天水市渭滨路立交桥梁设计.doc

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1、天水市渭滨路立交桥梁设计 刘学琪 刘金平 【摘 要】 天水市渭滨路互通式立交是一座由多跨径、多结构、小半径弯梁桥组成的城市立交。本文对其在施工图设计阶段从桥型方案选定、结构受力分析及计算、设计图纸绘制等方面进行了深入细致的阐述，并对此类位于旅游城市及旅游公路中的桥梁在美学效果、景观设计方面做了一些的探讨和尝试。【关键词】 渭滨路立交 多跨径 多结构 小半径弯桥 受力分析 结构验算 中国四大石窟艺术之一的麦积山坐落在距天水市30公里处的叠嶂山峦中。现只有一条服役多年的三级公路连接麦积山与市区，穿村越镇、坡陡弯急，给麦积山文化、风景旅游业的快步发展带来了诸多限制。2003年9月，我院第二设计所承担

2、了该旅游公路的施工图勘察设计任务，本项目路线起始于北道区社棠路与风动路的交叉中心，终止于贾家河村旧310国道与麦积山公路T型交叉中心，路线全长23.84Km。全线划分城市主干道I级、一级公路、二级公路三个技术等级。位于城市主干道上的渭滨路互通式立交是全线唯一一处互通式立交，由于立交处于城区又跨越渭河，为了减少占地拆迁，跟已有城市干道、城市规划衔接和跨河需要，立交设置主要由桥梁和挡土墙组成。该立交是连接北道区、老城区和天水市经济技术开发区的主要纽带，它的建成对解决北道区南北方向交通拥挤的状况，改善渭河一号桥 的交通压力，加强秦城与北道的联系，缓解城市及出口交通压力等方面将发挥重要的作用，对天水市

3、投资环境的改善，促进经济和旅游业的发展对城市建设将起到积极的作用。 1、工程概况 渭滨路互通式立交设置于渭河一级阶地上，地形平坦，立交布设受天水风动工具厂生活区建筑群及渭滨北路和国道310的限制，可用空间较小。为了尽量减少占地拆迁，渭河北岸与渭滨北路交叉处采用A型单喇叭，ZDA上跨渭滨北路；路线跨渭河后在渭河南岸与310国道相交，其形式按部分互通设计，主线上跨310国道，设置2个右转匝道与310国道衔接，匝道设计车速V=25Km/h。 立交主线最大纵坡3.8%，凸曲线最小半径4142.758m，凹曲线最小半径5000m,匝道最小平曲线半径33m，最小缓和参数A值为29，所有匝道均无加宽，匝道超

4、高按全缓和段超高。路基超高段有： ZDA K0+150.218K0+227.243， ZDB K0+000K0+78.799, ZDC K0+105.530K0+152.281, ZDF K0+161.203K0+210。匝道最大纵坡4.9%，凸曲线最小半径1900m，凹曲线最小半径900m。交叉处桥下净空按大于5.0m设计。 路基横断面设计，ZDA采用对向双车道，路基宽11m； ZDB、ZDC、ZDD、ZDE、ZDF、ZDG均采用单向单车道，路基宽8（或11）m。主线跨河桥桥面净宽18米，两侧人行道宽3米。路基横断面布置： 单向单车道 0.5+1.0+3.5+2.5+0.5+(3)=8(11

5、)m (括号内表示有人行道时路基宽) 对向双车道（ZDA） 0.5+5.0+5.0+0.5=11m 主线渭河桥 3.0+9.0+9.0+3.0=24.0m ZDA K0+019.50设2进2出的收费口，由于处在桥上，设计时对收费广场做了特殊设计，收费岛宽2.2m，中间车道宽3.2m，边车道宽4.7m，两侧人行道宽4.20米（见图1）。 2、结构分析、受力计算 、结构分析 （1）、原始资料搜集整理阶段 外业勘察时，对立交范围及渭河大桥桥位进行了认真细致的勘测，测绘了立交范围1：2000比例的地形图，对地形地物的位置进行了准确的定位，搜集了详尽的桥位水文、地质资料，为路线纵面、桥梁桥面标高和桥梁桩

6、基标高确定提供了充分的依据。 立交平面、纵面设计完成后，对桥型方案，桥跨布置进行了认真细致的分析研究。拟定桥梁上部结构采用箱形结构，因为箱形截面具有良好的结构性能，其主要优点是： 截面抗扭刚度大，结构在施工与使用过程中都具有良好的稳定性； 顶板和底板具有较大的混凝土面积，能有效的抵抗正负弯矩，并满足配筋的要求，适应具有正负弯矩的结构，如连续梁等； 适应现代化施工方法的要求； 承重结构与传力结构相结合，使各部件共同受力，达到经济效果，同时截面效率高； 适合于修建曲线桥,具有较大的适应性； 能很好的布设管线等公共设施；确定了桥梁上部结构采用箱形结构后，设计人员进一步熟悉箱形梁设计理论，特别是弯梁桥

7、的设计方法，参考了很多的相关资料及兄弟设计院的结构设计图纸，力争做到本次设计方案更优、投资更省、造型更美。并且要求设计人员对桥梁博士、桥梁通等软件认真掌握、熟悉。以便在设计中高效的完成设计任务。 （2）、结构的受力分析阶段 在城市中的立交桥工程，由于房屋比较密集，各种公共设施和管线密布，因而在设计立交桥时，其桥墩几乎都是预先设在指定位置，线形的曲折几乎是不可避免的。在城市中弯梁桥的半径一般都很小，且有一定的纵坡要求，要求桥梁的控制标高也比较严格，因而在城市立交工程中经常会选用弯、坡、斜桥方案。 曲线桥梁的计算中应充分考虑各种因素： 对弯梁桥，经分析，当圆心角0较小时（022.530）可以忽略扭

8、转作用对挠度的影响，此时容许把曲梁近似地当直梁处理。当0在50以下时，截面的纵向弯矩可足够精确的取跨径为L=0的直线梁进行计算。 在曲线梁桥的设计时，充分考虑桥梁宽度的因素，借鉴加拿大安大略省公路桥梁设计规范（简称OHBDC）中采用L2/bR1.0作为判别是否可以按直线桥梁设计的条件，式中L 为桥梁轴线弧长，R为曲线桥梁的半径，b为桥梁的半宽。在OHBDC中规定，如果曲线梁桥的半径R超过90m时,对于纵向弯矩的计算，可近似地按直线梁桥处理，但对于纵向扭矩仍需按有关方法进行结构分析。 曲线桥梁中横梁的功能，除具有直线桥梁的功能外，还担负着保持全桥稳定性的作用，增设横隔板是减小截面畸变形的最优方案

9、。 位于曲线上的桥梁，当曲率半径等于或小于250m时，需考虑车辆的离心力作用。离心力等于车辆荷载乘以离心力系数C，即： H=CP 其中C=V2/127R V计算行车速度（Km/h），应按桥梁在道路等级的规定采用； R曲率半径（m）。 在计算四车道的离心力时，应考率车道折减系数，汽车荷载可折减30%，离心力的着力点在桥面以上1.2m处。 弯梁桥的墩台构造，与直梁桥中的墩台型式无本质的差异，但根据弯梁桥的受力特点在设计时应予考虑： 必须合理地布置抗扭约束的墩台。例如，采用多孔连续弯梁桥方案时，常在桥台上设置抗扭约束，而在中墩位置布置成独柱构造。因而可以认为中墩对上部结构没有（或很小）抗扭约束，也就

10、意味着上部结构的抗扭跨径增大。 由于弯梁桥内、外侧梁的受力不均，故在墩台设计时，注意墩台在横桥向的受力不均。 由于桥面上作用着离心力和横向力矩，故对横向刚度较小的独柱墩构造，尤其应注意此项横向荷载的作用影响； 如采用悬臂法施工连续弯梁桥时，其墩台设计时都应考虑施工过程的抗扭约束，应充分注意由弯梁桥恒载产生的弯扭影响。以确保施工期间墩台的稳定性。 相对直线桥布设而言，弯桥受弯、扭耦合效应的影响，其受力更加复杂，曲梁的扭矩比直梁要大许多。过大的扭矩给曲线桥的上部结构和支座的设计带来困难，并且使得桥梁的建设投资增加。曲梁桥支座多于一个时，只有较强的抗扭约束能力，而中间独柱点铰式支座如果沿着梁的剪力中

11、心线设置，就没有抗扭约束能力，这样的支座使得上部结构的扭矩最大值较大，且沿着梁桥纵向分布极不均衡，引起材料的投资加大。沿着曲线桥的径向向外调节独柱墩的位置，使其偏离梁的剪力中心线，可改善曲线梁桥内力，节约材料，配筋更合理。 本次匝道桥的设计中，桥梁的中墩均为独柱墩点铰支承构造，对处于曲线上的墩，支点设计时设置预偏心L0=1020cm（具体中墩偏心数据以计算确定），使静载扭矩沿梁长方向趋于均匀，同时使桥台的支点反力也更趋于均匀，增加了全桥的侧向稳定性。 对于曲率半径较小的弯连续桥进行分析计算，目前主要有两种方法： 一是取曲梁单元，用桥梁设计专用程序计算。 二是选取板单元，用大型通用有限元程序计算

12、。 经分析，用桥梁专用程序对曲线梁桥进行计算时，由于梁式桥在支座截面一般都设置较强的横隔梁，所以用刚臂模拟支座偏心和抗扭双支座。即点铰式支座中心与梁剪力中心之间是一种刚臂关系，刚臂长度为支座偏心矩0。公路桥规规定钢筋混凝土结构截面配筋计算用承载能力极限状态，即根据各项内力最不利组合分别计算所需钢筋，再叠加。桥梁专用程序中用曲线梁单元计算可以得到每个截面的各项荷载引起的各项内力值及各项内力的各种极限状态组合值，此结果可直接用于各界面的配筋计算，而采用板单元有限元程序计算的应力不能直接用于截面设计，使用其计算板单元弯矩，扭矩，剪力，轴力的大型通用软件的计算结果时，要整理出各控制截面的内力较困难，工

13、作量较大，而且试算结果表明此截面内力比曲梁单元计算的结果要小一些。另一方面公路桥规中关于抗剪、抗扭的配筋计算公式，本身就是依据梁的试验资料建立起来的半理论半经验公式，故以单元计算模型而得的内力结果虽然可能更准确一些，但由于得出的抗弯、抗扭配筋却未必更合理，因此选取曲梁单元用刚臂模拟抗扭支座和预偏心支座，用此计算结果进行截面验算是一种即快捷又较为安全的方法。 、受力计算 现以匝道D为例进行受力计算分析： （1） 确定计算模型 （2）划分单元 全桥共划分120个单元，121个节点，单元长度为1m。 （3）程序中填写原始数据 输入材料、单元、节点、节点坐标、施工阶段信息、使用阶段信息等。 （4）运行

14、程序进行数据诊断 运行程序进行数据诊断，如数据诊断无误，则进行以下操作。 （5）运行程序进行配筋计算 根据配筋计算结果进行结构配筋，并将配筋结果输入到程序内。 （6）运行程序进行结构验算 3、主桥、引桥、匝道桥设计 、渭河大桥主桥、引桥设计 渭河大桥属渭滨路互通式立交的一部分。渭河大桥位于天水市北道区、老城区，北岸连接渭滨路互通立交，南岸跨310国道，与城市道路泉湖路相接。 渭河属黄河水系，是我省较大的河流之一。 该河桥位以上有秦祁河、咸河、漳河、滂沙河、散渡河、葫芦河、籍河等较大支流汇入。流域内多为黄土山区，植被一般，水土流失严重，洪水季节大量泥沙汇入渭河，致使渭河含沙量较大，据统计1959

15、年南河川断面最大输沙量达953Kg/m3,是黄河主要来沙河流之一。 该桥所处地区气候温和，除上游部分地区较干旱外，其余地区较为潮湿。雨量较为充沛，径流主要由降雨形成，每年约在5-10月为汛期，且汛期尤以7-9三个月暴雨集中，洪水来势迅猛，但持续时间较短，平时水量较小，且多股分叉。 桥址处地形平坦开阔，由于河堤的约束，桥位所处的河段水流平稳，河道较为顺直，河床基本稳定，主槽呈“V”字形。两岸均筑有沿河堤坝及滨河公路，河道宽度约320m。此段属宽浅性河段，平时水浅，汛期水量较大，桥下无通航要求。 经水文计算，设计流量采用Q16824 m3/s, 设计流速v=4.37m/s。 根据路线纵坡，桥面设计

16、标高至河床高差均小于16米，无论从经济及美观角度不宜设置大跨径的桥孔，故在施工图设计中未采用初步设计推荐的斜拉桥方案，而是采用便于施工且施工技术比较成熟的预应力混凝土连续组合箱梁（跨径30米）与钢筋混凝土整体连续异形箱梁（跨径20米）的组合，引桥采用预应力混凝土整体现浇连续箱梁（跨径30米）。这种桥型与初步设计斜拉桥方案相比，既节约了投资，又可缩短施工工期，运营期的养护费用也大大的降低。 本桥主桥采用一联（6-30m）预应力混凝土连续组合箱梁及主桥与匝道连接部一联（3-20m）钢筋混凝土整体连续异形箱梁，引桥采用一联（3-30m）预应力混凝土整体现浇连续箱梁，全桥桥长335.04米。 主桥桥墩

17、采用三柱式墩，柱桩径均为1.5米。桥墩基础采用钻孔灌注桩基础，墩柱与基础间采用系梁或承台联结。桥台为U形桥台，扩大基础。 、南北两岸立交匝道桥梁设计 （1）、桥梁布置原则 选择线条简洁、轻盈的钢筋混凝土整体现浇连续结构，以体现立交工程明快、流畅的线形。 桥梁高度均为立交净空控制，尽量选择合理的跨径以控制桥梁上部结构的建筑高度，从而减少桥梁长度和立交工程量。 位于平曲线上的匝道桥，采用钢筋混凝土现浇连续梁，以做到结构合理，造型美观。 桥梁布置尽量注意减少上下部结构类型，在方便设计与施工、降低工程造价的同时体现立交的整体结构美。 （2）、孔跨布置与梁部结构形式 、孔跨布置 匝道桥梁孔跨布置见表1、

18、表2。 、梁部结构形式 跨径20米、25米箱梁梁高度均采用1.4米，为了美观基本采用相同的外形尺寸；跨径16米箱梁梁高采用1.2米，内外侧腹板等高。 曲线梁设横向预偏心，根据曲线半径及孔径由计算确定，一般考虑向曲线外侧1020厘米偏心。连续梁设计时考虑不均匀沉降引起的内力，不均匀沉降值采用2厘米，计入混凝土收缩徐变折减系数0.5，最终采用值为1.0厘米。 、墩台及基础形式 连续梁中间墩采用圆形独柱墩，两联连续梁间端支墩采用双柱式桥墩，墩柱直径根据跨径的不同采用不同的尺寸，桥墩基础均采用钻孔灌注桩基础，墩柱与桩基之间用承台或系梁连接。桥台一般采用20号片石混凝土U形桥台，桥台度高在3.54.0米

19、以内，基础为明挖扩大基础。墩台高度以现有地面高程为准。 、人行梯桥设计 立交北岸在匝道D的桥台右侧设1-6米矩形板人行梯桥，与渭河河堤相接，能使行人在桥面人行道与河堤顶之间自由来往。在匝道E桥台右侧设置人行踏步，连接桥上人行道与河堤，踏步坡度按1：3设计。南立交岸分别在匝道G、F桥的起、终点处设置（8.80+8.80+11.15m）钢筋混凝土整体现浇连续梁人行梯桥，将主桥人行道引至南岸河堤顶，人行梯道坡度按1：4设计，再设置人行踏步至地面高程，踏步坡度按1：3设计。 人行梯桥桥墩采用直径为1.0米的独柱墩，基础采用直径为1.2米的钻孔灌注桩基础。 4、桥梁美学、人文景观在设计中的应用与体现 一

20、座桥梁，从满足功能要求而言，是工程结构物；从观赏角度而言，应是一件建筑艺术品。如前所述，天水市是一座历史文化名城，是伏羲的诞生地和伏羲文化的发祥地，有着得天独厚的自然风光和人文景观。如何把这些文化历史积淀在保证桥梁自身结构安全的情况下得到和谐的结合和体现，我们在大量查阅了天水的人文地理、历史沿革的情况下，通过大家共同探讨、集思广益，决定从结构造型组合、附属构造两方面得到具体体现。 、结构造型组合上的美学探析 这种多跨度组合、多层次互通式桥梁是一种立体、动感的空间美与明快、流畅的线条美的结合，给人一种韵律感，融入城市欢快、紧张、向上的节奏和氛围，又给人带来一种和谐的现代美。配上业主所要求的仿古式

21、收费厅，使整座桥梁又显得古朴凝重，美观大方。 、突出人文历史内涵的栏杆系构造 栏杆系（人行道、扶手、立柱、栏板等）构造是桥梁的表面建筑，选择一种坚固耐用的结构形式，配以优美的图案花饰，能给人带来无限的遐想，使人浮想联翩。同样，这种造型美观的栏杆构造，还能陶冶人的情操，给人一种美的享受。 经过多种方案的比选，我们以当地储量比较丰富的花岗石作为材料，选择构件雕琢拼装组合而成的栏杆系构造形式。拦板主图案选择太极八卦图案，四周祥云围绕，并在同一个单元的两块拦板上分别采用阴阳雕刻，暗合太极阴阳八卦之说。扶手采用浮雕，图案选择比较庄重的兽形头像，立柱面饰。选择这种图案组合，突出了人文始祖伏羲“创立八卦，为

22、后世阴阳太极和八卦易经学说的创立奠定了基础”这一对人类文明做出的重大贡献，也是后世建筑中对羲皇的纪念。 栏杆系构造图见图2。 简讯 由我院设计、甘肃兴陇交通工程监现公司监理的新七道梁隧道于2003年10月22日顺利贯通。该隧道为我省高速公路最长的隧道，地质构造复杂，地下水丰富，地应力高，围岩软弱，断层发育。在工程施工中，监理工程师做到了根据围岩变化及时调整施工支护参数，保证了隧道工程建设的顺利进行，工程“质量、进度、安全、投资”始终处于可控状态，受到了业主及上级交通主管部门的一致好评。 （袁永新） 北岸立交桥梁一览表 表1 项目 里程 孔跨式样 桥长（m） 匝道A大桥 ZDAK0+032.70

23、ZDCK0+141.544 (20+425)m+(516)m 钢筋混凝土整体现浇连续箱梁 205.28 匝道D大桥 ZDDK0+114.406ZDDK0+239.486 （620）m钢筋混凝土整体现浇连续箱梁 125.08 匝道E大桥 ZDEK0+024.572ZDEK0+149.652 （620）m钢筋混凝土整体现浇连续箱梁 125.08 南岸立交桥梁一览表 表2 项目 里程 孔跨式样 桥长（m） 匝道F大桥 ZDFK0+117.593ZDFK0+202.593 （620）m 钢筋混凝土整体现浇连续箱梁 125.08 匝道G大桥 ZDGK0+024.572ZDGK0+149.652 （620）m 钢筋混凝土整体现浇连续箱梁 125.08 匝道F人行梯桥 （8.80+8.80+11.15）m 钢筋混凝土整体现浇连续板 28.75 匝道G人行梯桥 （8.80+8.80+11.15）m 钢筋混凝土整体现浇连续板 28.75 栏杆系构造图