頂進(jìn)立交橋設(shè)計(jì)的基本理論、方法和內(nèi)容

1、頂進(jìn)立交橋設(shè)計(jì)的 基本理論、方法和內(nèi)容、頂進(jìn)立交橋的結(jié)構(gòu)形式基本形式鋼筋混凝土封閉結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：自重較輕而底面積大，對(duì)地基承載能力的要求較低；比較輕巧而美觀的外型，可以獲得較小的梁高，縮+短引道的長(zhǎng)度；超靜定結(jié)構(gòu)，內(nèi)力可以互相調(diào)節(jié)，對(duì)意外外力具有較強(qiáng)的抵抗能力，可以適應(yīng)一般地質(zhì)變化的要求；由于墻板間的剛性聯(lián)結(jié)，可以承受頂進(jìn)時(shí)巨大剪力。、頂進(jìn)立交橋的總體設(shè)計(jì)下穿鐵路的立交橋要滿足兩個(gè)條件：在結(jié)構(gòu)方面必須具有足夠承受鐵路荷載的能力；橋下凈空必須滿足交通功能的要求。所以在設(shè)計(jì)中必須同時(shí)遵守鐵路和公路或城市道路的有關(guān)規(guī)范和規(guī)定。設(shè)計(jì)所依據(jù)的規(guī)范：鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)

2、計(jì)規(guī)范公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范城市橋梁設(shè)計(jì)準(zhǔn)則總體設(shè)計(jì)的任務(wù)：確定橋位、交叉角、規(guī)模。橋位立交橋軸線與鐵路中線交點(diǎn)的位置。理想的交叉點(diǎn)是在區(qū)間直線段；若需要在車站通過(guò)，宜避開(kāi)咽喉區(qū)。交叉角立交橋軸線與鐵路中線的夾角，標(biāo)注銳角。所有規(guī)范都規(guī)定兩條道路的交叉角不應(yīng)下于45，但在實(shí)際執(zhí)行中都做不到。在城市道路中，拆遷是一個(gè)最主要的因素。以前曾經(jīng)力圖把交叉角控制在60以上。但是強(qiáng)調(diào)大交角往往造成大量的拆遷和道路平面的惡化，一般在城市道路的立交橋中都只能服從城市規(guī)劃的要求2 / 14。立交橋的規(guī)模凈寬、孔數(shù)、凈高立交橋的凈寬是指每孔中兩墻間的垂直距離，這個(gè)距離必須滿足行車道或人行道寬度及各種“帶

3、”寬的要求，行車道的寬度是與設(shè)計(jì)行車速度、車道數(shù)和車輛類型有關(guān)的：例如：每個(gè)機(jī)動(dòng)車道的寬度：大型汽車和小型汽車混行 V40KMH 3.75m 40KMH 3.50m小型汽車專用線 3.50m公共汽車?？空?3.0m凈高：有軌電車 5.5m 無(wú)軌電車 5.0m 汽車 4.5m孔數(shù)要與道路設(shè)計(jì)橫斷面相匹配；凈高是指由路面至頂板底的高度。每孔的凈寬和凈高都必須滿足公路和城市道路限界的要求。關(guān)于規(guī)模問(wèn)題，有一段時(shí)間過(guò)分強(qiáng)調(diào)鐵路規(guī)范的要求，曾經(jīng)造成鐵路和地方地方部門(mén)的不協(xié)調(diào)。在近三十年來(lái)，鐵路規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)凈寬系列沒(méi)有做過(guò)任何改變，標(biāo)準(zhǔn)系列中的凈寬目前已經(jīng)明顯地不能適應(yīng)道路設(shè)計(jì)的要求。例如：北京一些城市

4、快速路和干道都設(shè)計(jì)為“四塊板”斷面，設(shè)計(jì)速度都在40KMH以上，機(jī)動(dòng)車道為上下各3車道，而且中間和兩側(cè)隔離帶也比較寬。行車道本身要求的寬度就達(dá)到11.25m，加上路緣帶、安全帶的要求就13m以上，再由于較寬的隔離帶，要求的凈寬就更大了。而標(biāo)準(zhǔn)系列中，四跨斷面只有（912129）m一種，明顯地不能滿足現(xiàn)行規(guī)劃的要求。所以在近年設(shè)計(jì)的方案中，特別是在北京和天津，基本上已經(jīng)沖破了規(guī)范的限制。如北京中軸路立交橋?yàn)椋?7.5202017.5）m，總寬度81.2m；玉泉路立交橋?yàn)椋?2171712）m，總寬度63m；廊坊K83立交橋?yàn)椋?14.514.58）m，總寬度近49m。其他雙孔和單孔凈寬也有類似的

5、情況。 目前已有的設(shè)計(jì)：?jiǎn)慰鬃畲蟮膬魧挒?8m（廣渠路立交橋）；多孔連續(xù)結(jié)構(gòu)最大凈寬為20m朝陽(yáng)北路220m，中軸路立交橋（17.5202017.5）m。對(duì)于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這基本上已經(jīng)是極限跨度。結(jié)構(gòu)斷面形式多孔連續(xù)結(jié)構(gòu)或分體組合。從設(shè)計(jì)角度：對(duì)寬度較大的結(jié)構(gòu)，考慮到底板的剛度和頂進(jìn)過(guò)程中地質(zhì)情況意外變化的影響，宜采取分體設(shè)計(jì)；從施工角度：分箱并列頂進(jìn)，難以做到并列各箱高程誤差的一致。頂進(jìn)立交橋的“主體”包括框架主體和出入口擋墻；框架主體由前刃角、封閉框架、后懸臂和尾墻四個(gè)部分組成。 圖1前刃角是頂進(jìn)框架橋的特有結(jié)構(gòu)，起到頂進(jìn)時(shí)切土、防止側(cè)向塌方的作用；側(cè)刃角的斜面還可以起到調(diào)整方向和高

6、程偏差的作用。立交橋軸線長(zhǎng)度的確定：軸線長(zhǎng)度系指刃角頂板前端至后部懸臂末端的長(zhǎng)度，包含三個(gè)組成部分：前部刃角頂板長(zhǎng)度，刃角頂板長(zhǎng)度按設(shè)計(jì)內(nèi)凈高及側(cè)刃角斜面與水平面的夾角不大于60的原則確定，對(duì)于斜交橋此“60”應(yīng)按垂直線路方向計(jì)量；中部封閉框構(gòu)長(zhǎng)度，由線路（包括既有線和預(yù)留線）總間距和荷載分布寬度兩個(gè)因素確定。同時(shí)，此長(zhǎng)度與施工安全有非常密切的關(guān)系。與施工密切相關(guān)的一個(gè)重要尺寸是前端最外側(cè)的股道中心至側(cè)刃角根部的距離，這個(gè)尺寸關(guān)系到補(bǔ)刃角施工時(shí)的線路安全。在1994年以前，一般設(shè)計(jì)中這個(gè)尺寸都定為2.7m，補(bǔ)刃角施工相當(dāng)困難；1993年底，鐵路局頒發(fā)了“頂進(jìn)式框架立交橋設(shè)計(jì)、施工的若干規(guī)定”。

7、在此規(guī)定中，此尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同高度取值為34.5m，施工條件有所改善。按設(shè)計(jì)部門(mén)的觀點(diǎn)，這個(gè)尺寸的確定應(yīng)該考慮頂板荷載分布寬度的需要。 圖2（圖2中的“L”相當(dāng)于圖1中的“B”或“B1”）圖中b是活載分布寬度，而a段用于承受懸臂的垂直荷載，在a段內(nèi)荷載分布的強(qiáng)度不應(yīng)大于b段，否則需要對(duì)a段特別配筋。a段的大小就與懸臂的大小有關(guān)，最后： L=b+a一般按上述原則確定的刃角根部至鄰近線路中心的間距就比較能滿足補(bǔ)刃角施工的要求。尾部懸臂板長(zhǎng)度，按路肩需要的寬度確定，一般為1.52m；尾墻，在框架尾部把兩側(cè)墻延伸一段，此延伸部分稱為尾墻。它可以使翼墻基礎(chǔ)拉離線路，增加翼墻挖基時(shí)線路的安全度；在軸線長(zhǎng)

8、度短的立交橋，頂進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)扎頭，此時(shí)尾墻可使整個(gè)結(jié)構(gòu)的重心后移，起到平衡重的作用。尾墻不是每橋必有的。作為立交橋的主體結(jié)構(gòu)的另一部分是出入口擋墻。出入口擋墻是維護(hù)路基穩(wěn)定的必要結(jié)構(gòu)。一般有一字式、八字式和引道擋墻與結(jié)構(gòu)邊墻直接相接三種方式。其中八字式是普遍采用的方式，其布置的基本要求是與引道擋墻或邊坡連接處不應(yīng)出現(xiàn)銳角，應(yīng)該以直角或鈍角連接。從此方面看，一字式（也就是路肩式）擋墻只有在有預(yù)留線的一端、在正交時(shí)才可采用。頂進(jìn)方向的確定：確定頂進(jìn)方向的一般原則：在鐵路曲線地段，宜從曲線外側(cè)向內(nèi)側(cè)頂進(jìn)；在站場(chǎng)按最后頂進(jìn)正線的原則確定頂進(jìn)方向。但是，頂進(jìn)方向最后應(yīng)根據(jù)上述原則以及現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地、交通等條件

9、綜合考慮確定。鐵路橋梁設(shè)計(jì)時(shí)所采用的基準(zhǔn)標(biāo)高是“軌底標(biāo)高”，無(wú)論是荷載計(jì)算或各部標(biāo)高的確定都以軌底為計(jì)算的起點(diǎn)。在立交橋穿越多股線路時(shí)，常需考慮最低和最高股道，綜合平衡來(lái)確定橋面的設(shè)計(jì)標(biāo)高。鐵道部工務(wù)局曾經(jīng)有文件要求提速線路的立交橋其軌底至板頂?shù)母叨炔坏眯∮?.8m。在二十世紀(jì)九十年代以前，頂進(jìn)立交橋設(shè)計(jì)的這個(gè)高度一般只取0.65m。在這個(gè)高度中還包括了板頂防水層和保護(hù)層的厚度，在此高度下，工字鋼橫梁只能采用36以下的工字鋼，以前一些工務(wù)段還常采用28的工字鋼作為線路加固的橫梁。由于通過(guò)速度的不斷提高和行車密度加大，為了保證安全，現(xiàn)在采用作為橫梁的工字鋼都在40以上，而且布置的間距加密到1m。

10、這種布置只有在0.8m的高度下才能做到。在二十世紀(jì)九十年代以后，在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)增加了以下措施：1、 松散土體固化處理；2、 路基防護(hù)樁；3、 前靠背樁這些措施無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)和安全角度，對(duì)施工單位都是有利的。通過(guò)若干座立交橋的施工實(shí)踐，采用前兩項(xiàng)結(jié)合，除了保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定以外，應(yīng)用在小交角立交橋的頂進(jìn)中，還起到有效地減小水平轉(zhuǎn)矩的作用。、頂進(jìn)立交橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本形式：普通鋼筋混凝土封閉框構(gòu)。1、結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)構(gòu)在正常工作狀態(tài)時(shí)所受的外力：主力：恒載：結(jié)構(gòu)自重，靜土側(cè)壓力， 混凝土徐變和收縮的影響 活載：列車活載和沖擊力，活載側(cè)向土壓力，公路活載，人行道活載 附加力：列車制動(dòng)力 溫度變化的影響在以上荷

11、載中，公路和人行道活載可考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)有利或不利決定取舍。一般計(jì)算中只計(jì)算主力，如果考慮“主附”的組合，容許應(yīng)力應(yīng)在原有基礎(chǔ)上提高，一些項(xiàng)目最大可提高30。在一般設(shè)計(jì)中，都沒(méi)有考慮以下幾種情況：1）施工過(guò)程中由于糾偏產(chǎn)生的外力，如單側(cè)被動(dòng)土壓力；2）斜橋考慮了由于水平荷載作用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的扭矩，但是沒(méi)有考慮頂進(jìn)時(shí)水平轉(zhuǎn)矩變化的作用；3）頂進(jìn)過(guò)程中由于地質(zhì)變化造成對(duì)結(jié)構(gòu)底面的集中反力或地基脫空的情況； 4）結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生垂直相對(duì)位移時(shí)的影響；我們需要按設(shè)計(jì)時(shí)考慮的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)作為采取施工措施的依據(jù)：在方向糾偏時(shí)必須逐步采取措施，不可一蹴而就，因?yàn)檫@樣會(huì)使前端側(cè)面產(chǎn)生巨大的被動(dòng)土壓力而可能使結(jié)構(gòu)破壞（因?yàn)樵O(shè)

12、計(jì)中只考慮了雙向?qū)ΨQ靜土壓力和單側(cè)活載土壓力的作用）；采用縱向地梁控制扎頭時(shí)，地梁必須布置在靠近結(jié)點(diǎn)部位；在硬質(zhì)土層頂進(jìn)時(shí)，底板的清土面要平整，在每孔的跨中部位，寧低勿高，避免造成跨中的集中反力；避免在結(jié)點(diǎn)附近造成長(zhǎng)距離的超挖。在我們的施工實(shí)踐中，由于在頂進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的抬頭、底板超挖等情況，框架就位后常常出現(xiàn)底板脫空，也沒(méi)有看到結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。這可能是兩個(gè)原因：一是脫空的范圍比較小，而結(jié)構(gòu)本身剛度較大沒(méi)有造成結(jié)點(diǎn)明顯的相對(duì)位移；二是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就有較大的安全系數(shù)。但是為了結(jié)構(gòu)的壽命，不應(yīng)該讓結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間在這種條件下工作，所以一般要求就位后對(duì)基底采用噴沙或注漿填充。計(jì)算方法的發(fā)展：手算階段：地基反

13、力直線分布，沿軸線取1m單元按平面框架計(jì)算彈性地基上的框架，沿軸線取1m單元按平面框架計(jì)算將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題，沿軸線方向取1m單元，當(dāng)按地基反力直線分布的假定計(jì)算時(shí)，利用等截面桿件的角變位移方程推導(dǎo)的公式，這是最早采用的手算方法。即使有電子計(jì)算器，人力最多也只能計(jì)算單孔和雙孔框架，而且只能用改變荷載位置的辦法繪制包絡(luò)圖，若要采用影響線加載計(jì)算，人力手工計(jì)算是沒(méi)有辦法滿足要求的。即使在反力直線分布的假設(shè)條件也沒(méi)有三孔及以上結(jié)構(gòu)的現(xiàn)成計(jì)算公式。若考慮彈性地基，即使按平面假定計(jì)算都將復(fù)雜得多。對(duì)于小跨度的單孔框構(gòu)，按地基反力直線分布的等截面結(jié)構(gòu)計(jì)算，采用手工方法計(jì)算還是可行的，但效率就無(wú)法與電子計(jì)

14、算機(jī)相比了。在以上階段采用的計(jì)算中，主要參考三本書(shū)日本：渡邊的“箱型框架計(jì)算實(shí)例”中國(guó)：潘家錚的“彈性地基上的梁和框架”蘇聯(lián)：葛爾布諾夫的“彈性地基上結(jié)構(gòu)物的計(jì)算”都是沒(méi)有考慮桿件變截面因素、采用編好的常數(shù)表利用手算進(jìn)行的。當(dāng)考慮變截面因素時(shí)，多采用蔡方蔭的“變截面剛構(gòu)分析”一書(shū)中的“形常數(shù)”和“載常數(shù)”表。由于計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)采用，現(xiàn)在的方法基本上是采用有限單元法，把框架作為半無(wú)限彈性地基上的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散分析。這是目前比較精確的計(jì)算方法。（例如北京南中軸路立交橋，結(jié)構(gòu)寬度81.2m，封閉框架段長(zhǎng)度26.6m，劃分為15122個(gè)單元，共有23103個(gè)節(jié)點(diǎn)）。由于計(jì)算方法的發(fā)展

15、，鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的方法的提法進(jìn)行了修改。但是精確的計(jì)算方法也有它近似的一面，那就是沒(méi)有真正的均質(zhì)的彈性地基，計(jì)算所依據(jù)的地基變形模量Eo就只能是近似值。依據(jù)近似的數(shù)據(jù)就不可能得到精確的結(jié)果。頂進(jìn)施工的立交橋采用封閉框架的形式，是因?yàn)榉忾]框架結(jié)構(gòu)自身有較好的彎矩傳遞性，遇不利條件可發(fā)揮結(jié)構(gòu)的整體抵抗能力。但是，要求封閉框架結(jié)構(gòu)本身必須具有足夠的剛度。曾經(jīng)有過(guò)結(jié)構(gòu)在頂進(jìn)施工中破損的先例，其中有施工原因也有設(shè)計(jì)原因。豐臺(tái)站和大同站旅客地道在頂進(jìn)中折斷。折斷的事故多發(fā)生于小跨度的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。有些雖然寬度比較大但是高度小，旅客地道多屬于這種類型。以前在旅客地道的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中是對(duì)框架縱向作為彈性

16、地基梁進(jìn)行整體檢算的，在立交橋中基本沒(méi)有做這方面的檢算，其縱向鋼筋是按構(gòu)造或考慮溫度變化控制混凝土開(kāi)裂布置的。有些設(shè)計(jì)套用“上橋1001”和“上橋1002”通用圖而沒(méi)有增加縱向鋼筋。該圖是按軸線長(zhǎng)度4m現(xiàn)澆設(shè)計(jì)的，其中所設(shè)的縱筋只能起架立作用。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在頂進(jìn)時(shí)必須慎重考慮地基處理措施，如果采用橫向墊梁，當(dāng)結(jié)構(gòu)懸出墊梁外一定長(zhǎng)度而前段進(jìn)入線路時(shí)，縱向彎矩超過(guò)了它的縱向抵抗能力就容易折斷。1990年施工的北京市西四環(huán)豐臺(tái)立交橋在頂進(jìn)中出現(xiàn)嚴(yán)重破損。該橋是（14.917.517.514.9）m四孔連續(xù)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總寬度68.2m，頂板厚0.8m，底板厚0.7m。由于地基的意外變化，底板產(chǎn)生過(guò)大的相

17、對(duì)位移，中節(jié)點(diǎn)下沉，邊孔底板中部上拱，造成結(jié)構(gòu)嚴(yán)重開(kāi)裂，裂縫最大達(dá)到6mm。經(jīng)多方面分析認(rèn)為是由于結(jié)構(gòu)底板柔性過(guò)大而剛度不足所致。該橋設(shè)計(jì)底板比頂板薄，符合彈性地基上框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力特征，但是沒(méi)有注意頂進(jìn)施工的特點(diǎn)。1993年北京鐵路局頒布的“頂進(jìn)式框架立交橋設(shè)計(jì)、施工的若干規(guī)定”就是總結(jié)豐臺(tái)等立交橋事故教訓(xùn)的產(chǎn)物。鐵三院有一份試驗(yàn)研究報(bào)告，提出了一個(gè)普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)擬定框架板厚的參考尺寸：板在跨中的厚度不宜小于跨度的120；加腋根部的高度不宜小于跨度的110。以前在大量的三孔以下結(jié)構(gòu)中，墻厚0.5m即可滿足設(shè)計(jì)要求，但考慮到施工的需要，將墻的最小厚度定為0.6m?！景磸椥缘鼗?jì)算的一個(gè)重要參

18、數(shù)，柔度指數(shù)t： t= 其中：I=bh3 又：b=1，10 t=10式中：E0地基的變形模量 E鋼筋混凝土的彈性模量 h底板厚度 底板半長(zhǎng) 和0分別為鋼筋混凝土和彈性地基的泊桑系數(shù)由于 1所以一般計(jì)算取為t剛度系數(shù)K=1t。 由以上公式可見(jiàn)，要提高底板剛度的最有效的辦法就是減小底板的，也就是結(jié)構(gòu)的寬度。在立交橋總寬度確定的前提下，只有分體設(shè)計(jì)。】2、配筋設(shè)計(jì)鐵路鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算的最大特點(diǎn)是：至目前為止仍然采用容許應(yīng)力法。鐵路隧道結(jié)構(gòu)采用破損階段法，而在工業(yè)與民用建筑中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)普遍采用極限狀態(tài)計(jì)算。所以在一般鋼筋混凝土?xí)幸呀?jīng)沒(méi)有關(guān)于容許應(yīng)力法的內(nèi)容，這方面的內(nèi)容在鐵道專業(yè)的教材“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”才能找到?，F(xiàn)行“鐵路橋涵混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范”就是在容許應(yīng)力法的基礎(chǔ)上編制的。嚴(yán)格說(shuō)，在我們討論的框架中，沒(méi)有純彎構(gòu)件。無(wú)論頂板、底板、隔墻或邊墻都有軸向力和彎矩，應(yīng)該都是偏心受壓桿件。在手算階段，為了避免偏心受壓桿件配筋計(jì)算的麻煩，盡量減少計(jì)算工作量，把底板和頂板當(dāng)作純彎桿件設(shè)計(jì)鋼筋。由于底板和頂板所受的軸向力與立柱相比小得多，這樣簡(jiǎn)化不會(huì)有太大的出入。但是立柱所受的軸向力很大，必須根據(jù)實(shí)際條件按偏心受壓條件配筋。按偏心受壓構(gòu)件配筋計(jì)算的麻煩在于求受壓區(qū)高度時(shí)必須解一個(gè)一元三次方程。在設(shè)計(jì)和施工中最