城市高架橋結(jié)構(gòu)方案的分析與研究

城市高架橋結(jié)構(gòu)方案的分析與研究

1主要方式及療效隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程正在加快。傳統(tǒng)的道路交通方式不能滿足當前的交通條件。城市高架公路的發(fā)展已成為有效解決城市交通問題的主要途徑。城市高架橋具有可解決交通擁擠、車速下降、事故增多等問題,可緩解城市平面交通不足,形成與地面主干道結(jié)合的空間模式可最大限度的節(jié)約土地資源,充分拓展城市道路空間,保證行駛連續(xù)性、無縱橫干擾性等優(yōu)點。目前,各大城市正在積極規(guī)劃、實施城市快速路網(wǎng),為對城市高架橋的規(guī)劃和建設(shè)提供參考,本文在分析杭州市幾座典型高架橋的基礎(chǔ)上,總結(jié)城市高架橋結(jié)構(gòu)方案的關(guān)鍵因素并預測其發(fā)展趨勢。2“三縱、五橫”的高速段杭州市快速路網(wǎng)體系包括“一環(huán)、一繞、三縱、五橫”。其中“一環(huán)、一繞”指杭州都市經(jīng)濟圈高速公路環(huán)線和繞城高速公路;“三縱、五橫”指3條南北向的快速路和5條東西向的快速路。城市快速路網(wǎng)建成,將承擔該市約38%的車流量。對杭州市快速路網(wǎng)體系及其他重要通道中的幾座典型高架橋相關(guān)情況進行說明。2.1橋橋型下部結(jié)構(gòu)中河高架橋、上塘高架橋連接杭寧高速和復興大橋,南北貫穿杭州最繁華的市區(qū),是杭州市快速路網(wǎng)體系“三縱”中重要的一縱。2座橋橋型布置基本相同,全寬均為19.0m,設(shè)雙向4車道城市快速路。上部結(jié)構(gòu)采用4×25m單箱多室現(xiàn)澆箱梁(中河高架橋采用斜腹板箱梁、上塘高架橋采用直腹板箱梁),梁高1.5m;下部結(jié)構(gòu)采用大懸臂蓋梁、雙柱式輕型墩,墩柱為矩形截面,截面尺寸為1.5m×1.1m,兩墩柱間距為5.0m(地面道路中央分隔帶寬度)。中河高架橋、上塘高架橋橫截面布置見圖1。2.2道路結(jié)構(gòu)方案杭徽高速公路是國家高速路網(wǎng)中杭瑞高速(G56)的重要組成部分。由于工程途徑區(qū)域城市化程度高,又基本沿浙江省02省道布設(shè)。因此,在浙江省范圍內(nèi)采用高速公路高架橋結(jié)合地面道路的模式,實現(xiàn)高速公路與地方道路的零距離對接,有效解決過境交通和集散交通的交通組織難題,綜合利用交通走廊資源。杭徽高架橋全寬24.0m,設(shè)雙向4車道高速公路。上部結(jié)構(gòu)采用4×25m全剛構(gòu)體系(部分路段采用5×25m連續(xù)-剛構(gòu)體系),單箱多室斜腹板大懸臂箱梁,梁高1.5m;下部結(jié)構(gòu)采用曲線與直線相結(jié)合的弧形Y形墩,墩柱為矩形截面,截面尺寸為1.6m×1.5m,兩墩柱間距為9.0m(地面道路中央分隔帶寬度)。杭徽高架橋橫截面布置見圖2。2.3高架橋型下部結(jié)構(gòu)德勝、石大(留石)快速路是杭州市快速路網(wǎng)體系“五橫”中主城區(qū)北部的2條橫向高架快速路。德勝高架橋、石大高架橋橋型布置基本相同,全寬均為25.0m,設(shè)雙向6車道城市快速路。上部結(jié)構(gòu)采用4×30m單箱三室斜腹板大懸臂現(xiàn)澆連續(xù)箱梁,梁高2.0m;下部結(jié)構(gòu)采用曲線與直線相結(jié)合的H形墩,墩柱為矩形截面,截面尺寸為1.7m×1.5m,兩墩柱間距7.0m(地面道路中央分隔帶寬度)。德勝高架橋、石大高架橋橫截面布置見圖3。2.4下部結(jié)構(gòu)設(shè)計錢江通道高速公路是杭州市快速路網(wǎng)體系“一環(huán)”中的重要部分,南北穿越江東新城,該區(qū)域為杭州的制造業(yè)基地,采用高架橋形式穿越,使橋下空間更好地服務于區(qū)域交通。錢江通道高速公路高架橋全寬33.0m,設(shè)雙向6車道高速公路。上部結(jié)構(gòu)采用4×30m單箱多室斜腹板大懸臂現(xiàn)澆連續(xù)箱梁,梁高2.0m;下部結(jié)構(gòu)采用曲線與直線相結(jié)合的H形墩,墩柱為矩形截面,截面尺寸為2.5m×2.2m;兩墩柱間距10.0m(地面道路中央分隔帶寬度)。錢江通道高速公路高架橋橫截面布置見圖4。2.5下部結(jié)構(gòu)設(shè)計杭州蕭山機場高速公路為浙江省“省門第一路”。蕭山機場高速公路高架橋全寬33.0m,設(shè)雙向6車道高速公路。上部結(jié)構(gòu)采用4×35m單箱多室斜腹板大懸臂現(xiàn)澆連續(xù)箱梁,梁高2.4m;下部結(jié)構(gòu)采用曲線與直線相結(jié)合的H形墩,墩柱為矩形截面,截面尺寸為2.5m×2.2m;兩墩柱間距10.0m(地面道路中央分隔帶寬度)。該橋與其下6車道城市快速路相結(jié)合,最大限度地節(jié)約了土地資源并預留城市發(fā)展空間,避免了高速公路對城市產(chǎn)生的分割效應,有利于沿線的開發(fā)建設(shè)。蕭山機場高速公路高架橋橫截面布置見圖5。2.6下部結(jié)構(gòu)設(shè)計秋石快速路銜接繞城高速公路北線和西興大橋,是杭州市快速路網(wǎng)體系“三縱”中重要的一縱(杭州主城區(qū)中的第2條縱向快速路)。秋石快速路(三期)高架橋全寬25.0m,設(shè)雙向6車道城市快速路。上部結(jié)構(gòu)采用35m標準跨徑預制小箱梁,梁高2.0m;下部結(jié)構(gòu)采用大懸臂倒T形隱蓋梁、雙柱式墩,倒T形隱蓋梁懸臂長8.75m;雙柱式墩墩柱為矩形截面,截面尺寸1.7m×1.5m,兩墩柱間距為7.0m(地面道路中央分隔帶寬度)。秋石快速路(三期)高架橋橫截面布置見圖6。該橋位于市中心繁忙的秋濤路,車流量非常大,其中眾多交叉道路為城市主干道,交通組織難、施工難度大。采用預制小箱梁方案,下部施工完畢后只需架設(shè)箱梁,大大節(jié)省了施工周期,并且在各大繁忙的交叉路口采用鋼箱梁形式跨越,最大程度地降低了對交通的影響。3重要因素的城市橋梁結(jié)構(gòu)分析通過總結(jié)上述杭州市典型高架橋的結(jié)構(gòu)方案,歸納城市高架橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素。3.1全球城市橋梁的規(guī)模3.1.1橋梁高度大小對視線壓抑感及噪聲反射的影響城市高架橋橋高的決定因素包括橋下凈空、視覺及景觀、噪聲反射及工程造價等。根據(jù)規(guī)范,城市高架橋橋下凈空只需控制在5.0m以上,但考慮到人的視覺效應(橋下空間過低會引起人的壓抑感)及噪聲反射的程度(如果高架橋下層為地面道路,橋下凈空低,則噪聲反射強),建議橋梁高度大于10m。另外,當高架橋高度大于14m時,對減輕視線壓抑感和噪聲反射影響的作用均不明顯,但會提高造價敏感度。綜上所述,建議將城市高架橋橋高控制在10～14m。3.1.2橋梁的跨徑和景觀協(xié)調(diào)的影響城市高架橋跨徑的決定因素包括結(jié)構(gòu)合理性、視覺舒適性、景觀協(xié)調(diào)性等。(1)通過對城市高架橋進行結(jié)構(gòu)分析可知,橋梁基礎(chǔ)的地質(zhì)情況對橋梁跨徑的影響較大,當基礎(chǔ)位于地質(zhì)情況好、地基承載力高的地層時,橋梁跨徑在20～30m較合適;當基礎(chǔ)位于地質(zhì)情況較差、地基承載力低的地層時,橋梁跨徑在30～35m較合適。(2)從視覺舒適性角度來看,不同的橋梁跨徑對視線遮擋和視覺效果的影響程度不一樣?？鐝捷^小時,密集的橋墩對視野邊界的限定較為強烈,容易給人造成心理上壓抑的感覺;反之,跨徑較大時,橋墩的排列密度較小,視線穿過橋梁所看到的區(qū)域較大,因此對視野邊界的限定較為溫和,不易給人造成心理上壓抑的感覺。(3)從景觀協(xié)調(diào)的角度來看,城市高架橋的高度與跨徑的比例一般在1∶2.5～1∶3,橋梁跨徑在30m左右。另外,分析杭州市典型高架橋可知,隨橋?qū)挼脑黾?橋梁跨徑有增大趨勢。3.1.3高架與橋梁跨徑比例梁高與橋下凈空、跨徑之間的比例關(guān)系對橋梁整體造型的判定有決定性的影響。城市高架橋的梁高取決于材料特性、結(jié)構(gòu)受力(縱向、橫向受力及剛度)、施工便捷性(預應力束、拆模)、視覺景觀(比例協(xié)調(diào))等因素,梁高與橋梁跨徑的比例一般在1∶10～1∶20,分析杭州市典型高架橋可知,跨徑為25,30,35m的高架橋梁高分別為1.8,2.0,2.4m左右。3.2城市橋梁的結(jié)構(gòu)形式3.2.1腹板箱梁施工優(yōu)缺點分析早期建設(shè)的城市高架橋比較注重實用性、對景觀要求不高且造價敏感性較高,其上部結(jié)構(gòu)一般采用混凝土預制結(jié)構(gòu)(如空心板、小箱梁、T梁等)。中、晚期建設(shè)的城市高架橋,充分考慮了景觀的因素,其上部結(jié)構(gòu)大多為混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁(在市郊結(jié)合部位、景觀要求不高的路段,小箱梁結(jié)構(gòu)形式也常有出現(xiàn))。混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁根據(jù)截面形式可分為直腹板、斜腹板、魚腹式等多種形式。分析杭州市典型高架橋可知,早期的城市高架橋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁截面多采用直腹板形式;中、晚期的則一般采用斜腹板形式(下部配以曲線墩)。直腹板與斜腹板箱梁各有優(yōu)缺點:直腹板箱梁景觀效果一般,但施工方便,施工質(zhì)量容易控制;斜腹板箱梁景觀效果好,底板面積小因此可減輕梁體自重并節(jié)省造價,可減小梁體溫度次應力,但變截面箱梁斜腹板施工時鋼束定位麻煩、施工質(zhì)量較難控制,設(shè)計時還必須著重考慮斜腹板鋼束的防崩因素。魚腹式箱梁的抗扭、抗彎性能較普通箱梁好,其邊腹板的流線型設(shè)計使其抗風性能好(其風載系數(shù)低于普通箱梁)且美觀性好,但由于魚腹式箱梁在梁高變化上較難處理,因此應用的范圍受到一定影響。通過調(diào)研還發(fā)現(xiàn),大懸臂斜腹板連續(xù)箱梁在城市高架橋中應用的趨勢越來越廣,特別是橋面寬度較寬時(6～8車道橋面),主要原因為:①大懸臂斜腹板連續(xù)箱梁橋下可利用空間大,能較好地滿足橋下城市道路或輔道布置的功能要求,可減小拆遷量且節(jié)約用地;②混凝土、鋼筋用量較小,經(jīng)濟指標占優(yōu);③可搭配的橋墩形式較多,橋梁造型美觀,能較好地適應城區(qū)橋梁景觀要求。另外,近年來,由于機動車保有量大幅度增加,使得城市高架橋的建設(shè)對交通影響越來越嚴重,為避免施工期間的交通擁堵,城市高架橋在主要交叉口處設(shè)計采用鋼箱梁和鋼-混凝土組合梁等結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)的使用,能更大程度地節(jié)約工期、緩解交通壓力。鋼-混凝土組合梁一般采用無鋼頂板的開口截面鋼梁,通過剪力鍵與混凝土橋面板結(jié)合。鋼-混凝土組合梁具有優(yōu)良的性能,與鋼結(jié)構(gòu)相比,它可以節(jié)約鋼材、提高承載力,有效地解決鋼箱梁頂板瀝青鋪裝破損的問題;與混凝土結(jié)構(gòu)相比,它極大地減輕了結(jié)構(gòu)自重、提高了橋梁的跨越能力,并且抗剪性能較好。因此,鋼-混凝土組合梁被廣泛應用于大、中跨徑的橋梁建設(shè)中。同時,現(xiàn)澆拼接的脊骨梁以及預制小箱梁的應用,對于緩解施工期間整條道路的交通壓力起到?jīng)Q定作用。脊骨梁采用小脊骨、大懸臂,結(jié)構(gòu)輕盈、施工快捷。3.2.2h形墩、雙柱墩分析杭州市典型高架橋,結(jié)合工程實際和景觀,城市高架橋下部結(jié)構(gòu)一般采用弧形墩或大懸臂柱式墩,主要形式包括Y形墩、雙柱式大懸臂墩、H形墩、獨柱花瓶墩等。Y形墩造型美觀,受力合理;雙柱墩簡潔敦實,給人以安全感;獨柱花瓶墩過渡流暢,造型優(yōu)美,適用于匝道。考慮地面道路的通行和節(jié)約土地資源,應盡量壓縮墩柱位置的中央分隔帶寬度(中央分隔帶寬度一般在7～10m為宜,橋面較寬時宜采用大值,橋面較窄時宜采用小值),但若中央分隔帶寬度太小,墩柱橫橋向間距過窄,則需加大橫梁(蓋梁)的配筋率,同時必須對箱梁進行抗傾覆驗算。3.2.3續(xù)-剛構(gòu)體系在結(jié)構(gòu)體系方面,城市高架橋不僅可采用先簡支后連續(xù)體系、連續(xù)體系,還可采用連續(xù)-剛構(gòu)體系。連續(xù)-剛構(gòu)體系可提高結(jié)構(gòu)的整體性和抗震能力、大幅減少支座、節(jié)約造價、降低后期的養(yǎng)護成本,但該體系在墩梁連接處應力集中現(xiàn)象比較明顯(在杭徽高架橋設(shè)計中,為解決墩梁連接處應力集中現(xiàn)象,在墩梁連接內(nèi)側(cè)銳角處增加倒角)。4發(fā)展城市橋梁的概念從城市高架橋設(shè)計趨勢看,今后的高架橋造型會更加輕盈優(yōu)美,結(jié)構(gòu)上更加注重耐久,功能上更加豐富多樣,并且更能體現(xiàn)環(huán)保理念。4.1新型預應力保護設(shè)備城市高架橋上部結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢為改善結(jié)構(gòu)的動力特性、加大抗震能力、提高整體剛度并增加抗傾覆措施。為減少對城市生活的影響,縮短施工周期的懸臂拼裝結(jié)構(gòu)、組裝結(jié)構(gòu)會大量應用。為實現(xiàn)低碳、環(huán)保,可回收材料(鋼、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu))的使用幅度會加大,另外,輕質(zhì)材料(如輕質(zhì)混凝土等)也會大力推廣應用。下部結(jié)構(gòu)方面,墩身預應力與高強度等級混凝土的使用將大大改善城市高架橋主梁墩頂?shù)膽袉栴}及抗傾覆條件下的墩身受拉問題,可在不改變剛度的前提下大幅度地提高橋梁承載能力。另外,采取鋼-混凝土組合的墩身方案,可使下部結(jié)構(gòu)更為輕巧、實現(xiàn)更大橋梁跨度、加快施工周期、提高耐久性并優(yōu)化造型。結(jié)構(gòu)體系方面,剛構(gòu)體系橋梁應用前景廣泛,該體系可減少橋梁支座、簡化維護程序、增大結(jié)構(gòu)剛度并提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。4.2高架快速路和公交快速系統(tǒng)隨著城市發(fā)展進程的加快,城市交通呈現(xiàn)多元化(公交、BRT、地鐵、輕軌同時運行),需要更多的道路空間,且城市的交通問題日益尖銳。許多城市通過加密路網(wǎng)、拓寬道路、變更車道寬度等方法進行改善,但受到用地與拆遷等因素的制約。因此,發(fā)展高架快速路和公交快速系統(tǒng)成為有效解決城市交通問題的主要方式,兩者有