鄭翔

福州市規(guī)劃設計研究院集團有限公司 350108

1 工程概況

福州市二環(huán)路白湖亭立交工程位于福州二環(huán)路東南轉角處，為福州市二環(huán)快速路閉合的最后一個節(jié)點。白湖亭立交為三層樞紐立交，含四條匝道（A、B、C、D），其中A匝道為連江南路右轉至南二環(huán)路快速通道，為避開現狀地鐵1號線軌道區(qū)間，需在9號、10號墩設置全幅大跨門架墩，本文以更為不利的A10墩作為分析案例。綜合考慮道路改造方案和現狀軌道區(qū)間，將A10門架左側墩柱（樁號前進方向，下同）落于上下行軌道區(qū)間中部，樁基與軌道區(qū)間最小凈距約5.2m；門架右側墩柱落于人行道邊，樁基與軌道區(qū)間最小凈距約5.8m。門架梁總長28.8m，計算跨徑22.677m，左側懸臂4.123m，右側懸臂2m；基礎采用兩根直徑1.8m的鉆孔灌注樁接承臺，立面示意見圖1。

2 門架墩結構設計方案概述

2.1 方案一：現澆預應力鋼筋混凝土結構

門架梁采用現澆預應力鋼筋混凝土結構，立柱為普通鋼筋混凝土，梁柱固結。門架梁為2.8m×2.6m矩形截面，端部梁高1.8m；立柱為2.6m×2.6m矩形截面。為增強景觀效果截面均作刻槽處理，見圖2。

結構均采用C50混凝土，門架梁后張預應力，共布設4排15-φs15.2鋼束，每排7根，采用兩端張拉，單根鋼束的張拉錨下控制應力為1395kPa，鋼束布置見圖3。立柱采用普通鋼筋混凝土結構。

圖1 A10門架墩立面圖（單位：cm）Fig.1 Elevation of A10 portal pier（unit：cm）

圖2 預應力混凝土方案斷面圖（單位：cm）Fig.2 Cross section of prestressed concrete scheme（unit：cm）

圖3 預應力鋼束布置（單位：cm）Fig.3 Prestressed steel tendon layout（unit：cm）

2.2 方案二：鋼箱門架梁結構

門架梁采用方形鋼蓋梁，立柱為方鋼管混凝土，梁柱固結體系。門架梁為2.2m×2.5m矩形截面，端部梁高1.7m，頂底鋼板厚28mm，并設4塊厚28mm的腹板，板內布置12mm加勁板肋，對應支座位置處設橫隔板及支座加勁板。立柱為2m×2m正方形截面，鋼板厚24mm，鋼管內設豎向受力主筋及箍筋，并灌注C40微膨脹混凝土，見圖4a、4c。

2.3 方案三：鋼-混組合門架梁結構

門架梁采用方形鋼-混組合結構，立柱為方鋼管混凝土，梁柱固結體系。門架梁為2.2m×2.5m矩形截面，頂底鋼板厚28mm，并設4塊厚20mm的腹板；頂底板內側12mm加勁板肋，腹板內表面設置剪力釘，以增強混凝土與鋼結構協(xié)同作用。立柱為2m×2m正方形截面，鋼板厚24mm，鋼管內設豎向受力主筋及箍筋，立柱主筋伸入梁內1.7m，強化墩梁固結效果。鋼構內灌注C40微膨脹混凝土，見圖4b、4c。

圖4 鋼箱及鋼-混組合方案斷面圖（單位：cm）Fig.4 Section of steel box scheme and Steel concrete combination scheme（unit：cm）

3 結構有限元分析

結構分析采用Midas/Civil軟件建立梁、柱、樁的空間有限元梁單元模型，如圖5所示。梁柱之間采用剛性連接，運用m法計算土彈簧剛度值，通過節(jié)點彈性支承模擬樁-土作用效應。上部主梁通過支座將反力傳遞給門架，門架梁單元根據實際支座位置建立節(jié)點。將上部恒載和移動活載引起的支反力分離開加載至模型，取最不利活載工況下的支反力組合進行驗算。

承載能力極限狀態(tài)下，方案一、方案二、方案三結構控制位置的計算結果分別見表1、表2、表3。

圖5 有限元計算模型Fig.5 FEM model

表1 方案一計算結果Tab.1 Calculation results of scheme 1

表3 方案三計算結果Tab.3 Calculation results of scheme 3

4 方案比選

4.1 力學指標對比

三種方案分別采用預應力鋼筋混凝土結構、鋼箱結構及鋼-混組合結構，混凝土結構與鋼結構部分力學評價標準不同，所以引入承載力儲備值［2］（混凝土結構儲備值=內力/承載力限值，鋼結構儲備值=正（剪）應力/容許應力）進行橫向比較，三種方案承載力儲備值對比見表4。

表4 承載能力儲備值、撓度對比Tab.4 Comparison of ultimate limit states reserve and deflection

由表4可知，結構強度方案三最優(yōu)、方案一其次、方案二最差；結構剛度方案一最優(yōu)，方案三其次，方案二最差。

4.2 施工方案對比

預應力鋼筋混凝土門架墩的施工方案為：綁扎立柱鋼筋并架設側模板，一次灌注至門架梁底，并預埋梁柱固結主筋。采用鋼管滿堂支架搭設門架梁施工平臺，立模綁扎鋼筋后整體澆筑，待齡期強度達標，后張預應力體系，最后拆除臨時支撐（圖6）?，F場施工時間約30d。

圖6 預應力混凝土結構施工示意Fig.6 Construction diagram of prestressed concrete

鋼箱及鋼-混組合門架墩的施工方案基本一致：綁扎鋼管內部鋼筋，現場焊接組裝方鋼管，灌注C40微膨脹混凝土。采用素混凝土基礎、φ630×12mm鋼管柱、工字鋼等架設臨時支墩，然后吊裝預制門架梁構件，現場焊接。鋼-混門架梁需灌注C40微膨脹混凝土，最后拆除臨時支撐（圖7）?，F場施工時間約8d。

現澆后張拉工序耗時長、難度大，臨時支架占道施工，需設置臨時通行便道，導改現狀交通。相比而言鋼結構門架墩臨時支墩少、施工周期大大縮短、現狀交通影響很小、無需設置臨時便道。

圖7 鋼箱及鋼-混結構施工示意Fig.7 Construction diagram of steel box and steel concrete combination

4.3 經濟指標對比

預應力鋼筋混凝土門架梁方案的工程量主要由混凝土、鋼筋、預應力鋼束及臨時便道組成。鋼箱梁及鋼-混組合梁門架梁方案的工程量主要由主結構鋼材和填充混凝土組成。經濟指標見表5～表7，其中造價計算均采用綜合單價。

表5 預應力鋼筋混凝土門架墩方案造價統(tǒng)計Tab.5 Cost statistics of prestressed reinforced concrete portal pier

表6 鋼箱結構門架墩方案造價統(tǒng)計Tab.6 Cost statistics of Steel box structure

表7 鋼-混組合門架墩方案造價統(tǒng)計Tab.7 Cost statistics of Steel-concrete composite structure

工程造價方面，鋼-混組合門架梁方案造價最高，其次為鋼結構門架梁方案（與鋼-混方案基本接近），最低為預應力鋼筋混凝土方案。方案一因現澆施工對現狀交通的影響，需設置的臨時便道占工程造價的40%；而鋼箱結構及鋼-混組合結方案的造價主要由主體結構材料構成，兩者內充膨脹混凝土及鋼材工程量差價僅為3.4萬元，較預應力鋼筋混凝土方案多60萬元。

4.4 小結

從力學指標看，鋼-混組合門架較預應力混凝土門架承載能力更高、構造更輕盈；與鋼箱門架相比，鋼-混結構大大改善了力學性能、有效減小了應力變化幅值、顯著提高了截面剛度，并且避免了鋼結構局部穩(wěn)定的問題。雖然鋼筋混凝土立柱受力性能優(yōu)于鋼管混凝土結構，但這是以增大構造尺寸為代價，影響了結構景觀性，此外受彎鋼筋混凝土立柱在運營階段不可避免地會出現裂縫的問題，增加了未來的養(yǎng)護難度。

A10門架墩位于現狀交通繁忙的道路上，混凝土結構的滿堂支架施工方法勢必會對現狀交通造成很大的影響，因此還需設置臨時交通導流便道。常規(guī)鋼筋混凝土結構現澆和預應力后張的工序，需要更長的工期來實現，進而進一步拉長交通影響的周期。相比之下，鋼箱及鋼-混方案可在預制工廠完成大部分施工，大大減少了施工對現狀交通的影響，也簡化了臨時支撐結構、顯著縮短了施工周期。

預應力混凝土方案造價較鋼箱/鋼-混結構低了約60萬，經濟指標最佳，但考慮到鋼預制構件施工周期短和交通影響小的優(yōu)點，以及由此帶來社會效益，綜合以上分析，在本工程中，鋼-混組合門架梁結構是最優(yōu)方案。

5 結語

1.鋼-混組合門架梁結構具有受力良好、結構輕盈、施工便捷、交通保暢等顯著優(yōu)勢，是城市立交跨越現狀道路及構筑物的優(yōu)選方案。

2.內充混凝土對鋼箱結構門架墩剛度提高顯著，同時力學指標及局部受壓穩(wěn)定性均得到改善，且造價增加較小，因此同等條件下純鋼箱門架梁結構不建議作為實施方案。

3.對于無現狀大流量交通、且對景觀效果要求不高的區(qū)域，預應力混凝土方案在造價上更有優(yōu)勢，可對鋼-混組合結構方案和預應力混凝土方案進行同深度比較。但應特別注意混凝土結構裂縫的控制問題。