王林凯,邱体军

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230000;2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心,安徽 合肥 230000)

随着国家社会经济的快速发展,日益增多的高速及市政公路等公共基础的建设进一步完善地区之间的联系和交流,持续改善人民生活品质。随着高速及市政主干线的逐年建成,路线交叉越来越多,互通立交设置也随之增加。一方面,市政公路中的互通立交能够在有限的空间内,保证市区车辆快速、安全地通过交叉口;另一方面,高速公路中的互通立交能够使得当地的车辆快速地出入高速,有效地带动一方经济,促进地方发展。

立交中的桥梁主要注意包括曲线梁桥的设计方法、桥墩稳定性、预应力的钢束布置及异形桥梁混凝土箱梁桥的设计[1]。立交现浇桥梁施工过程中,主要注意施工方案[2],桥面铺装施工[3,4]和竖曲线对桥面高程的影响[5,6]。但是较少工程师关注立交现浇桥梁中的桥面高程设计与施工控制问题。

高速及市政公路中主线桥与匝道桥分合流点位置的桥梁一般称之为“裤衩”桥。互通立交中的“裤衩”桥梁设计一般比较繁琐,随着设计行业竞争的日益恶劣[7,8],桥梁设计师的设计任务逐年加重,加之设计及施工行业环境以及管理等问题,导致实际设计施工过程中,“裤衩”桥梁的设计后续服务和变更问题尤为严重,以控制高程不正确,“裤衩”桥与匝道桥衔接不上导致分跨线位置错台错位等质量问题居多。综上所述,“裤衩”桥梁的相关高程设计和施工控制应引起足够的重视。

在介绍常见的“裤衩”桥梁高程设计错误后,研究分析互通立交中大鼻端“裤衩”箱梁的桥面高程设计,最后介绍一种施工过程中“裤衩”箱梁高程问题补救方案,以期对后续“裤衩”桥梁的设计及施工变更方案起到一定的借鉴作用。

1 桥梁纵断面高程及横坡计算

高速公路及市政高架竖曲线一般以二次抛物线为主。如图1所示,x轴表示里程桩号,y轴表示竖曲线高程。坡度为i1的直线与坡度为i2的直线采用半径为R的竖曲线过渡,如图1所示。QD点为竖曲线起点;ZD点为竖曲线终点;JD为两条直线的交点;T为竖曲线切线长度,表示起点QD与交点JD的里程差值;E为竖曲线外距,表示交点JD到竖曲线的距离;L表示竖曲线里程长度。

图1 道路竖曲线要素

图2 桥面屋脊线示意

图3 “裤衩”外高程控制点示意(单位:cm)

根据路线知识,竖曲线里程长度L根据坡度变化和曲线半径R确定

L=R|i2-i1|=2T

(1)

曲线上点距离第一段直线点的高程差值△y1与距离起点的里程距离△x1值的关系为

(2)

同理,交点JD与ZD的曲线上的点与第二段直线点的高程差值△y2可以用计算点与曲线终点的里程距离△x1值的关系为

(3)

这样就可以先根据线性计算,获取交点线上的直线高程,再通过公式(2)、公式(3)获取某一桩号位置处竖曲线和直线间高差,两者叠加得到竖曲线上的设计高程。

路线设计文件采用桩号+高程+半径的交点设计信息文件,可以按表1所示。

表1 纵断面设计文件

根据上述数据可以获取曲线坡度和曲线切距。

ij-1-j=(Hj-Hj-1)/(Zj-Zj-1)

(4)

Tj-1-j=abs(ij-1-j-ij-j+1)Rj/2

(5)

式中:ij-1+j为控制点j-1和控制点j之间的交点直线斜率;Tj-1-j为控制点j-1和控制点j之间的切距,m。根据实际设计情况,j一般从2开始。

截面横坡一般采用线性过渡,通过进行线性插值即可获取某一桩号位置处的截面横坡设计值。

2 道路分合流位置的屋脊线

道路分合流位置两条设计线对桥面高程均有影响,会在两条设计位置处形成一条高度峰值线,桥梁上称之为屋脊线,路面上也称之为路拱线。

两条高程设计线中间的屋脊线上的任一点O具有以下特点。

过O点作两条设计线的垂线,记作交点A、B。通过A点在设计线1处的桩号获取A点的设计高程Za和设计横坡ia,通过B点在设计线2处的桩号获取B点的设计高程Zb和横坡ib,O点与A点之间的距离记作LA,O点与B点之间的距离记作LB,则屋脊线上任意O点满足以下等式

Za+LA×ia=Zb+LB×ib

(6)

屋脊线上侧桥面可以按设计线1控制设计高程,屋脊线下侧桥面可以按设计线2“裤衩”设计高程。

3 “裤衩”桥常见设计施工问题

广东云茂高速木九山枢纽互通AK1匝道桥上部结构为小箱梁,下部结构为桩柱式带盖梁基础,AK1匝道在鼻端处分叉为A匝道和C匝道桥。A匝道桥4#墩与CK0匝道桥0#墩共用下部结构。

设计时,设计师以AK1匝道桥桥面高程点a为基础,通过a点到b点的距离和a点处的设计横坡推算b点标高,而C匝道0号墩上的桥面设计高程以C匝道设计标高计算,这样导致0#左侧“裤衩”箱梁和C匝道桥桥面高程在b点相差18 cm。施工单位架梁完成后,发现“裤衩”分跨线位置处,两侧桥面高程存在较大的高差错位,呈现出明显的错台现象。

显然,这是设计方设计错误导致的工程问题。正确的设计方法是b点应采用C匝道设计线进行高程计算,盖梁做成折线型或者通过加高支座垫石的方法消除“裤衩”主线和C匝道接头部分的高程差值。

实际工程中,这种高程问题时有发生。桥梁设计人员经验不足或者工作管理等问题导致设计图纸有误,施工单位在复测放样时,未考虑多条设计线的影响,不能及时发现高程错误,从而导致架梁或者浇完梁后出现错台错位等工程质量问题。

4 大鼻端“裤衩”桥梁设计

G4012黄山至千岛湖段高速互通桥梁方案中,主线桥分流出C匝道桥,桥梁布孔线与“裤衩”接头位置相差较远,达到7.2 m,属于大鼻端“裤衩”桥梁。

“裤衩”桥上部结构为3×30 m现浇箱梁,分跨线位置主线桩号为K69+723.5,C匝道桩号为CK0+159。主线桥幅宽度为16.75 m,设计高程位置距离设计线1 m;C匝道桥幅宽度为9 m,设计线距离外边缘线7.25m,设计高程为设计线位置。

主线及C匝道桥所处段的纵断面交点和超高设置分别如表2和表3所示。

表2 主线纵断面设计数据

表3 C道纵断面设计数据

主线不设置超高,路线横坡均为2%,C匝道超高按表4进行设计。

表4 C匝道横坡设计数据

“裤衩”横梁宽度2 m。“裤衩”桥鼻端外,因为“裤衩”箱梁的横梁折线线型固定,分跨线折线交点位置不满足屋脊线上点的特征,通过设置单一的屋脊线无法进行“裤衩”桥鼻端外的桥面高程。

因此,先以C匝道桥内边缘线为一确定虚拟屋脊线,根据设计纵断面数据,9 m宽匝道内轮廓线边缘处点A的高程为HA=HO+i0dOA=43.158 m,以主线高程控制点为起点,沿设计线按主线横坡2%进行放样,放样距离L为(43.524-43.158)/0.02=18.3 m,沿分跨线放样至点C,此时C点桥面高程值已经达到屋脊线峰值高程43.158 m,其余分跨线上位置均按43.158 m高程设计。

同理,鼻端外其他位置的桥面高程放样可按下列流程进行。

(1)以鼻端外屋脊线延伸线为基准线,每隔0.5 m作C匝道设计线垂线获取交点W1;以W1为基准点,放样出9 m匝道桥幅范围的桥面高程点,记作9 m桥幅内边缘线高程为Z1。

(2)以鼻端外屋脊线延伸线为基准线,每隔0.5 m同时作主线设计线垂线获取交点W2;以W2为基准点,沿垂线放样至桥面高程等于Z1值。

(3)两条垂线中间存在等高带,采用平坡过渡。

这样,鼻端外就衍生出两条新的屋脊线,两条屋脊线之间采用平坡过渡。通过这样设置,保证了大鼻端“裤衩”桥面高程同时满足主线及匝道的横坡及高程设计值,实现了“裤衩”鼻端外桥面高程的精确设计。

“裤衩”鼻端内部分的高程一般不需要设置平坡调整带,设置单条屋脊线即可完成桥面高程设计,其屋脊线选用路线设计上的路拱线即可,箱梁截面按双坡设计。

这样整个“裤衩”箱梁桥面形成了“裤衩”内的变宽范围为双坡截面,采用单条屋脊线即可完成桥面高程设计,“裤衩”外为三种横坡截面,通过中间设置平坡调整,形成两条衍生的屋脊线实现桥面高程设计。本例中强制使匝道9 m宽度的内边缘线为一确定屋脊线,这样的处理使得桥面高程最值点满足设计要求的情况下最小,是较为合理的设计方案。

5 “裤衩”桥高程误差的补救方案

因设计或施工对“裤衩”高程设计或放样错误导致施工现场主线和“裤衩”桥面高程衔接不上的问题,单纯通过增加铺装厚度会导致上部结构桥梁承受的荷载超过设计值,并且会产生较大的工程造价增加。铺装厚度增加时,还应保证路面线性平顺,桥面坡度合理。

横坡数值与路线平面相关,因此不需要进行设计横坡调整,仅调整匝道设计线的纵断面设计。

以上述高速的大鼻端“裤衩”桥为例。施工单位浇筑现浇箱梁时未考虑匝道设计线,路线横坡均按2%设置。这导致“裤衩”桥与C匝道桥衔接部位,左侧“裤衩”桥端高程为43.020,横坡为2%,右侧C匝道侧高程为43.158 m,横坡为4.28%,高程相差达到14cm左右,横坡相差2.28%,属于严重的错台现象。

首先以桥面横坡和最小铺装厚度为控制因素,重新进行桥面高程放样,获取桥面各控制点高程。当放样高程比现有实际高程高出一定厚度时,调平层内设置直径6～10 cm的PVC管或波纹管,管道厚度应保证混凝土浇筑过程中管道不发生明显变形。

为对“裤衩”桥桥面高程进行补救,先对C匝道的高程设计线进行调整,结合“裤衩”桥“三屋脊线”精确设计方法重新放样,确定各个桥面位置处需要增加的桥面调平层厚度。

(1)以“裤衩”桥匝道侧轮廓线既有施工高程为高程控制点,沿C匝道外轮廓线按设计横坡4.28%进行放样,分跨线位置“裤衩”外轮廓位置桥面高程为42.867 m,放样至C匝道设计线位置高程为43.177 m,即“裤衩”分跨线位置C匝道设计处需要增加43.177-43.020=0.157 m的桥面调平层。

(2)将C匝道的控制点2的高程由原设计值的43.315 03调整为43.472 03,其他参数不变。

(3)以新设计高程设计线为基准,结合桥面屋脊线按大鼻端桥面高程设计方法进行桥面高程控制点重新放样。

(4)放样后对桥面铺装调平层厚度超过设计值的部分调平层钢筋网内埋置PVC管或波纹管,减小铺装重量。

经过加高调平层厚度,过深部分埋置PVC管或者波纹管和调整设计高程的补救方案后能够保证新建的“裤衩”桥消除“裤衩”接头位置错台问题,竖曲线线型平顺以及结构承受的铺装荷载不会有较大的增加。

6 结 语

针对“裤衩”桥梁的高程设计与施工放样,首先介绍了常见的设计与施工问题,然后通过分析大鼻端“裤衩”桥梁的桥面高程设计,得出整个“裤衩”桥梁桥面高程的精确设计方法:对鼻端内的桥面高程可采用单屋脊线双坡截面进行桥面高程设计,对大鼻端外部位设置双屋脊线,截面按三坡形式设计,推荐两条屋脊线之间设置为平坡。

最后以既有高速“裤衩”现浇箱梁因施工过程中仅考虑主线设计高程和设计横坡导致其与匝道桥接头位置错台问题为例,通过增加调平层厚度和重新调整匝道竖曲线的方案进行高程问题补救。在新的匝道高程设计线的基础上,按“裤衩”位置高程设计方案进行重新放样进而确定桥面各控制点位置调平层加厚厚度,对加厚厚度超过一定范围内埋设PVC管或者波纹管。

通过调整后的路线各项指标均能满足相关规范,“裤衩”桥分叉位置桥面顺接合理,桥梁结构二期荷载重度也并未得到增加。由于PVC管或波纹管内是空心的,因此整个变更方案,工程造价并未有较大的增加。