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高速公路天桥结构型式比选

时间:2023-07-28 20:19:56

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高速公路天桥结构型式比选

引言

我国高速公路经过三十多年的建设,不仅实现了高速公路从无到有的跨越式发展,而且铸就了四通八达的国省道运输大动脉,建设成就举世瞩目,技术创新硕果累累,高速公路桥梁的设计和施工水平也得到了质的飞越,桥梁结构型式日新月异。但是在注重主线桥梁设计的同时,对上跨高速的数量庞大的天桥却重视不够,结构选型和技术等级略显零乱,甚至同一路段相同地形条件下采用的型式都不一样,造成了模板和施工机具等方面的浪费,降低了美观度。根据山西省10条高速公路的调查结果,对高速公路天桥的结构型式从技术、经济、美观等多个方面进行了综合比选。

1 调查现状

1993年6月山西省第一条高速公路太旧线开建,至今25年一直处于快速发展时期,所建高速公路平原区、微丘区、山岭重丘区;宽度有24.5 m、26 m、28 m、33.5 m等。上跨高速天桥有简支梁、连续梁、连续刚构、斜腿刚构、箱型拱以及钢砼组合梁等多种型式,所用宽度有5.5 m、6.5 m、6 m、8 m等。通过对不同时期建设的10条高速公路的天桥进行调查,选取常用的有代表性的结构型式见表1。可以看出,高速公路天桥使用最广泛的是简支梁、连续刚构、斜腿刚构、连续箱梁4种桥型,早期简支板梁桥由于造价低廉、施工工艺简便在老旧高速中应用比较多。

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2 桥型方案比选

由于设计理念更新、施工工艺提高以及长远规划的需要,天桥一跨跨越主线,中央分隔带不设中墩,故如今简支梁方案已较少使用。故主要对三种常用的标准桥型方案进行技术经济比较。

2.1 连续刚构

上部采用15 m+30 m+15 m的预应力混凝土连续刚构,下部采用薄壁桥墩,柱式或肋板式桥台,钻孔灌注桩基础,见图1。(1)优点:采用墩梁固结结构体系,兼具T形刚构桥和连续梁桥的优点,上部主梁与桥墩形成刚架,共同承受上部结构荷载和变形,既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点,又保持了T形刚构不设支座、无需体系转换的优点,柔性的薄壁(或双薄壁)桥墩不仅减小水平位移在桥墩中产生的弯矩,降低了墩和基础的配筋率,而且有效减少了主梁跨中的正弯矩,可设计成变截面的结构尺寸来减小主梁跨中截面并提升美观效果,同时还节省了大型盆式支座费用及后期检修,最终降低了工程总造价,结构型式美观大方,适用于填方路段和浅挖方路段。(2)缺点:主梁变截面导致施工控制较麻烦,高墩大跨连续刚构桥的结构型式一般采用平衡悬臂现浇施工,悬臂施工的受力与成桥后受力状况比较一致,施工方法比较复杂。但高速公路上的天桥跨径和桥高均较小,一般采用满堂支架现浇施工,不得采取逐孔浇筑方法施工。现浇工艺造成上下部结构不能同时施工,虽然减少了竖向预应力的配置,减少了分阶段张拉工序,但支架的搭设、预压和拆除也需要较长的时间,同时对支架的变形要求很高。

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图1 连续钢构桥型

表1 高速公路天桥结构型式和技术等级

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2.2 斜腿刚构

上部采用11 m+24 m+11 m的钢筋砼斜腿刚构,下部采用桩基础轻型桥台,见图2。(1)优点:斜腿刚构由门式刚构演变而来,兼具连续刚构桥和拱桥的优势,跨中部分承受压应力,充分发挥材料受压特性,提高跨越能力和承载能力,减少工程用料,跨径较小时无需施加预应力,简化了施工工序和工艺,由于桥墩斜置支撑在路侧边坡上,同样的跨径条件下,跨越能力远远大于门式刚构,且造型类似拱桥美观大方,特别适用于路基挖方路段。(2)缺点:造型别致导致结构受力情况复杂,设计计算难度大,施工精度控制要求高;施工方法一般为缆索配合支架施工,但高速公路上天桥一般桥高和跨径较小,多采用满堂支架现场浇筑,先浇斜腿,后合拢主梁,主梁采用全断面一次浇筑,工艺上同样存在支架的搭设、预压和拆除的过程,对变形要求也较高,特别是下部的斜腿由于具有一定的倾斜度,施工控制较门式刚构难度较大。

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图2 斜腿刚构桥型

图3 连续箱梁桥型

2.3 连续箱梁桥

上部采用15 m+30 m+15 m的预应力砼现浇连续箱梁,下部采用柱式桥墩,柱式桥台,钻孔灌注桩基础,见图3。(1)优点:上部结构一般采用单箱单室箱梁,整体性好,抗扭和抗震效果好,结构连续行车平顺舒适,受力简单、适应性强,连续的结构体系使墩顶负弯矩能有效卸载部分跨中正弯矩,受力比较均匀,节省材料。大跨径连续梁桥会根据受力特点采用变截面箱梁,而高速公路上的天桥一般为中小跨径,采用等截面箱梁即可,设计和施工较方便,此桥型对填方和挖方路段均适用。(2)缺点:连续梁桥属于超静定结构体系,对墩台沉降要求高,桥墩处会产生较大的水平推力,需加强桥墩的尺寸和配筋,而由于桥宽度较窄,下部多采用独柱式桥墩,容易造成重车偏载倾覆,施工方法一般采用满堂支架现浇施工,支架的搭设、预压和拆除也需要较长的时间,由于中小跨径主梁采用了等截面的型式,美观效果较差,墩顶设置的大型盆式支座也会提高造价和后期的检修维护费用。

从表2可以看出,跨越同等宽度的高速公路,3种桥型方案结构体系相近,施工方案基本相同,但工程造价和美观度却是斜腿刚构>连续刚构>连续梁桥,连续梁桥对地形适应性较好,对于一般的填方和挖方路段均比较适用。

3 结构选型建议

3.1 主线填方路段桥梁选型

根据表2比选结果、受力分析以及高速公路净空要求,当填方路基高度h≤5 m时,天桥选择连续刚构和连续梁桥均可满足要求,受桥台高度制约,不宜再增加填土高度,个别特殊情况下填土略高者,应对桥台采用特殊设计以满足台身受力要求。但从经济和美观角度看,同等填土高度下选择连续刚构造价更低,桥型更美观,故在当今节能环保和景观协调的背景下,推荐选用连续刚构。

表2 桥型方案比选

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3.2 主线挖方路段桥梁选型

根据表2比选结果、受力分析以及高速公路净空要求,当挖方路堑高度h≤10 m时,三种桥型均可满足布设要求,但从经济和美学角度出发,斜腿刚构方案最优,特别是斜腿结构具有倾斜角度,与挖方边坡形成上下对称型式,兼具拱桥的弧形美,与自然地形浑然天成;当挖方高度10 m<h<15 m时,受边坡开口宽度制约,斜腿刚构桥长较短,若坚持选用斜腿刚构则需改变结构尺寸重新设计,而连续刚构墩高太大导致高跨比失调和工程量增加,故选用连续箱梁较合适。

3.3 综合选型建议

这三种常用的桥型方案各有优缺点和适用范围,超出极限值后不管从构造、经济还是美观上都不再有优势,比如斜腿刚构和连续刚构在桥高较大时,桥下净高已超出车上人员的视线范围,无法展现刚构桥梁的曲线美,反而增加了施工的复杂性。(1)当填方路基高度h<3 m,挖方路基高度h<2 m时,选用连续刚构桥型经济合理;(2)当挖方路基高度h<8 m时,选用斜腿刚构桥型经济合理;(3)连续梁桥由于适应性强,一般不受填挖方高度限制,但要注意桥台高度合理。

4 注意问题

(1)不管何种桥型上跨高速公路,必须保证桥下净空,不得侵限,同时注意主线纵横坡和桥梁纵横坡的影响,高速公路净高规范要求5 m[1],考虑施工误差和后期养护加铺路面层,建议净高值按5.5 m预留;(2)桥型和跨径均为近来山西省内高速公路常用的标准桥型图,具有较广泛的代表性,但遇到加宽路段和高填深挖等特殊情况,还需根据实际情况单独设计;(3)里程较长的高速路段若分标段设计,业主宜通过技术经济比较制定天桥设置原则,保持同路段设计风格一致,有利于施工模板和机具的配置,也有利于后期养护检修的方便。(4)表1中天桥宽度有5.5 m、6 m、7.5 m、8 m,标准不一致,建议宜大不宜小,多出的0.5 m宽度在悬臂段调整,对主梁受力和造价的影响基本忽略不计,但却增加了通行宽度和安全性。

5 结语

上跨高速公路的天桥型式还有很多种,如预制空心板、小箱梁、箱型拱、系杆拱等[2],选取了最常用到的三种桥型,从结构型式、工程数量、施工工艺、以及造价和美观等方面做了综合分析必选,给出了选型建议。

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参考文献:

1JTG D60-,公路桥涵设计通用规范[S].

2张花.高速公路天桥、通道的设计体会[J].山西交通科技,(2):32-34.

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