上海高架道路的桥梁结构设计

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1、33 第4期(总第91期)中国市政工程2000年12月25日 上海高架道路的桥梁结构设计 上海城建设计研究院周 良 摘 要:本文介绍上海高架道路桥梁结构设计的原则,主要技术标准及结构形式。 关键词:上海市高架道路桥梁结构设计 Bridge Structural Design in Shanghai s Viaducts Zhou Liang Abstract : Introduced in this paper is the principles for bridge structural design in Shanghai s viaducts , including the techni

2、cal standards and type of structure. Key Words : the city of Shanghai ; viaduct; bridge ; structural design22 图1上海市高架道路总体框架 1前 言 随着1999年9月延安高架路中段工程的 竣工通车,上海中心城区的高架汽车专用道路 体系,即一个 “环” 加 “十” 字骨架的 “申” 字形高 架体系就已形成(见图 1) 。它将对上海经济建 设发挥巨大作用。 内环线全长47. 66km,浦西段为全高架,长 29. 2km,宽18m,双向四车道。 南北高架全长8. 45km,宽25. 5m,双

3、向六车 道。 延安路高架全长15km,宽25. 5m,双向六车 道。呈东西走向。 除此以外,已建成通车的还有通向宝钢的 逸仙路高架,全长9. 2km,双向四车道(部份六 车道)。通向南部卫星城莘庄的沪闵路高架一 期工程,全长2. 52km,宽25. 5m,双向六车道。 上海已建成的高架总长已达70km左右。 桥 梁结构的工程造价往往在道路整体工程中占相 当大的比例,其外观造形又对周围环境产生 较大影响,采用的施工方法对施工期间的交 通组织也会有很大影响,因而合理选用桥梁 结构形式在道路交通工程建设中显得尤为重 要。 上海已建成的道路桥梁及高架桥的下部结 构考虑到上海软土地基的沉降效 应,一般均

4、采用桩基加承台形 式。采用的桩基形式主要有钻孔 灌注桩,预制方桩, PHC管桩及钢 管桩。上部结构根据材料可分为 混凝土桥(预应力或普通钢筋 ) , 钢桥、 钢 砼叠合梁桥;根据受力 特性可分为简支梁、 连续梁、 拱桥 等;根据建造方式可分为预制拼 装结构和现场浇筑结构;按结构 外形可分为空心板梁, T梁、 工字 梁、 箱梁、 脊骨梁等。 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 34 2结构选用原则及主要技术标准 2. 1原则 高架道路工程的实施受到规划、投资、工 期、 地面交通、 施工场地

5、等条件的限制,在工程 设计阶段,综合考虑了以上诸多因素,制订了以 下结构选用原则: (1)积极贯彻实用、 经济、 美观的建设方 针。 (2)高架道路的总体设计要符合城市规划 的要求,要达到城市快速路的标准。 (3)广泛吸取国内外经验、 先进技术、 优先 选用便于机械化、 工厂化施工并便于维修、 养护 的结构形式。 (4)选用的结构必须在制作、 运输、 安装、 使 用过程中,具有规定的强度、 刚度、 稳定性和耐 久性。 (5)高架道路的抗震能力要达到7度地震 烈度的标准,并要符合现行的 公路工程抗震设 计规范 的有关规定。 (6)桥梁建筑的重点应放在总体布置和主 体结构上,总体布置和结构选型应注

6、意与街区 的景观、 空间的比例相协调,以期塑造高架道路 这一空间结构的美感,创造清晰、 明朗、 轻巧、 通 透的建筑形式。 2. 2主要工程技术标准 (1)设计车速主线:6080km/ h匝道: 40km/ h地面道路:3050km/ h (2)设计荷载汽车 20级挂车 100 (3)抗震设计按地震基本烈度7级设防, 重要性系数1. 30。 3通用下部结构 3. 1桩基设计 上海地区土层属软土地基,工程沿线分布 状况大体上是有规律的,个别地段由于古河道 的存在,地层较为复杂。为减少桥梁结构的不 均匀沉降所带来的不利影响,一般采用桩基形 式。 上海市区道路建成较早,地下管线较为密 集,雨水、 污

7、水、 自来水管、 电话、 电力电缆、 煤气 管等沿线有分布,而资料又相当缺乏,物理勘探 的资料也只能起参考作用。特别是合流污水总 管与工程基础桩位在某些工程段,最小的净距 只有1m。 为了保障沉桩过程中各类地下公用管 线的安全,部分采用了对管线影响较少的钻孔 灌注桩,对某些地下管线较少,管位明确地段, 为加快施工进度采用了一部分预制打入方桩和 PHC管桩。 PHC桩(高强度预应力砼管桩)砼强度为 C80 ,直径一般为550 600。 近年来已形成规 模生产,从综合经济比较和多个工程的实际使 用情况看,当桩尖持力层深度大于30m时,采用 PHC桩是较经济合理的。其单桩承载力可达到 3000kN,

8、产品质量比预制方桩更为可靠。 预制钢筋混凝 土 打 入 桩 断 面 尺 寸 为 450mm450mm,长度为3045m不等,分3节 预制,桩的接头采用焊接钢板接头,以保证接桩 质量和满足7度抗震设防要求。桩身混凝土设 计标号为30号,单桩设计允许承载力平均为 1100kN。 钻孔灌注桩的桩径,根据实地的不同情况, 采用了800和1000两种形式, 单桩设计允 许承载力约27003300kN。 3. 2标准桥墩设计 标准桥墩的设计既要满足美观、经济合理 的要求,又要满足高架桥两侧4条地面机动车 道的净空要求。标准墩立面见图2。 标准墩下承台厚度为2. 5m,宽度根据不同 桩基有所变化。对跨越合流

9、污水总管的部分, 承台宽度达到14m。 配筋按简支结构计算。 双立 柱断面尺寸为0. 9m1. 2m,横桥向外尺寸为 5. 0m。盖梁采用倒T形预应力混凝土结构,盖 梁悬臂长度达到6. 5m,并使一部分盖梁高度藏 于梁腹内,使整个桥墩外观更轻巧、 简洁。盖梁 内张拉6束OVM15 - 9高强预应力钢束。 3. 3门式桥墩设计 高架桥加减速变宽段处,由于桥面加宽,盖 梁悬臂长度也必须增长,如不增大盖梁高度,则 不能满足结构强度要求;如增加盖梁高度,则影 响桥下净空或纵坡增大,且很不美观。因而,凡 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.

10、 All rights reserved. 35 是在变宽段处,分别在地面机动车、 非机动车分 隔带处设立1立柱,形成3立柱或4立柱门式框 架墩。各构件断面尺寸尽量与标准墩一致,以达 到外观统一,见图3。 由于盖梁刚度较大,根据计 算得知中墩处盖梁负弯矩较大,对中、 边墩之间 的不均匀沉降也较敏感,裂缝验算不能满足要 求。 为此在4立柱门式墩盖梁中心线处设置一混 凝土剪力铰,以降低抗弯刚度,减少不利影响。 桥 墩设计应充分考虑纵横向地震力效应,尤其在立 柱顶底范围内的箍筋应特别加强。 图3门式墩立面图(单位 :mm) 图2标准墩立面图(单位 :mm) 4通用上部结构 通用上部结构形式,按工程部

11、位、 跨度、 主 梁形式可分为两大类别:第一类为相邻交叉口 之间路段(以下简称路段)高架的上部结构。第 二类为交叉口部位高架的上部结构。 4. 1路段高架上部结构 内环线浦西段全长29. 2km。 扣除4座立交 工程, 2个现浇标段及近30个较大型的交叉 口,有近20km属于路段工程。计入匝道后,该 部分工程的桥面积达41万m 2 ,占全浦西段工 程的63 %左右。 可见对路段工程结构型式选用 得合理与否,将会对工程造价、 工期产生较大的 影响。因此,上部结构形式及其跨度的选用需 进行详细的技术经济比较。 (1)主梁形式的选择 在选择主梁形式时对多种结构形式进行了 详细的技术经济比较。从比较的

12、结果来看,先 张法预应力空心板梁占有较大的优势。首先, 空心板梁是工厂化生产,施工速度快,其次, 占用施工现场的场地少,对现场地面交通干扰 少;空心板梁造价低,主梁用钢量少;以及空 心板梁的建筑高度低,只有0. 9m。从对各预制 厂普查的情况来看,各厂的制作能力完全能够 满足该工程对空心板梁在数量和时间的上需 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 36 求。因此,选定空心板梁为该工程的主要桥跨 结构。 (2)经济跨径分析 经济跨径的分析以20km路段工程为对象, 但分析的工作量大,耗费时间

13、多。为了简化分 析工作,采用了模拟路段进行分析。 该工程全线均需采用桩基础,沿线地质条 件变化较大。地质条件的变化,对桩基费用也 有较大的影响。地质条件良好的路段,桩长在 2230m左右;地质条件差的路段,桩长在30 50m左右。 可见地质状况的差异,是影响基础工 程费用的重要因素。所谓模拟路段,就是按地 质条件的变化进行模拟的。 工程模拟的地质条件,从沪太路到周家嘴 路,全长10. 3km,去掉交叉口的长度,尚有 8. 9km,作为模拟对象。把8. 9km,作为模拟对 象。把8. 9km路段的地质状分为甲、乙、丙三 类,甲类为土层分布齐全,埋藏深度正常的路 段,计长度4km,占该路段的45

14、%;乙类为缺少 个别硬土层的路段,累计长度为1. 16km,占 13 %;丙类为受古河切割的路段,累计长度为 3. 74km,占42 %。 模拟路段长度取用1km,按以上8. 9km甲、 乙、丙三类地质状况的比例,折算1km模拟路 段 三 类 地 质 条 件 的 长 度 分 别 为0. 45km、 0. 13km、0. 42km。分析时,取16m、18m、20m、 23m、25m六种跨径分别计算,主梁均为先张法 预应力空心板梁、双柱式桥墩、钻孔灌注桩基 础。 将以上6种跨径分别布置在模拟路段内(零 数孔不舍掉 ) , 计算出模拟路段采用各种跨度的 造价(只计算第1项费用 ) , 建立各种跨径与

15、费 用的关系曲线,见图4。 图4跨径与费用关系曲线图 从以上跨径与造价的关系曲线可看出,当 跨径为22m时,工程造价最低。 因此,把22m作 为路段的经济跨径。 根据测试分析,模拟路段长度取用工程长 度的1/10完全可以满足经济跨径分析的精 度。工程总长度越长精度越高,一般误差都在 1 %5 %之间。 (3)空心板梁的构造 这是上海高架路采用较多的一种形式。见 图5 ,跨径22m,梁高0. 90m,单根梁宽度 1. 0m,断面为双孔, 3腹板,顶底板厚度分别 为0. 13cm及0. 12m,腹 板 为20. 10m及 0. 07m,总厚度0. 27m,按预应力砼A类构件 设计。工厂预制时内模采

16、用充气橡胶芯囊,外 模采用钢模。砼采用40号,预应力材料采用 Rby = 1860MPa高强低松弛钢绞线。工厂预制 一般采用长线张拉45片梁在同一张拉槽内 同时制作。 这一结构形式不仅能较好的适应上海软土 地基沉降对结构产生的影响,减少下部结构的 工程量,且工艺简单成熟,适用于多个厂家同时 预制制作,并能与下部结构施工平行作业,有利 于保证工程的施工速度。在桥梁渐变段部分, 由于桥宽的变化,对板梁的设计及施工制作带 来一定难度。渐变段的板梁结构,同样可以采 用工厂预制的先张法预应力砼空心板梁,钢束 布置采用发散形状,内模采用变截面充气橡胶 芯囊。 4. 2交叉路口高架上部结构 每个地面交叉口,都是多向交通的交织 点。如果在交叉口范围内可以设置桥墩,将会 与该段工程一并考虑采用标准化设计。但交叉 口范围内能否设置桥墩,是通过对地面交通分 析,按实际需要决定的。对一些不宜设置桥墩 的交叉口,高架上部结构的跨度往往要大一些, 结构形式也有所不同。 该部位上部结构形式,均具有跨度大,便于 施工、造价较低的后张法预应力混凝土简支