互通立交匝道桥设计方案优化与应用研究

文章针对互通式立交工程总体设计方案及匝道桥工程特点，阐述了匝道曲线梁桥方案设计技术，着重分析了小半径匝道曲线梁受力与变形对立交桥梁结构设计成果的影响，提出了在线形受限而必须采用小半径曲线梁时，获得有利于桥梁结构发挥力学性能的线形要素，并经过分析与对比，探究匝道小半径曲线梁桥结构设计参数的优化区间，获得互通式立交匝道设计方案的优化方法。结果表明，互通式立交匝道曲线桥设计必须因地制宜，尽量采用半径较大的平面线形和合理的结构形式，提高施工便利性，保证行车安全。

互通立交；匝道桥；设计方案；优化研究

引言

曲线梁桥被广泛应用于城市互通式立交工程中，不论是主线还是匝道，曲线梁桥都能充分利用有限空间达到疏浚交通流的作用。匝道的优化是互通立交桥设计的重要环节，小半径曲线梁的研究是匝道优化的重点。对于小半径曲线匝道梁桥，在几何线形要素优选的基础上，仍需进一步对其结构进行力学分析、计算和优化，提高其内在品质，使其结构性能在互通立交工程中得到更好的发挥。

1 匝道曲线梁桥方案设计

随着城市快速道路和城市建设的迅速发展，城市路网中高架立交桥日益增多。曲线梁桥作为实现各方向交通连接的重要桥型，能满足线形和功能要求，适应复杂的路况需求。但是曲线梁桥的设计计算复杂，其设计参数需参照经验值、通过试验测定或试算选取，工作量非常大。本文依托南宁市西乡塘区某互通式立交工程，推荐立交方案为互通式（三层三苜蓿叶+半定向型）立交（如图1所示）[1]，曲线梁部分所占比例很大，其线形和结构上特别是匝道桥部分存在较大的优化空间。

图1 立交路线平面图

1.1 匝道曲线梁桥线型设计

对于城市互通式立交而言，匝道曲线梁桥的线形优化是重点，匝道路线线形设计思路，即匝道的平面和纵面线形设计应满足设计速度的要求，横断面设计应与交通量相适应，综合考虑周边交通环境、地下结构、地形地势等条件，确保匝道交通连续、稳定、安全、畅通，实现匝道线形的优化。

该互通式立交A匝道曲线桥为喇叭形，线形复杂，共6联，其跨径组合为：（23+30+23）m+4×30 m+2×25 m+（30+25+40+35）m+3×20 m+（23+30+23）m连续箱梁，下部结构采用双柱式花瓶墩和桩基础，跨越朝阳溪和地铁站主体结构，是最长的匝道，在线形上存在较大的优化空间[2]。

1.1.1 匝道平面设计

立交路线线形尤其是平面线形设计[3]，受城市路网规划影响，路线平面走向须满足城市控制性规划要求。城市设施对立交平面线形有较多约束，组合形式复杂，使曲线占整个线形比例很大。本立交匝道是采用直线、圆曲线、缓和曲线三

种线元实现曲率、超高过渡方式控制起终点进出口与主线线形的衔接，以保证车辆安全行驶。

匝道的平面线形要素主要是匝道平面曲线半径和回旋线参数[4]，需综合考虑匝道设计速度、交叉类型、交通量、自然条件、用地条件、桥跨布置、造价等因素，经分析、计算、调整、优化比选确定，确保行车的安全和舒适。

该匝道设计速度为40 km/h，平面圆曲线推荐最小半径为150 m，实际采用的半径为185 m，为小半径曲线桥。由于线形受限而必须采用小半径曲线梁，并运用Midas系列软件分析、模拟、计算和对比，合理选择曲率半径。匝道的曲率变化较大，应设缓和曲线即回旋线，对于缓和曲线，其参数A以满足A≤1.5R为宜。

匝道圆曲线的超高值或超高横坡度与圆曲线半径、设计速度均有关，超高横坡度规定为。超高渐变率为1%，超高值决定于行车道宽度。

1.1.2 匝道纵断面设计

由于互通式立体交叉的路线相互跨越，其纵断面线形受到上下线高程的限制，匝道作为连接上下线的纽带，其纵断面须满足上下线高程的要求，同时应满足坡长、坡度要求，合成纵坡不大于7%。匝道纵面线形应连续、均衡、顺适，应避免线形曲率突变。重视匝道与主线在纵面线形上过渡平顺，保证连接处通视条件，便于车辆汇入。

1.1.3 匝道横断面设计

立交匝道横断面形式、构造组成、各部分尺寸及比例，应符合道路等级、设计速度、设计年限的交通现状、交通量、现场条件等要求，该匝道梁桥宽度：8.0 m=0.5 m（防撞护栏）+3.5 m（机动车道）+3.5 m（机动车道）+0.5 m（防撞护栏）。当平面曲线半径较小时，均应按规定设置超高和加宽，从而保证汽车行驶的稳定性和乘客的舒适性。

1.1.4 匝道平、纵、横线形组合设计

城市互通式立交匝道路线平纵横线形组合设计应遵循的原则是匝道线形应与主线线形协调一致、平顺衔接，避免急剧变化，保持线形指标均衡性、线形视觉连续性，以满足稳定、安全、舒适、美观和经济设计要求，实现整体优化。

1.2 匝道曲线梁桥结构设计

该立交桥梁结构设计的主要技术参数[5]：设计荷载为城—A级，设计年限为100年，设计安全等级为一级，桥下净空≥4.5 m，抗震设计方法为A类，地震基本烈度为7度，抗震烈度按8度设防，桥梁位于城市主干道，抗震设防类别为乙类，在结构设计时采取了相应的构造措施，以提高整体抗震能力。该互通立交匝道梁桥结构设计的优化包括结构形式、跨径大小、力学性能、稳定性能、工程材料、施工方案、动态景观和美学等。

匝道曲线梁桥结构设计[6]的重点主要体现在以下方面。

（1）桥梁结构形式的选择，须结合工程实际，因地制宜，综合全线交通组织、施工方式及工期、城市景观等，通过技术经济比选，确定桥型方案。

（2）桥梁上部结构设计[7]，主要包括桥梁结构类型、跨径大小、截面形式、连续梁联长、预应力、材料等系统优化，择优拟定和计算各项技术指标。如连续梁联长及相邻跨径比例，跨径组合方案有三种，如图2所示，其中方案三设计的桥梁上部结构稳定性最差。

图2 匝道桥跨径组合方案

方案一：如图2（a）所示，为二跨等长组合梁结构，如2×25 m，稳定性最好。

方案二：如图2（b）所示，为三跨等长组合梁结构，如3×20 m，稳定性较好。

方案三：如图2（c）所示，为中跨大边跨小，如（23+30+23）m，稳定性最差。

（3）桥梁下部结构设计，主要包括桥墩、桥台和基础设计。桥墩选型应考虑地面系统及景观效果，桥台和基础应考虑地质土质情况和抗震性能。

（4）预应力优化设计。对于桥梁结构中的异形梁（如图3所示），预应力锚固于梁端部，顶板配置通长束，两端张拉。在箱梁横断面上，钢束一般配置于腹板内。除异形梁以外，其余梁段（如图4）的预应力钢束端部均于梁端顶部弯起，两端张拉。在底板及顶板配短束，采用两端张拉或一端张拉。这样配束可缩短施工周期。

图3 异形梁端预应力钢束配置示意图（单位：kN/m2）

图4 一般梁段梁端预应力钢束配置示意图（单位：kN/m2）

异形梁的施工顺序需先于两端其他梁段，除异形梁外，其余梁段的施工顺序不受限制，可同时施工。这样的预应力配束方式有效地解决了箱梁施工顺序问题，相对于常规的逐孔施工加长的施工方式，在工期上具有明显的优势。

（5）工程材料是结构优化的物质基础，混凝土作为曲线梁的主要材料，应具有良好的工作性、力学性、稳定性和易密性，且应与钢筋紧密结合。为此，在混凝土配合比设计时，应对胶凝材料、粗细集料和外加剂的质量进行严格把控，并根据结构性能、施工技术等要求选用适当的掺合料，改善混凝土的技术性能，最大程度发挥材料的作用。

2 匝道曲线梁桥的工程特点

2.1 小半径曲线梁桥的结构特点

依托工程城市互通式立交桥梁A匝道为小半径曲线梁桥，主要工程结构特点如下。

（1）曲线梁桥跨径的选择与其弯扭刚度比有直接的关系。弯扭刚度比对结构的受力状态和变形状态存在较大的影响，由曲率因素引起的扭转变形与弯扭刚

度比呈正相关。在避免竖向变形过大的条件下，尽可能增大曲线梁的抗扭刚度并减小其抗弯刚度。因此，在曲线梁桥中，宜选用高度较小和抗扭惯性矩较大的箱形截面主梁。小半径曲线梁桥的经济梁高应大于跨径的1/18，在特殊情况下也应大于跨径的1/22。

（2）横隔板可以增加桥梁横向刚度并且增加主梁的稳定性，因此在曲线梁中设置一定数量的横隔板可以大幅提升其受力性能。另外，曲线梁截面变化更常见应力集中现象，应在箱梁顶板、腹板、底板设置渐变段来减小应力集中效应。

（3）不同超高设置方式对曲线梁内力有着不同的影响，通过调整曲线超高实现形式，探究内力分布最优即极值最小的超高方式，以减小横向水平力。

（4）合理选择支承方式。支承方式的主要区别在于是否考虑转角约束。曲线梁采用不同类型的支承方式，其内力和位移数值会受到显著影响。

2.2 小半径曲线梁桥的受力与变形特性

直线桥在恒载作用下具有横向对称性，主梁内不会产生扭转应力和扭转变形，即使在偏心活荷载作用下，也难以产生足以引起重视的扭转应力和扭转变形。但对于曲线桥，即使在恒载作用下也会产生较大的扭转应力和扭转变形。在设计小半径曲线梁桥时，还要考虑更多影响因素，如梁体温度效应、预应力效应、活载等。

另外，由于地面交通和景观要求，不少桥梁的下部结构采用独柱支承方式，抗扭能力较弱。主梁的扭矩造成端部支座横向受力不均，甚至使一侧支座出现负反力，所以须在桥梁两端设置抗扭转支座，以增加桥梁的整体稳定性。

3 匝道曲线梁桥力学分析

选取A匝道包含的相同跨径不同曲率半径的联长，采用Midas系列计算软件对立交桥匝道曲线梁结构进行有限元模拟[8]，分析比较内力和变形响应量。

3.1 曲线梁桥弯矩计算

采用的相同跨径为2×25 m，曲率半径分别为150、185、215、250、300、400 m，曲率半径不小于设超高推荐半径=150 m，匝道顶板宽度为8 m、底板宽度为4 m等截面梁高1.6 m。建立有限元模型并得到弯矩包络图[9]。不同曲率半径弯梁桥最大弯矩变化规律如图5所示。

图5 不同半径弯梁桥最大弯矩变化趋势图

3.2 曲线梁桥位移计算

对于位移分析，同样采用相同跨径为2×25 m，曲率半径分别为150、185、215、250、300、400 m的曲线梁桥进行横向位移计算和对比，最大横向位移变化趋势如图6。

由图6可见，曲线半径对弯梁桥横向位移的影响较大，应结合工程现场条件，尽可能选择较大曲线半径。

图6 不同曲率半径弯梁桥最大横向位移变化趋势图

3.3 曲线梁桥应力计算

曲线梁应力分析中，同样采用相同跨径为2×25 m，曲率半径分别为150、185、215、250、300、400 m的曲线梁桥进行应力计算[10]，最大应力y变化趋势如图7所示。

图7表明，弯梁曲线半径150 m≤＜300 m时，其结构应力变化较大，当曲线半径大于不设超高半径＜300 m时，其结构应力变化明显减小。

图7 不同半径弯梁桥变化趋势图

4 匝道曲线梁桥设计方案优化方法

通过结合工程实际，针对性探讨同时存在跨越路线、地铁、水系等复杂环境中城互通式市立交匝道曲线梁桥设计技术。得到匝道曲线梁桥优化设计方案的方法主要包括以下方面。

（1）曲线匝道梁桥设计应因地制宜，尽量采用半径较大的平面线形，经过分析、模拟、计算和对比，获得有利于桥梁结构发挥力学性能的线形要素取值区间，准确快速得到城市立交桥梁工程小半径曲线梁匝道的优化方案。

（2）在设置圆曲线超高时，应综合考虑梁桥支座构造、腹板高差、桥面铺装三种实现超高的措施，避免支座垫石高度、不等高腹板长侧应力、桥面铺装厚度等过大。当采用较小平曲线半径时，超高的设置相应增大，必将对箱梁的受力产生一定影响。通过调整曲线超高实现形式，探究不同超高设置方式对曲线梁内力的影响，从而得到内力分布最优即极值最小的超高方式。

（3）依据曲线梁对桥梁结构设计成果的影响，通过调整曲线要素、桥跨组合和联长等，对不同参数组合下的响应量进行分析，得到主要设计参数的优化方向和结论。以优化互通式立交匝道梁桥线型和结构设计。

5 结束语

合理的城市互通立交方案，需把路线线形与桥梁结构设计有机地结合起来，才能避免由于路线方案与桥梁方案综合考虑不足导致的钢束反复调整、施工困难、裂缝宽度较大等问题。为此，通过匝道曲线梁桥力学分析，获得线形要素更为合理的取值区间，优化小半径曲线梁桥线形和结构，才能使其在互通立交工程中得到更好地发挥。期待主管机构组织汇集既有研究成果，针对性地持续深入和不断完善，形成行业通用的曲线梁桥设计规范和标准，并不断推广与创新。