采用1.3米,施工中对高速运营有一定影响,施工时要做好交通组织工作。
      桥台:采用肋板式桥台、桩基础,直径1.4m,按摩擦桩计算。
施工方案:上部结构采用先简支后连续后张法预制组合箱梁,对场地要求不高,可采用就地预制、架桥机架设的施工方案。
4.2南安庄枢纽C匝道桥

      总体布置:全桥上部采用30m装配式混凝土箱形连续梁及30m预应力混凝土现浇连续箱梁,桥型布置为4x30m+(23+2x30+23)装配式预应力混凝土箱形连续梁+3x20m预应力混凝土现浇连续箱梁。
      上部构造:上部结构采用30m装配式混凝土箱形连续梁,先简支后结构连续。全桥共分为4联,装配式混凝土箱形连续梁梁高1.60m,桥梁横向设置组合箱梁4片,若采用3片梁则湿接缝宽度需要做到1.2米,偏大如果采用四片梁则需要减小翼缘,同时将桥梁全宽加大,考虑到结构的稳定性及安全性采取了4片梁的做法。
      桥墩:为了增加美观性以,桥墩双柱式桥墩,墩柱直径1.2 m、1.4m,桥墩基础采用桩基础,直径1.4m、1.6m,按摩擦桩计算;在青银高速中央分隔处设置桥墩,为满足护栏C值要求,柱径采用1.3米,施工中对高速运营有一定影响,施工时要做好交通组织工作。
      桥台:采用肋板式桥台、桩基础,直径1.4m,按摩擦桩计算。
      施工方案:上部结构采用先简支后连续后张法预制组合箱梁,对场地要求不高,可采用就地预制、架桥机架设的施工方案。4.3南安庄枢纽A匝道桥
      总体布置:全桥上部采用混凝土现浇连续梁,由于南安庄枢纽A匝道桥墩要设置在青银枢纽中央分隔,桥墩方向要顺应青银高速中央分隔带方向,需要沿法线方向旋转,故采取分体箱梁以方便桥墩正斜的转换。桥型布置为(20+23.2+26)+(22+32+28)m预应力混凝土现浇连续梁,小桩号侧引桥为地形而设,由于所处平面半径过小,故采用18米跨径的普通钢筋混凝土现浇连续箱梁.大桩号方向填土高度为7.5米,距离E匝道的距离为11米,此处E匝道填土高度为0.6米,目前考虑及A匝道做挡墙,A、E匝道公用边沟。
      上部构造:上部结构采用5x18m普通钢筋混凝土现浇连续箱梁+(20+23.2+26)+(22+32+28)m预应力混凝土现浇连续梁,全桥分为3联,现浇箱梁梁高分别为1.4m、1.70m,采用满堂支架施工一次落架。
      桥墩:处于经济美观考虑,桥墩采用双柱式桥墩,通过增加墩顶系梁提高结构的整体性,墩柱直径1.2m、1.4 m,桥墩基础采用桩基础,直径1.4m、1.6m,按摩擦桩计算;桥台:采用肋板式桥台、桩基础,直径1.4m,按摩擦桩计算。
      施工方案:上部结构现场浇注,需要在青银高速搭设支架,对青银高速运营造成一定影响,可结合国内先进施工经验,采取对青银高速运营影响小的施工方式。
4.4南安庄枢纽E匝道桥

      总体布置:全桥上部采用预应力混凝土现浇连续梁,由于南安庄枢纽E匝道桥墩要设置在青银枢纽中央分隔,桥墩方向要顺应青银高速中央分隔带方向,需要沿法线方向旋转,故采取分体箱梁以方便桥墩正斜的转换。桥型布置为24.5+30+24.5+20m预应力混凝土现浇连续梁,小桩号侧引桥为地形而设,由于所处平面半径过小,故采用18米跨径,大桩号方向为跨越集散车道及地形而设。
      上部构造:上部结构采用3x18m普通钢筋混凝土现浇连续箱梁+24.5+30+24.5+20m预应力混凝土现浇连续梁+3x18m普通钢筋混凝土现浇连续箱梁,全桥共分为3联,现浇箱梁梁高分别为1.4m、1.70m,采用满堂支架施工一次落架。
      桥墩:处于经济美观考虑,桥墩采用双柱式桥墩,通过增加墩顶系梁提高结构的整体性,墩柱直径1.2m、1.4 m,桥墩基础采用桩基础,直径1.4m、1.6m,按摩擦桩计算;桥台:采用肋板式桥台、桩基础,直径1.4m,按摩擦桩计算。
      施工方案:上部结构现场浇注,需要在青银高速搭设支架,对青银高速运营造成一定影响,可结合国内先进施工经验,采取对青银高速运营影响小的施工方式。
      目前此方案已经通过专家审查,下一步将进行施工图阶段设计。希望通过对南安庄枢纽布跨的介绍,让没接触过桥梁布跨的人对桥梁布跨有个初步的认识,让桥梁布跨不再神秘,相信通过努力下一座立交的布跨人就是你。通过努力,你能做的更好。

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