空中交叉口异形箱梁设计研究

沈海彬

（苏邑设计集团有限公司,江苏 南京 210096）

0 引言

随着我国城市建设的快速发展，城市道路交通基础设施不断建设与完善，城市道路交通网络日趋完善[1]。道路交叉口是车辆、行人汇集与发散的必经之处，是城市道路交通系统中重要的组成节点，是道路路网中的交通咽喉[2]。在城市建设过程中，尤其是大型城市发展过程中，受历史原因、地形地势、城市总体规划要求等因素的制约，城市道路交通的建设呈现出越来越复杂的态势。一般道路交叉口通常采用路基形式在地面平交，或高架形式立交来组织交通，当两种交叉口形式均无法满足要求时，往往需考虑高架空中平交的特殊结构形式[3]。此类工程中，高架空中交叉口的设计是工程建设中的重点，相较于一般高架，空中交叉口几何呈现出不规则的特征，同时其结构布置受上下层道路交通组织限制，构造形式更为复杂，双向受力的结构体系使得设计与施工难度加大。

该文以实际工程案例为背景，对某项目中空中交叉口正交异形箱梁进行研究，分析正交异形箱梁的受力特征及施工过程中的注意事项，为同类型工程提供参考思路与经验。

1 项目概况

该项目位于某市保障房片区，区域南侧为保障房用地，北侧为规划建设用地，如图1所示。受地形影响，区域整体呈现出南高北低的态势，地块高程界限明显，呈3阶梯状分布，北地块高程约5～7 m；中地块高程约9～12 m；南地块高程约 24～33 m；地势高差造成片区交通分割严重。片区内横贯东西向的铁路、公路、现状水系割裂了各个地块间的联系，因而在片区开发建设中需构建区内南北贯通的交通体系，削弱干道分割影响，同时在地块开发利用、交通设施建设上需考虑消除空间高差裂缝，重构连续的生活基础平面，并破除河道天然阻隔，重建片区与城市其他区域的联系，如图2所示。

图1 项目区位图

图2 区域现状及规划建设目标

该次建设道路为区域内贯通南北的主干路，设计采用桥梁形式跨越现状铁路、公路及水系。道路连接中地块规划建设的双层环路，以满足中地块内，主干路与环路上、下层双层交通通行的建设目标。

空中交叉口位于该次建设主干路与规划环路相交位置，主干路方向断面宽40 m，环路方向断面宽24 m。南北两个空中交叉口沿环路方向跨径布置均为20 m+22 m+20 m=62 m，北交叉口沿主干路方向跨径布置为20.364 m+20.024 m+20.512 m=60.9 m；南交叉口沿主干路方向跨径布置为 15.388 m+20.023 m+19.988 m=55.4 m。空中交叉口异形箱梁两个方向均采用单箱多室断面，箱梁梁高2 m，顶、底板厚0.25 m，腹板厚0.5 m，中支点横梁位置横梁宽2.5 m，箱梁两个方向均按照A类预应力构件设计。北交叉口箱梁结构平面如图3所示。

图3 交叉口异形箱梁构造平面

2 交叉口设计

2.1 设计原则

交叉口是制约道路通行能力的节点，正确地设计道路交叉口，合理组织和管理交叉口交通，是提高道路通行能力和保障交通安全所必不可少的。

道路交叉口应根据相交道路的类别以及设计车型、车速、交通流量流向，并考虑未来发展的可能性进行设计；合理配时，尽量增大交叉口的通行能力。该次设计主干路规划红线仅40 m，相交环路为城市支路，交通量小，故交叉口不做渠化处理。

2.2 交通组织

考虑环路交通量、主干路红线宽度均较小，交叉口均不做渠化处理，各交叉口均采用信号控制的交通组织形式。主干路设计车速50 km/h，交叉口为空中平交，车行道、人行道外侧需按规范设置防撞护栏与人行栏杆，平交口视距受交通安全设施影响，故在空中交叉口位置按限速30 km/h控制。

2.3 竖向设计

为服务于整体区域开发，方便未来中地块建设与道路衔接，主干路在中地块段纵坡设计为0.5%，相交环路在交叉口采用双向0.3%纵坡。空中交叉口均为混凝土结构，结构复杂，竖向调整空间有限，较小的纵坡削减了平台结构的内部高差，平台圆弧段两端可通过较小坡度平顺连接。

3 结构计算模型及结果分析

相比于直线桥梁，空中交叉口异形箱梁的受力特性复杂得多，采用杆系桥梁计算分析方法无法满足结构计算精度的需要。梁格法是分析异形桥梁上部结构比较实用有效的空间分析方法。它的特点是用等效梁格代替桥梁上部结构，将分散在板、梁每一段内的弯曲刚度和抗扭刚度集中于最邻近的等效梁格内。

结合异形箱梁受力特征，该工程采用桥梁博士V4计算软件对交叉口异形箱梁采用梁格法进行建模计算，主干路方向箱梁截面分为7道实纵梁，环路方向箱梁截面分为5道实纵梁。计算考虑恒载、预应力效应、温度力、上部活载、收缩徐变等对结构的影响进行计算分析，共建立975个节点，1 504个单元，结构模型如图4所示。

图4 有限元计算模型

异形箱梁双向实梁相交位置采用刚臂连接，其余位置建立虚拟横梁连接，通过在相交区域施加向上的荷载，平衡实际建模中多余的自重以与实际情况匹配。经计算，结构纵梁与横梁的承载能力、各项应力等常规指标均满足规范要求。该文主要针对异形箱梁两个方向各阶段受力状况对比展开分析，以此为依据，为类似工程的设计、施工及运营管理提供参考。

根据内力计算，运营阶段两个方向特征节点两个方向内力大小如表1、表2所示。

表1 Mx弯矩效应表 /（kN·m）

表2 My弯矩效应表 /（kN·m）

由表1、表2可知，计算得到的单实纵梁在两个方向上的最大正负弯矩大体相当，受力较大的实梁为中墩墩顶纵梁（表中纵梁2、纵梁6、纵梁8、纵梁12）。这部分梁在实际受力中不仅承担该方向纵梁作用，同时承担了相交方向的中横梁作用，因而受力复杂。在这部分支点相交位置，两个方向预应力束相交，构造复杂，且体积大，在施工中应引起重视。

4 结构施工

4.1 施工方案

城市市政工程建设中，常用的方法主要有预制吊装法及满堂支架法。满堂支架施工时多点支撑，沉降容易控制，张拉时支架反弹小，对结构健康控制有利，线型也同样容易控制[4]。该次设计空中交叉口异形箱梁结构不规则，其顶板标高需满足竖向设计要求，标高控制精度需求高，宜采用满堂支架法施工。

4.2 施工注意事项

空中异形交叉口箱梁其裸梁混凝土用量指标要高于一般标准箱梁，结构恒载在整体受力中占比更高，因此施工过程中的控制尤为重要，施工中需注意的事项有：

（1）支架预压：支架预压的目的是消除支架的非弹性变形[5]，交叉口异形箱梁混凝土用量更大，标高控制要求更高，施工前沉降观测时间宜适当延长，施工中应加强梁体及支架变形的检测和控制。

（2）预应力定位与张拉：异形箱梁在两个方向存在预应力钢束交叉的情况，在预应力管道相交位置定位钢筋宜适当加密。张拉预应力过程中，宜遵循先横梁后腹板，先主受力方向后次受力方向的原则。施工中应先对中横梁预应力束进行张拉，再张拉腹板预应力钢束，两个方向对撑、交替张拉。

（3）混凝土浇筑：异形箱梁在中支点横梁相交位置预应力相交、钢筋构造复杂、节点混凝土尺寸大，施工时应特别注意，保障节点混凝土的振捣密实，做好入模前的降温、施工中的养护工作，减少施工期温度应力对结构的影响。

（4）模板安装：异形箱梁结构复杂，安装前应严格检查模板尺寸及形状，并加强支撑，防止变形，保障美观。在中间交叉区域，应以腹板、横梁相交点作为控制点确定桥面标高，同时保障梁高相同。安装中要对标高进行严格监测，减小误差。

5 结语

该工程依托工程实例，分析项目中的空中交叉口异形箱梁受力特征及施工注意事项，对于类似结构工程应注意：

（1）空中交叉口的结构设计，尤其是下部结构的布置，应结合受力分析结果与下部交通组织共同确定，合理布置结构的纵横梁格。

（2）结构横梁相交位置混凝土体积大，预应力交错，受力复杂，除进行梁格法受力计算外，宜借助实体有限元分析软件，分析节点应力分布情况，为结构设计、施工提供指导。

（3）交叉口箱梁结构构造复杂，且恒荷载在结构整体受力中的占比高，应注重施工过程中的控制。①施工中应以受力更大的方向为主控方向；②预应力的定位应准确无误，在交叉节点位置，严格控制预应力管道、普通钢筋相互之间的距离，确保浇筑混凝土均匀、密实；③加强施工过程中的观测，保障控制点定位及标高准确无误，以及箱梁外立面的整体平顺、美观。