王 植

（廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

0 引 言

該工程原路位為廣州與某區(qū)聯(lián)系的一條現(xiàn)狀放射性重要通道，為保證其主線交通連續(xù)，擬建一座雙六至雙八行車立交橋跨越兩個十字路口達到快速化改造效果。其中立交橋部分路段與已運營地鐵線位重疊。原施工圖設(shè)計中計劃橋梁先行于地鐵施工，由于現(xiàn)場征拆等不可抗力因素，導(dǎo)致地鐵修成運營后橋梁才開始建設(shè)。

1 工程概況

該立交橋及引道全長約1 347 m，其中橋梁長1 083 m，引道長264 m，標(biāo)準(zhǔn)段橋梁總寬度為28.4 m，加寬段總寬48.4 m。上部結(jié)構(gòu)均采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁;橋墩采用花瓶墩或柱式墩，橋臺采用直壁式橋臺。與地鐵重疊段引道長約116 m，橋梁段約200 m。（0 號軸～5 號軸見圖1）。

圖1 橋梁平面圖

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：主線為城市主干路，輔道為城市次干路。

（2）設(shè)計荷載：汽車荷載：城-A 級。

（3）設(shè)計車速：主線60 km/h，輔道40 km/h。

（4）車道寬度：一個大車道寬度為3.75 m，一個小車道寬度為3.5 m。

（5）橋面鋪裝：采用雙面層式瀝青混凝土，5 cm厚中粒式改性瀝青混凝土（AC-16C）+ 6 cm 中粒式改性瀝青混凝土（AC-20C）=11 cm 瀝青混凝土。

（6）工程結(jié)構(gòu)設(shè)計安全等級為一級，構(gòu)件重要性系數(shù)為1.1。

（7）地震荷載：地震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g。

3 地梁設(shè)計要點

3.1 地梁概況

該立交橋與地鐵重疊段0～5 號軸共設(shè)置了8 處地梁。0# 橋臺跨越地鐵線位，采用地梁式承臺，為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地梁高2.5 m，單排樁基礎(chǔ)，樁徑1.8 m，樁基距離地鐵結(jié)構(gòu)最小距離為2.44 m；1#、4#由于受地鐵影響，雙樁順橋線方向布置，兩承臺間設(shè)置鋼筋混凝土系梁形成整體，樁基距離地鐵結(jié)構(gòu)最小距離為2 m；立交橋左右幅2，3#，左幅5# 橋墩處跨越地鐵線位，采用預(yù)應(yīng)力混凝土地梁，2，3# 地梁梁高為2.7 m，兩端對稱張拉，樁基距離地鐵結(jié)構(gòu)最小距離為2.48 m。

5 號軸位于35 m+53 m+35 m 大跨橋梁中墩處，承受上部壓力最大，本文中選取5 號軸地梁介紹其設(shè)計與計算方法。

5# 地梁，寬3.2 m，高3.0 m，長16.4 m，支承在兩根直徑2.0 m 的樁基上，樁基中心間距13.2 m。橋墩直接連接在地梁上，橋墩中心距地梁右端7.82 m，橋墩橫向與地梁的軸線夾角為12°。橋墩為板式墩，墩高5.034 m。上部結(jié)構(gòu)為35 m+53 m+35 m 現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，箱梁在5# 墩處通過支座支承在橋墩上，5# 墩為35 m+53 m+35 m 現(xiàn)澆連續(xù)箱梁的主墩見圖2。

圖2 地梁構(gòu)造圖（單位：cm）

5# 地梁配置4 排7 束7φ5 預(yù)應(yīng)力鋼束，其中7N1、7N2 和7N4 為17-7φ5 預(yù) 應(yīng) 力 鋼 束，7N3 為19-7φ5 預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束布置見圖3。

圖3 鋼束構(gòu)造圖（單位：cm）

3.2 主要材料參數(shù)

（1）混凝土：C50。

（2）預(yù)應(yīng)力鋼筋：φS15.24，容重78.5 kN/m3。

（3）普通鋼筋：HRB400。

3.3 荷載取值

3.3.1 永久荷載

（1）結(jié)構(gòu)自重，預(yù)應(yīng)力混凝土容重取26 kN/m3。

（2）其他恒載：上部箱梁橋面二期恒載包括混凝橋面鋪裝、防撞欄等。上部箱梁恒載以集中荷載（F=15 920.0 kN）形式作用在橋墩上，橋墩連接于地梁上。地梁覆土厚按50 cm 考慮，30.4 kN/m。

（3）收縮徐變時間取10 a。混凝土的收縮徐變根據(jù)規(guī)范計算。環(huán)境濕度取0.7。

（4）預(yù)應(yīng)力：塑料波紋管成孔：管道摩阻系數(shù)取0.17，管道偏差系數(shù)取0.001 5，錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值按6 mm 計算；各項損失均按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》JTG 3362—2018[1]計算。

3.3.2 可變荷載

（1）汽車荷載：荷載等級：城-A。

（2）沖擊系數(shù)：按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[2]第4.3.2 條計算取值。

（3）車道折減系數(shù)：3 車道橫向折減系數(shù)為0.78。

（4）汽車制動力按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）第4.3.5 條計算取值，水平力按F=3×0.78×165=386.1 kN。

（5）上部35 +53 m+35 m 現(xiàn)澆連續(xù)箱梁計算得到5# 處最大的活載反力，活載反力等效成橫向移動荷載作用在橫梁上，見圖4，通過橫梁、橋墩作用在地梁上。

圖4 活載參數(shù)

3.3.3 溫度荷載

整體溫差：升溫25℃，降溫25℃；不考慮地梁的溫差效應(yīng)。

3.3.4 支座沉降

按隔墩樁沉降5 mm 考慮，組合時取極值。

3.3.5 荷載組合

根據(jù)規(guī)范相關(guān)規(guī)定，對于成橋運營階段，采用如下荷載組合工況：

組合一（承載能力極限狀態(tài)）：基本組合；

組合二（正常使用極限狀態(tài)）：短期組合；

組合三（正常使用極限狀態(tài)）：長期組合。

以上組合在進行標(biāo)準(zhǔn)組合、承載能力極限狀態(tài)組合、正常使用短期效應(yīng)組合、正常使用長期效應(yīng)組合時分別乘以不同的荷載組合系數(shù)。

3.4 計算模型

計算采用空間三維線彈性分析方法，運用Midas-Civil 建立地梁三維有限元模型見圖5，采用空間梁單元模擬，樁基礎(chǔ)根據(jù)地質(zhì)土層用土彈簧模擬。施工階段按實際進行了詳細(xì)劃分：

圖5 地梁整體模型

（1）施工基礎(chǔ)和地梁；

（2）張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，張拉順序為N1-4；

（3）地梁基坑回填，施工橋墩和上部結(jié)構(gòu)；

（4）收縮徐變10 a。

保守考慮，計算時地梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計。

3.5 主要計算結(jié)果：

3.5.1 施工階段應(yīng)力驗算

按照規(guī)范JTG 3362—2018 第7.2.7 和7.2.8 條，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件，在預(yù)應(yīng)力和構(gòu)件自重等施工荷載作用下截面邊緣混凝土的法向應(yīng)力應(yīng)滿足：

壓應(yīng)力：σtcc≤0.7 fck=0.7×0.8×fck=18.144 MPa

拉應(yīng)力：σtct≤0.7 ftk=0.7×0.8×ftk=1.484 MPa。

如圖6、圖7 所示，地梁施工階段截面邊緣混凝土的法向應(yīng)力最大壓應(yīng)力為17.26 MPa，最大拉應(yīng)力為-0.88 MPa，均滿足規(guī)范要求。

圖6 施工階段法向最大壓應(yīng)力(拉正壓負(fù))（單位：N/mm2）

圖7 施工階段法向最大拉應(yīng)力(拉正壓負(fù))（單位：N/mm2）

同時，預(yù)拉區(qū)應(yīng)配置其配筋率不小于0.2%的縱向鋼筋。

如圖8 所示，地梁上緣配置10 cm 間距D28 的主筋，下緣配置10 cm 間距雙排D28 主筋，滿足計算要求。

圖8 地梁鋼筋圖（單位：cm）

3.5.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算

按照正常使用極限狀態(tài)的要求，采用作用短期效應(yīng)組合，按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進行抗裂驗算。

（1）正截面抗裂驗算

按照規(guī)范JTG 3362—2018 第6.3.1 條，正截面抗裂應(yīng)對構(gòu)件正截面混凝土的拉應(yīng)力進行驗算，對于全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用短期效應(yīng)組合下，應(yīng)滿足：σst-0.8 σpc≤0。

如圖9 所示，主梁在短期組合作用下截面最小壓應(yīng)力為0.39 MPa，正常使用階段正截面抗裂滿足規(guī)范要求。（2）斜截面抗裂驗算

圖9 短期效應(yīng)組合正截面最小應(yīng)力圖(拉負(fù)壓正)（單位：N/mm2）

按照規(guī)范JTG 3362—2018 第6.3.1 條，斜截面抗裂應(yīng)對構(gòu)件斜截面混凝土的主拉應(yīng)力進行驗算，對于全預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)場澆筑構(gòu)件，在作用短期效應(yīng)組合下，應(yīng)滿足：σtp≤0.4 ftk=0.4×2.65k=1.06 MPa。

如圖10 所示，主梁在短期組合作用下截面最大主拉應(yīng)力為-0.48 MPa，滿足規(guī)范規(guī)定要求，主梁在正常使用階段斜截面抗裂滿足規(guī)范要求。

圖10 短期效應(yīng)組合截面最大主拉應(yīng)力圖（單位：N/mm2）

3.5.3 持久狀況預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)力驗算

按持久狀況設(shè)計的預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件，應(yīng)計算其使用階段正截面混凝土法向壓應(yīng)力和斜截面混凝土的主壓應(yīng)力，并不超過相應(yīng)限值。計算時作用取標(biāo)準(zhǔn)值，汽車荷載考慮沖擊系數(shù)。

（1）混凝土正截面壓應(yīng)力驗算

按照規(guī)范JTG 3362—2018 第7.1.5 條，使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件正截面混凝土的最大正應(yīng)力應(yīng)符合：σkc+σpt≤0.5 fck=16.2 MPa。

如圖11 所示，根據(jù)運行計算成果，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，構(gòu)件正截面最大壓應(yīng)力為13.50 MPa，滿足規(guī)范限值16.2 MPa，使用階段主梁正截面混凝土的壓應(yīng)力滿足要求。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)組合正截面最大壓應(yīng)力圖（單位：N/mm2）

（2）混凝土主壓應(yīng)力驗算

按照規(guī)范JTG D62—2004 第7.1.6 條，預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件由作用標(biāo)準(zhǔn)值和預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土主壓應(yīng)力σcp應(yīng)符合:

如圖12 所示，根據(jù)運行計算成果，標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，構(gòu)件截面最大主壓應(yīng)力為13.58 MPa，滿足規(guī)范限值19.44 MPa，使用階段主梁截面混凝土主壓應(yīng)力滿足要求。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)組合正截面最大主壓應(yīng)力圖（單位：N/mm2）

3.5.4 預(yù)應(yīng)力鋼筋拉應(yīng)力驗算

按照規(guī)范JTG 3362—004 第7.1.5 條，使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力應(yīng)滿足：σpe+σp≤0.65 fck，見表1。

表1 持久狀況預(yù)應(yīng)力鋼筋最大拉應(yīng)力

3.5.5 持久狀況抗彎承載力和斜截面抗剪驗算

考慮基本組合下結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)，計算結(jié)果見圖13～圖16。

圖13 承載能力極限狀態(tài)彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）

圖14 承載能力極限狀態(tài)剪力包絡(luò)圖（單位：kN）

圖15 承載能力極限狀態(tài)扭矩包絡(luò)圖- 剪力最大（單位：kN）

圖16 承載能力極限狀態(tài)扭矩包絡(luò)圖- 扭轉(zhuǎn)最大（單位：kN）

地梁正截面抗彎、斜截面抗剪及剪扭承載力應(yīng)滿足規(guī)范要求。

3.5.6 樁基驗算

樁基礎(chǔ)按土彈簧在整體模型中模擬，荷載組合作用下，樁基最大內(nèi)力位于橋墩近側(cè)樁基樁頂，選取樁基最不利內(nèi)力分別對樁基的最不利組合內(nèi)力提取，見表2。

表2 荷載組合下并發(fā)最不利內(nèi)力值

樁基上部主筋采用25+25 根D32 的鋼筋，對其進行承載能力和裂縫寬度驗算，驗算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

3.5.7 地梁樁基施工要求

由于樁基距離地鐵結(jié)構(gòu)最近距離僅2m，根據(jù)地保辦要求無法使用振動錘下鋼護筒。為保障已運營地鐵結(jié)構(gòu)安全，同時考慮到施工工期，采用全回轉(zhuǎn)全套管+ 旋挖聯(lián)合施工工法，全套管在澆筑樁基混凝土過程中拔出。

4 結(jié)語

隨著城市化不斷建設(shè)與發(fā)展，難免出現(xiàn)城市橋梁與地鐵線位相沖突的情況。由于受地鐵結(jié)構(gòu)、線位影響所限，設(shè)計階段在樁位布置時應(yīng)及時與地鐵相關(guān)部門溝通，在確定樁位后根據(jù)實際情況靈活設(shè)置地梁。

對于承載大的大跨度預(yù)應(yīng)力地梁，設(shè)計時應(yīng)重視施工階段預(yù)應(yīng)力張拉期間，在受力體系轉(zhuǎn)變前張拉力對地梁自身的影響，需著重驗算施工階段時法向應(yīng)力是否能滿足規(guī)范要求，根據(jù)計算結(jié)果合理布設(shè)鋼筋，以防在施工張拉過程中出現(xiàn)梁體開裂的情況。

該立交橋已于2021 年正式通車運營至今，根據(jù)地鐵沉降實時監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示，在立交橋地梁和樁基礎(chǔ)施工期間及建成后通車近一年時間內(nèi)，地鐵沉降速度曲率在可控范圍內(nèi)，未對地鐵運營造成影響。