武汉长丰大道常码头立交二环线帮宽段设计

张国锋 王永奇 吴靖云 谢小韬 刘从新

（1.中国市政工程西北设计研究院有限公司 武汉 430056； 2.武汉地产开发投资集团有限公司 武汉 430022）

长丰大道位于汉口古田片区，大致呈东西走向，连接硚孝高速、三环线和二环线，沿线跨越汉宜高铁、汉丹铁路、轨道交通1号线进出场线、京广铁路，是汉口西部地区重要的东西向交通要道和对外出口道路。长丰大道由西往东跨越京广铁路线后与二环线相交并形成常码头立交。

常码头立交节点是2条城市快速路——二环线与长丰大道相交节点，实现“快快互通”功能。由于二环线已经建成通车，在常码头立交处并未预留匝道口，长丰大道与二环线实现交通转换，需在二环线上采用帮宽形式。

1 技术标准

（1）道路等级：城市快速路。

（2）设计行车速度：60 k m／h。

（3）汽车荷载等级：城-A 级［1］。

（4）抗震要求：设计地震烈度6度，地震动峰值加速度为0.05g，7度设防。

（5）环境类别：I类。

（6）设计基准期：100年。

2 新老桥结构连接形式

新老桥梁帮宽是指桥梁整体在横向为分期修建，或在原有桥梁横向以拼接加宽的方式新建的桥梁，最终形成整体桥面。

上部构造可采用有缝连接（不连接）、铰接、半刚接、刚接等多种方式；下部构造可采用连接或不连接等形式。有缝连接、铰接属于弱连接，半刚接、刚接属于强连接。上部结构各种连接及其构造、受力特性及特点形式见表1。

表1 连接形式及特征一览表

3 帮宽连接设计原则

（1）帮宽后的桥梁应满足整体使用要求。

（2）帮宽部分桥梁应采用同一荷载等级。新建结构连接原有结构的桥梁应对原有结构部分进行验算，应与新建结构满足相同的荷载标准。

（3）帮宽部分桥梁宜采用相同的结构形式和跨径。

（4）当帮宽部分桥梁为不同的结构形式或跨径时，存在横向刚度差，为避免应力集中，应采用铰接或不连接等弱连接形式，弱化横向联系，同时加强纵向刚度，以确保结构的受力安全。

（5）当帮宽部分桥梁大于5 m时，帮宽部分基本为独立受力模式，原则上采用上部构造弱连接，下部构造不连接方式；当帮宽部分桥梁小于等于3 m时，帮宽部分难以独立受力或独立受力性能不佳，需要与原结构共同受力，原则上采用上部构造强连接、下部构造弱连接方式。

现状二环线箱梁梁悬臂为4 m，属大悬臂结构，桥下为发展大道，地面交通繁忙，帮宽段桥墩与二环线桥墩相距约15.5 m，桥墩及基础均不能相连，而且大部分帮宽段宽度大于5 m，因此设计采用上部结构弱连接，下部构造不连接的方式，但需经验算帮宽后老桥的受力情况，以及计算新老桥的位移差。

4 现状二环线悬臂验算

根据连接方案需分别进行原桥现状和帮宽后的结构整体验算，桥梁帮宽后，车流由纵向行驶改为横向行驶，需重点对原桥悬臂段受力进行验算。

4.1 混凝土梁悬臂受力验算

现状二环线混凝土箱梁为单箱三室预应力混凝土箱梁，悬臂长4 m，横向设置间距50 c m的3股Φs15.2预应力钢束。

验算工况。主要验算重车车轮施加在悬臂端部工况（按部分预应力A类构件设计）。

计算结果见表2。

表2 混凝土梁悬臂计算结果

由表2可见，截面正应力及强度均满足规范要求［2］。

4.2 钢箱梁悬臂受力验算

钢箱梁采用带U肋的正交异性桥面板，横隔板间距3.0 m，每2道横隔板之间加1道悬臂板横向加劲肋和腹板竖向加劲肋。悬臂顶板加劲肋在靠近防撞护栏侧布置3个一字肋，其余采用倒T肋。

4.2.1 横隔板验算

验算工况。主要验算重车车轮施加在悬臂端部工况。计算结果见表3。

表3 钢箱梁悬臂计算结果 MPa

由表3可见，截面应力满足规范要求。

4.2.2 悬臂顶板一字肋验算

（1）计算模型。将一字肋考虑为以隔板为支撑的连续梁结构。模型中取7×1.5＝10.5 m连续结构进行计算。

（2）计算荷载。车轮荷载：单个车轮100 k N，铺装厚度方向按45°扩散。分别计算车轮纵向行驶及横向行驶2种情况（车辆由主线进入匝道时，会转弯成横向行驶）。

工况一：车辆沿桥面板纵向加劲肋方向行驶，车轮作用在中间。

另一方面，代理机器人分析，即在DepthMap软件的数据分析中，根据空间的系统特征让代理机器人模拟人在其中的行为，同时记录其行动路线的分析方式.该分析反映整体空间中人流活动的分布规律[6]，其中分析图中的颜色越趋于深色表明人流活动越密集.如图6所示，人群活动区域集中于曲阜路及中山路与肥城路的交汇点两处，教堂广场空间明显处于人群活动较少区域，结合视域整合度的分析，可知由于广场空间中不合理的空间形态设计，阻碍了游客对教堂广场区域的探索，在整体区域视线聚集性受限的情况下，即使广场西北角具有较高的整合度数值也无法带动游客的积极性.

工况二：车辆沿桥面板纵向加劲肋方向行驶，车轮作用在悬臂最外侧。

工况三：车辆沿桥面横隔板方向行驶，车轮作用在中间。

工况四：车辆沿桥面横隔板方向行驶，车轮作用在悬臂最外侧。

（3）计算结果见表4。

表4 钢箱梁悬臂加劲肋计算结果 MPa

由表4可见，截面最大拉应力已超出钢材的允许应力，考虑对其进行加固处理。

（4）加固措施。由于一字肋不能满足行车的安全性要求，因此对桥面板悬臂部分一字肋进行加固处理，处理方式为在一字肋下方焊接一块水平钢板（见图1），使一字肋变为倒T型肋，能显著增加加劲肋抗弯刚度，增加截面下缘受力面积，进而改善加劲肋下缘受力情况。另一方面，考虑到施工方便性，增加的钢板不穿过横隔板，按钢板与隔板焊接的方式处理。

图1 加劲肋加固措施示意图（单位：mm）

加固后计算结果见表5。

表5 钢箱梁悬臂加劲肋加固后计算结果 MPa

5 二环线帮宽梁与既有桥相对位移计算

新建桥梁与原桥拼接后，桥面纵向伸缩缝两侧由于新老桥的刚度及车载状况不一致会发生相对位移，相对位移的大小直接影响行车的安全及舒适性。因此需要对既有二环线桥梁与新建帮宽桥梁的相对位移进行计算分析。

5.1 二环线预应力混凝土连续梁＋帮宽钢箱梁

（1）计算模型见图2。其中二环线上混凝土梁采用实体单元模拟，新建帮宽梁采用板单元模拟。

图2 二环线预应力混凝土连续梁＋帮宽钢箱梁计算模型

（2）加载工况。仅考虑汽车活载引起结构的响应，采用城-A规范中的车辆荷载［3］。加载工况如下：

工况一。既有主线桥梁上同时加双向6辆重车。

工况二。既有主线桥梁上一侧加2辆重车与一列小车，另一侧加一辆重车。

工况三。既有主线桥上加2辆重车。

工况四。既有主线桥上加1辆重车与一列小车。

（3）计算结果。计算结果见表6。

表6 预应力混凝土连续梁＋帮宽钢箱梁计算结果 mm

由表6可见，当混凝土梁上加载6辆重车时，混凝土桥与帮宽梁最大位移差为（12.4＋6，9.8＋9.7）＝19.5 mm；当加载3辆重车和1列小车时，最大位移差为（7.7＋3.3，6.1＋5.8）＝11.9 mm。

5.2 二环线钢箱梁＋帮宽钢箱梁

（1）计算模型见图3。其中二环线上既有钢箱及新建帮宽梁均采用板单元模拟。

图3 二环线钢箱梁＋帮宽钢箱梁计算模型

（2）加载工况同5.1。

（3）计算结果见表7。

表7 二环线钢箱梁＋帮宽钢箱梁计算结果 mm

由表7可见，当既有钢梁上加载6辆重车时，既有桥与帮宽梁最大位移差为（32.7＋7.9，12.4＋18.4）＝40.6 mm；当加载3辆重车和一列小车时，最大位移差为（18.2＋4.6，10.9＋6.7）＝22.8 mm。

6 结论

（1）通过分析比较，本次帮宽设计对桥梁帮宽段连接采用上部结构弱连接、下部构造不连接的方式。

（2）对既有二环线桥梁帮宽前后原桥悬臂段受力进行了重点验算，结果显示混凝土箱梁悬臂满足连接后的受力要求，钢箱梁悬臂外侧则需要相应的加固处理。

（3）对于混凝土梁帮宽，由于既有桥本身跨度较小，混凝土梁刚度较大，所以在各种荷载工况下，最大位移差只有19.5 mm（若结合实际通行车辆，则位移差更小）。因此对行车影响亦不是很明显。

（4）对于钢梁帮宽，与混凝土梁相比，既有桥跨度较大，而且钢结构刚度相对较小，导致既有桥与帮宽桥梁在极端重车荷载作用下，位移差较大（最大达到40.6 mm），但在正常使用荷载作用及二环线限重运营时，位移差亦能满足行车要求。

［1］ JTGD60－2004公路桥涵设计通用规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ TB10002.2－2205铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2008.

［3］ JTGD62－2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.