重庆市机场立交F匝道桥的设计与创新

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摘要：F匝道桥跨越既有机场高速，为使整个施工过程快速高效的完成，整个匝道桥采用全预制结构进行跨越，但由于第二联道路弯道半径R=106m，最小跨越距离为40m，故需采用钢结构进行跨越，其余第一、三联为常规的预应力混凝土小箱梁结构。第二联采用有限元计算程序MIDAS Civil建立三维空间有限元模型，第二联F7号桥墩因空间受限，需设置独柱墩，为增强整体抗倾覆性能，将F7号墩设置为墩梁固结，并结合国内外工程实例对接合部位采取特殊处理，所得桥梁成桥状态良好，符合设计预期。

关键词：钢箱梁；抗倾覆；剪力钉；PBL剪力键；混凝土桥墩、墩梁固结

中图分类号：TU375 文献标识码：A

引言

立交桥大多位于城市主要干道交叉或高等级公路相交点的交通枢纽处，为了满足道路线形的要求，需要设置很多曲线桥。近年来，许多城市曲线高架桥多采用独柱单支点连续箱梁桥结构，通过恰当设置独柱支点的偏心或采用墩梁固结等方式来调整主梁扭矩，有效地改善桥梁受力状态，取得良好的效果。这种结构桥下墩柱少，空间视野开阔，而且整体桥型美观轻巧，富有时代感。

图1 机场立交效果图

工程概况

桥梁工程位于机场立交道路工程的F匝道，桥梁全长350.5m。由于现状机场立交交通量大，为减少对现状交通的影响，设计优先考虑预制结构跨越构造物，同时在跨越机场高架桥段道路线形为R=106m的曲线，故本次施工图设计在跨越机场高架的第二联采用钢箱梁，其余各联采用预应力混凝土预制小箱梁形式。

图2 机场立交卫星平面图

结构设计

第一、三联上部结构采用预应力混凝土小箱梁，第二联上部结构采用预制钢箱梁。

桥墩采用柱式桥墩，基础为承台桩基础，桥台采用组合式桥台，台身为U型重力式台身，桥台基础为双排桩基础。

计算分析

全桥第一、三联为通用图，第二联桥为钢箱梁结构，为计算桥梁的整体抗倾覆性能，活载车道布置从最外侧车道开始布载，同时模拟墩梁固结。在桥梁两段模拟配重，以增加桥梁的整体抗倾性能。对于上部结构主梁的计算, 主要采用空间计算分析软件MIDAS/ Civil和, 以保证结构的安全性。具体计算结果( 略) 。

图3 有限元模型

（1）应力验算：

基本组合下钢梁上、下缘正应力及剪应力包络图；图中应力压“-”拉“+”， 单位：MPa。

图4 应力包络图

图5 剪应力包络图

应力验算结果：

a、钢梁正应力变化范围为-104.04～115.58MPa，Q345C的容许弯曲应力为210MPa，故钢梁上下缘应力可以满足要求。

b、钢梁最大剪应力为52.97MPa。Q345C的容许剪应力力为120MPa，故钢梁剪应力可以满足要求。

（2）挠度计算：

经计算使用极限状态下的挠度，得知汽车挠度为5.5cm，5.5cm＜4000/600=6.7cm，未超过规范要求的，结构挠度变形如下：

图6 Z方向变形图

（3）抗倾覆计算：

经计算，F匝道桥的抗倾覆系数达到5.0，远高于“《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2012（征求意见稿）”条文4.1.9要求的2.5，梁体具有较强的抗倾覆能力。

图7 最不利组合支座反力图

技术特点与创新

拉开端支座间距

本次设计未采用常规的钢箱梁断面形式，而是拉大支座间距，不但外轮廓和小箱梁统一，支座间距拉大后，整体抗倾覆能力也得到显著提高。

图8 小箱梁断面

图9 常规钢箱梁断面

图10 机场立交F匝道桥箱梁断面

墩梁固结

在查阅大量国内外相关文献资料后，收集到如下两种较成熟的钢混接头方式。

图11 接口方式一

图12 接口方式二

最后设计将以上两种方式结合，同时在原有剪力钉的基础上，在钢桶周围增加了6排PBL（开孔钢板）剪力键。

图13最终采用的接口方式

图14 接口现场照片

FES铺装层

F匝道第2联连续钢箱梁桥的桥面铺装，因其位于弯坡桥上，桥上车辆离心作用力和制动作用力对铺装与钢箱梁的结构整体性要求比一般平直桥更高，又因桥面铺装工程量较小和工期较短，使得结构性能相对较优的环氧沥青混凝土（EA）桥面铺装和防水性能相对较优的浇筑式沥青混凝土（GA）桥面铺装结构形式在此都较难采用，施工相对简单且不受弯坡桥型及较短工期限制的改性沥青玛蹄脂混合（SMA）桥面铺装结构形式，又因其结构性能和防水性能相对较差，也难胜任弯坡桥高界面连接性能的技术要求，为此，设计采用重庆市城市建设投资公司承担市建委《钢桥面铺装新结构与材料关键技术研究》项目研发的FES钢桥面铺装构形式。

图15FES铺装结构图

图16FRP铺装基层完工后的表面效果

结论

机场立交F匝道桥第一、三联为常规的预应力混凝土小箱梁结构，第二联为连续钢箱梁结构，由于钢箱梁半径小，设计中通过合理的设置支座横向间距，梁端配重，墩梁固结等措施，极大的提升了桥梁的整体抗倾覆性能，同时在处理钢混接头的方式上，进一步改进，使得钢混接头结合更加有效可靠，桥梁于2012年12月建成通车，经历冬、夏两季气温考验，钢箱梁桥面铺装性能稳定可靠，桥梁其余各项指标均达到设计预期，使用情况良好。

参考文献：

[1] 刘玉擎 . 组合结构桥梁 .人民交通出版社 . 2005.1

[2] 吴冲，张士中 . 现代钢桥 . 人民交通出版设 . 2011.5