合景路立交跨大观路路口上部结构比选
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【摘 要】由于受周边环境、地下构筑物及限界的限制，城市立交跨越既有路口时往往需要采用大跨径，上部结构比选结果在很大程度上取决于既有道路的交通状况。本文依托“广深高速公路大观路出入口改造工程”，针对“合景路立交跨大观路路口”上部结构在预应力混凝土箱梁和钢箱梁两种方案中进行比选，推荐适合本工程既有大观路交通状况的方案，用于指导设计及施工。
【关键词】城市立交桥;钢箱梁;混凝土箱梁;上部结构比选
引言
近年，由于城市化进程的快速发展，城市规模越来越大，城市人口急剧增长和城市可利用土地之间的矛盾越来越突出，导致城市土地高度利用化。而城市立交设计平面线型标准的提高和设计车道数的增加，导致新建城市立交往往与既有道路难以在平面上实现正交，需要采用较大跨径跨越。
1 工程概况
广深高速公路大观路出入口改造工程位于广州天河区和萝岗区交界处，西起广深高速大观路出入口，东至光谱西路～光宝路交叉口，北至大观路～光谱西路交叉口，南接大观路。本工程的建设将打通合景路～大观路的瓶颈，实现市区经环城高速、广深高速与科学城的快速连接。
合景路立交位于合景路与大观路的交叉口处，采用高架桥跨越大观路，桥梁工程包括A、D、E、F四条匝道。
A匝道西起现状合景路，向北跨越大观路，分别跨越杨梅河和大观路。对于跨越杨梅河处，采用（15+5×24）m现浇钢筋混凝土连续梁桥;而对于跨越大观路处，根据既有大观路横断面布置情况，拟采用跨径为（29+40.1+35+22）m组合。
2 主要技术标准
立交桥为双向两车道，宽16m，合幅设计，中间设1.0m宽中央分隔带，两边各设0.5m防撞护栏。城市次干道，设计行车速度40km/h。设计荷载城-A级，桥下净空不小于5.0m。地震基本烈度7度，设计基本地震动加速度为0.1g。
3 结构比选思路
3.1 比选基本原则
（1）合景路立交为打通合景路～大观路的瓶颈，实现市区经环城高速、广深高速与科学城的快速连接起着重要的作用，A匝道跨越大观路路口宜在经济、美观、安全、适用的原则下进行结构比选。
（2）结构比选应在符合总体道路设计的前提下进行，桥跨布置应充分考虑既有管线、构筑物、道路横断面布置等因素进行合理布置。
（3）既有合景路与大观路交叉口北侧为新塘村，南侧为广深高速公路跨大观路中桥，三跨布置。A匝道跨越大观路路口采用的结构形式宜与周边环境，既有结构形式相互协调。
（4）根据交通流量观测，大观路为城市主干道，目前交通流量较大，交通繁忙;右转合景路进入广深高速公路的重型车辆较多，A匝道跨越该路口进行结构比选时必须把施工期间对既有大观路交通的影响作为重要因素考虑。
3.2 比选思路
根据比选基本原则，A匝道跨越大观路路口前后均采用结构高度1.6m现浇混凝土连续梁。跨越大观路路口位置上部结构最大跨径40.1m，桥宽16m。
（1）若采用混凝土结构，截面较高，总体纵坡需加大;预应力混凝土箱梁分预制预应力混凝土箱梁和现浇预应力混凝土箱梁。预制预应力混凝土箱梁方案，箱梁工厂或现场预制，运输至现场，通过吊装设备进行安装。上下部结构可同时实施，可加快工程进度，节约施工工期。现浇预应力混凝土箱梁在施工现场待下部结构完成后，搭设支架支撑模板对混凝土箱梁进行浇筑，待混凝土强度达到设计要求后，再进行预应力钢束张拉。
（2）钢箱梁又叫钢板箱形梁，外形像一个箱子，是大跨径桥梁常用的结构形式。一般由顶板、底板、腹板、横隔板、纵隔板及加劲肋通过全焊接的方式连接而成。截面等高，通过顶底板厚度的改变以适应内力变化。基本为工厂分段，分箱制作，现场拼装焊接而成。适用范围广，成型质量好。分段，分箱制作，受运输限制较小。上下部结构可同时施工，可加快工程进度，节约工期，可通过安排合理的吊装时间，对既有交通影响较小。
综合上述思路，本工程现场由于场地受限，无条件预制预应力混凝土箱梁;同时，若采取工厂预制预应力混凝土箱梁，则由于结构超长，运输较为困难，难以实施。故拟在现浇预应力混凝土箱梁和钢箱梁之间进行上部结构比选。
4 结构比选
4.1 现浇预应力混凝土箱梁
现浇预应力混凝土箱梁具有整体性好、刚度大，行车条件舒适，易于做成复杂形状等优点。根据本联跨径及桥宽情况，拟采用单箱多室结构，变截面设置，梁高变化1.4～2.2m，顶板25cm厚，底板25～50cm厚，腹板45～60cm厚。预应力钢束采用后张法进行预应力张拉。
4.2 钢箱梁
钢箱梁具有建筑高度较矮，结构轻巧，易与前后结构景观协调等优点。根据本联跨径及桥宽情况，经过结构计算，拟采用单箱多室结构，等截面设置，梁高与前后联混凝土箱梁梁高一致，采用1.6m梁高，顶板厚16～24mm，顶板U形加劲肋板厚6mm，底板厚20～24mm，底板I形加劲肋板厚12mm。边腹板厚18mm，中腹板厚16mm。横隔板间距约2m，一强一弱间隔布置，横隔板板厚12mm。
钢箱梁顶板上设置15cm（含顶板厚度）砼现浇叠合层。
考虑到运输和吊装的需要，单箱三室2个边箱部分在工厂预制，中箱部分在现场拼接。钢箱梁采用工厂预制、预拼、现场吊装焊接成型。钢箱梁面采用抗剪栓钉连接的后浇砼叠合层。
4.3 比选结果
根据上述两方案，主要从结构体系、工艺、设备、工序、施工对既有交通的影响等方面进行综合比选，比选见表1。
表1 上部结构比选表
项目
钢箱梁
现浇预应力混凝土连续梁
结构体系
钢结构
预应力结构
断面形式
组合断面
单箱多室断面
施工工艺
简单
较复杂
施工设备
临时墩，大型运输、起重、吊装设备，焊接设备。
施工支架、预应力张拉设备以及混凝土浇注设备。
施工工序
工厂分片分段预制，吊装于临时墩上，现场拼装成整体，拆除临时墩，施工桥面构造。
在支架上整体浇注，分批张拉预应力钢束，拆除支架。
经济指标
14200元/m2
5500元/m2
优点
结构建筑高度较小，景观较好，施工期间对地面交通影响较小，工期较短。
桥梁刚度大、行车平稳、承载能力大、施工成熟、可靠，不需要大型起重设备、养护简便。
缺点
施工设备较多，造价较高，后期维护费用高。
结构建筑高度较大，施工时需要搭设支架，对地面交通影响相对较大，为防止支架下沉，要求地基有一定的承载力，需要预处理地基来支撑支架。
5 推荐方案数值模拟
由于大观路是城市主干道，交通繁忙，通过比较，钢箱梁既满足其跨越大跨度的要求，又以其工厂预制的优势减少对现场交通的影响。因此，在立交跨越大观路路口处推荐采用钢箱梁结构。
5.1 计算荷载
计算荷载如下：
（1）采用城-A级车道荷载，中央路面考虑双向四车道，计算时折减系数程序自动考虑。
（2）温度荷载考虑整体均匀升降温±30℃。
（3）日照温差的影响按《公路桥涵通用规范》考虑，正温度梯度下T1=14℃，T2=5.5℃，T3=4.95℃;负温度梯度下T1=-7℃，T2=-2.75℃，T3=-2.475℃。t为130mm。
（4）支座沉降：按每轴0.005m考虑。
（5）计算时截面计入13cm后浇层的作用，以施工联合截面的形式模拟;横隔板、桥面铺装、护栏及花槽、车行道铺装、外包钢皮等则按荷载转化为质量处理。
（6）冲击系数根据规范由程序自动算得。
（7）现浇层的收缩通过施工阶段设定。
5.2 数值模型
由于本桥半径较大，故采用单梁模型。采用空间梁格法模拟原结构，纵梁按横隔板位置划分单元，截面如图1所示，截面中考虑13cm后浇层的作用，以施工联合截面的形式模拟;横隔按荷载考虑。车道按实际断面位置考虑车辆偏载作用。
主桥钢横梁、钢箱梁顶、底板及腹板钢材材质为Q345qc，横隔板、I型及U型加劲肋材质为Q235qc，后浇层为C40砼。
图1 纵梁截面示意图
图2 梁单元模型效果图
5.3 数值分析
对主桥应力根据容许应力法按各工况最不利情况取包络进行验算。
图3 主梁截面底板正应力包络图（MPa）
图4 主梁截面顶板正应力包络图（MPa）
图5 主梁截面剪应力包络图（MPa）
考虑偏载对腹板的影响，汽车活载乘以1.15的偏载系数。最大组合拉应力于40.1m跨跨中截面底板底缘，为71MPa，经计算，截面折减系数为0.92，考虑翼板有效宽度折减后应力为77.2MPa < [σw] = 210 MPa。
最大组合压应力于中跨支座处截面底板底缘，为104MPa，经计算，截面折减系数为0.726，并考虑负弯矩削峰系数0.9后，为129MPa < [σw] = 210 MPa。
墩顶混凝土最大拉应力6.5Mpa，采用钢纤维混凝土。
箱梁截面最大剪力6557kN，MPa< [τ] = 120 MPa。均满足规范要求。
MPa< [τ] = 120 MPa。均满足规范要求。
6 结论
目前，市政工程由于受到周边环境、地下既有构筑物及交通情况的影响，在城市立交建设时，下部结构布置较为困难，大跨径频频出现;本文针对合景路立交跨越大观路路口位置上部结构比选主要考虑结构施工期间对既有交通的影响、上部结构运输、吊装等因素，经过综合比选对该位置上部结构采用与周边环境，既有结构形式相互协调的等截面连续钢箱梁，在上部结构设计中，对钢箱梁结构拟定合适的截面型式，梁高，钢板厚度等，并通过计算结果表明，可满足规范要求。
参考文献：
[1]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004，人民交通出版社，2004
[2]《钢结构设计规范》GB 50017-2003，中国计划出版社，2003.
[3]《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004，人民交通出版社，2004.