頂進立交橋設計的基本理論、方法和內容

1、頂進立交橋設計的 基本理論、方法和內容、頂進立交橋的結構形式基本形式鋼筋混凝土封閉結構。特點：自重較輕而底面積大，對地基承載能力的要求較低；比較輕巧而美觀的外型，可以獲得較小的梁高，縮+短引道的長度；超靜定結構，內力可以互相調節(jié)，對意外外力具有較強的抵抗能力，可以適應一般地質變化的要求；由于墻板間的剛性聯(lián)結，可以承受頂進時巨大剪力。、頂進立交橋的總體設計下穿鐵路的立交橋要滿足兩個條件：在結構方面必須具有足夠承受鐵路荷載的能力；橋下凈空必須滿足交通功能的要求。所以在設計中必須同時遵守鐵路和公路或城市道路的有關規(guī)范和規(guī)定。設計所依據的規(guī)范：鐵路橋涵設計基本規(guī)范鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設

2、計規(guī)范公路橋涵設計規(guī)范城市道路設計規(guī)范城市橋梁設計準則總體設計的任務：確定橋位、交叉角、規(guī)模。橋位立交橋軸線與鐵路中線交點的位置。理想的交叉點是在區(qū)間直線段；若需要在車站通過，宜避開咽喉區(qū)。交叉角立交橋軸線與鐵路中線的夾角，標注銳角。所有規(guī)范都規(guī)定兩條道路的交叉角不應下于45，但在實際執(zhí)行中都做不到。在城市道路中，拆遷是一個最主要的因素。以前曾經力圖把交叉角控制在60以上。但是強調大交角往往造成大量的拆遷和道路平面的惡化，一般在城市道路的立交橋中都只能服從城市規(guī)劃的要求2 / 14。立交橋的規(guī)模凈寬、孔數(shù)、凈高立交橋的凈寬是指每孔中兩墻間的垂直距離，這個距離必須滿足行車道或人行道寬度及各種“帶

3、”寬的要求，行車道的寬度是與設計行車速度、車道數(shù)和車輛類型有關的：例如：每個機動車道的寬度：大型汽車和小型汽車混行 V40KMH 3.75m 40KMH 3.50m小型汽車專用線 3.50m公共汽車?？空?3.0m凈高：有軌電車 5.5m 無軌電車 5.0m 汽車 4.5m孔數(shù)要與道路設計橫斷面相匹配；凈高是指由路面至頂板底的高度。每孔的凈寬和凈高都必須滿足公路和城市道路限界的要求。關于規(guī)模問題，有一段時間過分強調鐵路規(guī)范的要求，曾經造成鐵路和地方地方部門的不協(xié)調。在近三十年來，鐵路規(guī)范規(guī)定的標準凈寬系列沒有做過任何改變，標準系列中的凈寬目前已經明顯地不能適應道路設計的要求。例如：北京一些城市

4、快速路和干道都設計為“四塊板”斷面，設計速度都在40KMH以上，機動車道為上下各3車道，而且中間和兩側隔離帶也比較寬。行車道本身要求的寬度就達到11.25m，加上路緣帶、安全帶的要求就13m以上，再由于較寬的隔離帶，要求的凈寬就更大了。而標準系列中，四跨斷面只有（912129）m一種，明顯地不能滿足現(xiàn)行規(guī)劃的要求。所以在近年設計的方案中，特別是在北京和天津，基本上已經沖破了規(guī)范的限制。如北京中軸路立交橋為（17.5202017.5）m，總寬度81.2m；玉泉路立交橋為（12171712）m，總寬度63m；廊坊K83立交橋為（814.514.58）m，總寬度近49m。其他雙孔和單孔凈寬也有類似的

5、情況。 目前已有的設計：單孔最大的凈寬為18m（廣渠路立交橋）；多孔連續(xù)結構最大凈寬為20m朝陽北路220m，中軸路立交橋（17.5202017.5）m。對于普通鋼筋混凝土結構，這基本上已經是極限跨度。結構斷面形式多孔連續(xù)結構或分體組合。從設計角度：對寬度較大的結構，考慮到底板的剛度和頂進過程中地質情況意外變化的影響，宜采取分體設計；從施工角度：分箱并列頂進，難以做到并列各箱高程誤差的一致。頂進立交橋的“主體”包括框架主體和出入口擋墻；框架主體由前刃角、封閉框架、后懸臂和尾墻四個部分組成。 圖1前刃角是頂進框架橋的特有結構，起到頂進時切土、防止側向塌方的作用；側刃角的斜面還可以起到調整方向和高

6、程偏差的作用。立交橋軸線長度的確定：軸線長度系指刃角頂板前端至后部懸臂末端的長度，包含三個組成部分：前部刃角頂板長度，刃角頂板長度按設計內凈高及側刃角斜面與水平面的夾角不大于60的原則確定，對于斜交橋此“60”應按垂直線路方向計量；中部封閉框構長度，由線路（包括既有線和預留線）總間距和荷載分布寬度兩個因素確定。同時，此長度與施工安全有非常密切的關系。與施工密切相關的一個重要尺寸是前端最外側的股道中心至側刃角根部的距離，這個尺寸關系到補刃角施工時的線路安全。在1994年以前，一般設計中這個尺寸都定為2.7m，補刃角施工相當困難；1993年底，鐵路局頒發(fā)了“頂進式框架立交橋設計、施工的若干規(guī)定”。

7、在此規(guī)定中，此尺寸根據結構的不同高度取值為34.5m，施工條件有所改善。按設計部門的觀點，這個尺寸的確定應該考慮頂板荷載分布寬度的需要。 圖2（圖2中的“L”相當于圖1中的“B”或“B1”）圖中b是活載分布寬度，而a段用于承受懸臂的垂直荷載，在a段內荷載分布的強度不應大于b段，否則需要對a段特別配筋。a段的大小就與懸臂的大小有關，最后： L=b+a一般按上述原則確定的刃角根部至鄰近線路中心的間距就比較能滿足補刃角施工的要求。尾部懸臂板長度，按路肩需要的寬度確定，一般為1.52m；尾墻，在框架尾部把兩側墻延伸一段，此延伸部分稱為尾墻。它可以使翼墻基礎拉離線路，增加翼墻挖基時線路的安全度；在軸線長

8、度短的立交橋，頂進時容易出現(xiàn)扎頭，此時尾墻可使整個結構的重心后移，起到平衡重的作用。尾墻不是每橋必有的。作為立交橋的主體結構的另一部分是出入口擋墻。出入口擋墻是維護路基穩(wěn)定的必要結構。一般有一字式、八字式和引道擋墻與結構邊墻直接相接三種方式。其中八字式是普遍采用的方式，其布置的基本要求是與引道擋墻或邊坡連接處不應出現(xiàn)銳角，應該以直角或鈍角連接。從此方面看，一字式（也就是路肩式）擋墻只有在有預留線的一端、在正交時才可采用。頂進方向的確定：確定頂進方向的一般原則：在鐵路曲線地段，宜從曲線外側向內側頂進；在站場按最后頂進正線的原則確定頂進方向。但是，頂進方向最后應根據上述原則以及現(xiàn)場場地、交通等條件

9、綜合考慮確定。鐵路橋梁設計時所采用的基準標高是“軌底標高”，無論是荷載計算或各部標高的確定都以軌底為計算的起點。在立交橋穿越多股線路時，常需考慮最低和最高股道，綜合平衡來確定橋面的設計標高。鐵道部工務局曾經有文件要求提速線路的立交橋其軌底至板頂?shù)母叨炔坏眯∮?.8m。在二十世紀九十年代以前，頂進立交橋設計的這個高度一般只取0.65m。在這個高度中還包括了板頂防水層和保護層的厚度，在此高度下，工字鋼橫梁只能采用36以下的工字鋼，以前一些工務段還常采用28的工字鋼作為線路加固的橫梁。由于通過速度的不斷提高和行車密度加大，為了保證安全，現(xiàn)在采用作為橫梁的工字鋼都在40以上，而且布置的間距加密到1m。

10、這種布置只有在0.8m的高度下才能做到。在二十世紀九十年代以后，在設計中重點增加了以下措施：1、 松散土體固化處理；2、 路基防護樁；3、 前靠背樁這些措施無論是從經濟和安全角度，對施工單位都是有利的。通過若干座立交橋的施工實踐，采用前兩項結合，除了保證開挖面的穩(wěn)定以外，應用在小交角立交橋的頂進中，還起到有效地減小水平轉矩的作用。、頂進立交橋的結構設計基本形式：普通鋼筋混凝土封閉框構。1、結構內力分析結構在正常工作狀態(tài)時所受的外力：主力：恒載：結構自重，靜土側壓力， 混凝土徐變和收縮的影響 活載：列車活載和沖擊力，活載側向土壓力，公路活載，人行道活載 附加力：列車制動力 溫度變化的影響在以上荷

11、載中，公路和人行道活載可考慮其對結構有利或不利決定取舍。一般計算中只計算主力，如果考慮“主附”的組合，容許應力應在原有基礎上提高，一些項目最大可提高30。在一般設計中，都沒有考慮以下幾種情況：1）施工過程中由于糾偏產生的外力，如單側被動土壓力；2）斜橋考慮了由于水平荷載作用對結構產生的扭矩，但是沒有考慮頂進時水平轉矩變化的作用；3）頂進過程中由于地質變化造成對結構底面的集中反力或地基脫空的情況； 4）結點產生垂直相對位移時的影響；我們需要按設計時考慮的結構受力狀態(tài)作為采取施工措施的依據：在方向糾偏時必須逐步采取措施，不可一蹴而就，因為這樣會使前端側面產生巨大的被動土壓力而可能使結構破壞（因為設

12、計中只考慮了雙向對稱靜土壓力和單側活載土壓力的作用）；采用縱向地梁控制扎頭時，地梁必須布置在靠近結點部位；在硬質土層頂進時，底板的清土面要平整，在每孔的跨中部位，寧低勿高，避免造成跨中的集中反力；避免在結點附近造成長距離的超挖。在我們的施工實踐中，由于在頂進過程中出現(xiàn)的抬頭、底板超挖等情況，框架就位后常常出現(xiàn)底板脫空，也沒有看到結構出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。這可能是兩個原因：一是脫空的范圍比較小，而結構本身剛度較大沒有造成結點明顯的相對位移；二是結構設計時就有較大的安全系數(shù)。但是為了結構的壽命，不應該讓結構長時間在這種條件下工作，所以一般要求就位后對基底采用噴沙或注漿填充。計算方法的發(fā)展：手算階段：地基反

13、力直線分布，沿軸線取1m單元按平面框架計算彈性地基上的框架，沿軸線取1m單元按平面框架計算將結構簡化為平面問題，沿軸線方向取1m單元，當按地基反力直線分布的假定計算時，利用等截面桿件的角變位移方程推導的公式，這是最早采用的手算方法。即使有電子計算器，人力最多也只能計算單孔和雙孔框架，而且只能用改變荷載位置的辦法繪制包絡圖，若要采用影響線加載計算，人力手工計算是沒有辦法滿足要求的。即使在反力直線分布的假設條件也沒有三孔及以上結構的現(xiàn)成計算公式。若考慮彈性地基，即使按平面假定計算都將復雜得多。對于小跨度的單孔框構，按地基反力直線分布的等截面結構計算，采用手工方法計算還是可行的，但效率就無法與電子計

14、算機相比了。在以上階段采用的計算中，主要參考三本書日本：渡邊的“箱型框架計算實例”中國：潘家錚的“彈性地基上的梁和框架”蘇聯(lián)：葛爾布諾夫的“彈性地基上結構物的計算”都是沒有考慮桿件變截面因素、采用編好的常數(shù)表利用手算進行的。當考慮變截面因素時，多采用蔡方蔭的“變截面剛構分析”一書中的“形常數(shù)”和“載常數(shù)”表。由于計算結構力學的發(fā)展和電子計算機采用，現(xiàn)在的方法基本上是采用有限單元法，把框架作為半無限彈性地基上的空間結構進行離散分析。這是目前比較精確的計算方法。（例如北京南中軸路立交橋，結構寬度81.2m，封閉框架段長度26.6m，劃分為15122個單元，共有23103個節(jié)點）。由于計算方法的發(fā)展

15、，鐵路橋涵設計規(guī)范中對結構計算的方法的提法進行了修改。但是精確的計算方法也有它近似的一面，那就是沒有真正的均質的彈性地基，計算所依據的地基變形模量Eo就只能是近似值。依據近似的數(shù)據就不可能得到精確的結果。頂進施工的立交橋采用封閉框架的形式，是因為封閉框架結構自身有較好的彎矩傳遞性，遇不利條件可發(fā)揮結構的整體抵抗能力。但是，要求封閉框架結構本身必須具有足夠的剛度。曾經有過結構在頂進施工中破損的先例，其中有施工原因也有設計原因。豐臺站和大同站旅客地道在頂進中折斷。折斷的事故多發(fā)生于小跨度的細長結構。有些雖然寬度比較大但是高度小，旅客地道多屬于這種類型。以前在旅客地道的標準設計中是對框架縱向作為彈性

16、地基梁進行整體檢算的，在立交橋中基本沒有做這方面的檢算，其縱向鋼筋是按構造或考慮溫度變化控制混凝土開裂布置的。有些設計套用“上橋1001”和“上橋1002”通用圖而沒有增加縱向鋼筋。該圖是按軸線長度4m現(xiàn)澆設計的，其中所設的縱筋只能起架立作用。對于細長結構在頂進時必須慎重考慮地基處理措施，如果采用橫向墊梁，當結構懸出墊梁外一定長度而前段進入線路時，縱向彎矩超過了它的縱向抵抗能力就容易折斷。1990年施工的北京市西四環(huán)豐臺立交橋在頂進中出現(xiàn)嚴重破損。該橋是（14.917.517.514.9）m四孔連續(xù)結構，結構總寬度68.2m，頂板厚0.8m，底板厚0.7m。由于地基的意外變化，底板產生過大的相

17、對位移，中節(jié)點下沉，邊孔底板中部上拱，造成結構嚴重開裂，裂縫最大達到6mm。經多方面分析認為是由于結構底板柔性過大而剛度不足所致。該橋設計底板比頂板薄，符合彈性地基上框架結構的內力特征，但是沒有注意頂進施工的特點。1993年北京鐵路局頒布的“頂進式框架立交橋設計、施工的若干規(guī)定”就是總結豐臺等立交橋事故教訓的產物。鐵三院有一份試驗研究報告，提出了一個普通鋼筋混凝土結構擬定框架板厚的參考尺寸：板在跨中的厚度不宜小于跨度的120；加腋根部的高度不宜小于跨度的110。以前在大量的三孔以下結構中，墻厚0.5m即可滿足設計要求，但考慮到施工的需要，將墻的最小厚度定為0.6m。【按彈性地基計算的一個重要參

18、數(shù)，柔度指數(shù)t： t= 其中：I=bh3 又：b=1，10 t=10式中：E0地基的變形模量 E鋼筋混凝土的彈性模量 h底板厚度 底板半長 和0分別為鋼筋混凝土和彈性地基的泊桑系數(shù)由于 1所以一般計算取為t剛度系數(shù)K=1t。 由以上公式可見，要提高底板剛度的最有效的辦法就是減小底板的，也就是結構的寬度。在立交橋總寬度確定的前提下，只有分體設計?！?、配筋設計鐵路鋼筋混凝土橋梁結構計算的最大特點是：至目前為止仍然采用容許應力法。鐵路隧道結構采用破損階段法，而在工業(yè)與民用建筑中的鋼筋混凝土結構已經普遍采用極限狀態(tài)計算。所以在一般鋼筋混凝土書中已經沒有關于容許應力法的內容，這方面的內容在鐵道專業(yè)的教材“結構設計原理”才能找到。現(xiàn)行“鐵路橋涵混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范”就是在容許應力法的基礎上編制的。嚴格說，在我們討論的框架中，沒有純彎構件。無論頂板、底板、隔墻或邊墻都有軸向力和彎矩，應該都是偏心受壓桿件。在手算階段，為了避免偏心受壓桿件配筋計算的麻煩，盡量減少計算工作量，把底板和頂板當作純彎桿件設計鋼筋。由于底板和頂板所受的軸向力與立柱相比小得多，這樣簡化不會有太大的出入。但是立柱所受的軸向力很大，必須根據實際條件按偏心受壓條件配筋。按偏心受壓構件配筋計算的麻煩在于求受壓區(qū)高度時必須解一個一元三次方程。在設計和施工中最