螺旋形匝道结构设计

张作胜，赵桂娥，杨长清

(1.湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410015;2.长沙市轨道交通集团有限公司,湖南 长沙 410000)

螺旋形匝道结构设计

张作胜1，赵桂娥1，杨长清2

(1.湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410015;2.长沙市轨道交通集团有限公司,湖南 长沙 410000)

某物流仓库采用超小半径的多层螺旋匝道，该匝道能够适应占地面积有限、临近建筑物众多、匝道两端高差大等诸多限制；结构集弯、坡、斜、变宽、多层、重载等特点为一体，形式新颖，受力较复杂；论述了该类匝道的结构分析方法和受力特点，以期为相关专业人员提供参考。

螺旋匝道；分岔异形箱梁；曲线梁；有限元

0 引言

在公路工程、仓储物流工程中，有时会出现互通立交两条衔接线路设计标高相差较大的现象，最大高差甚至达到50 m。限于设计规范对最大纵坡的要求，当衔接线路高差较大时，匝道展线长度也需相应增加，但是受到用地条件的制约，不具备常规展线的条件，设置螺旋形匝道正是解决这一问题的有效方法之一。该种结构在上海南浦大桥、重庆乌江二桥、日本千本松大桥等桥头引道中均有应用。某物流仓储工程立交系统采用5层螺旋结构实现地面与仓库各层的互通。

1 工程概况

该物流仓储工程位于广州市番禺区鱼窝头镇，立交系统是工程的重要组成部分，主要由上行立交、下行立交组成。立交系统的功能为沟通仓库2、3、4、5层和地面道路。地面车辆经上行螺旋匝道和联络桥到达2～5层仓库，2～5层仓库的车辆由下行螺旋匝道和联络桥到达地面道路。小半径多层螺旋匝道属于非常规桥梁结构，是本工程的设计难点。

立交平面布置和螺旋匝道三维效果如图1、图2所示。

图1 匝道平面布置图

图2 螺旋匝道效果图

2 设计特点

受制于场地、标高、道路、地面构筑物等因素，螺旋匝道设计具有以下特点：

1)超小半径、多层螺旋、多分岔口设计：为了提高土地利用率，实现项目经济效益的最大化，项目的结构物和地面道路布置紧凑，螺旋匝道中心线的平曲线半径仅为31.0 m，远小于一般桥梁的曲线半径，属于超小半径结构。功能要求立交系统联通地面与仓库2层、3层、4层、5层，仓库层高8.6 m，匝道采用4.7%的坡率螺旋展线均匀爬升，当线路爬升到相应楼层标高后设置分岔口，分岔口通过联络桥与相应楼层之间连通。超小半径的4层螺旋匝道结构形式新颖，国内尚无先例，结构弯扭耦合效应和结构空间受力特性显著，设计难度大。标准跨结构具体构造见图3。

2)分岔异形段构造复杂：分岔异形段桥墩布置需满足匝道地面入口处的净空限界要求，因此该段设计成斜交跨，集多层、弯、坡、斜、变宽分岔等特点于一体，结构复杂。结构具体构造见图4。

3)交通负荷重，车辆荷载大：匝道桥为40万m2的物流仓储提供交通服务，通行车辆全部为重载车辆，交通负荷重，车辆荷载大。匝道桥按照城-A级荷载设计，设计车速20 km/h，单向两车道，桥面横向布置：0.5 m(防撞护栏)+2×5.5 m(车行道)+0.5 m(防撞护栏)。

图3 标准段构造图

图4 分岔异形段构造图

3 结构选型

在螺旋匝道设计之初，根据安全可靠、经济、适用、美观的原则进行了结构对比选型，共考虑了2种可能的方案。

1) 方案1：门型墩多跨连续刚结板梁。桥墩为钢筋混凝土4层门式墩，标准段主梁为钢筋混凝土空心板梁，主梁与桥墩横梁刚结，纵桥向每个圆周9跨标准段为一联；分岔段采用不带悬臂的钢箱梁结构，纵桥向每个圆周3跨为一联，除分岔段异形钢箱梁与混凝土标准段过渡处采用牛腿搭接外，其余各支撑点均为墩梁固结。结构的典型断面如图5所示。

2) 方案2：门型墩多跨连续箱梁。桥墩为钢筋混凝土4层门式墩，主梁为单箱双室钢筋混凝土箱梁，主梁通过支座支撑于桥墩横梁，纵桥向每个圆周3跨为一联。结构的典型断面如图6所示。

2个方案的比选见表1，最终选定方案1作为设计方案。

图5 方案1典型断面图(单位：m)

图6 方案2典型断面图(单位：m)

表1 方案比选表

4 结构设计

螺旋匝道共4层，以上行匝道为例，桥梁沿中心线展开后，第1、第2、第3层跨径布置均为(9×16.23 m)钢筋混凝土板梁+(14.19+15.38+19.13)m异形钢箱梁，第4层跨径布置为(9×16.23 m)钢筋混凝土板梁+(14.59+15.91)m异形钢箱梁。匝道中心线半径31.0 m。螺旋匝道共设门型墩13个，分岔异形段处的2个门型墩共用1个立柱，每个门型墩设横梁4道。除分岔异形钢箱梁两端设伸缩缝并通过牛腿支撑外，其余各处主梁均与门式墩横梁固结。结构单向横坡2%，通过调整结构高度形成。上行匝道平面和立面布置见图1、图7。

图7 上行匝道立面布置(沿线路中心线展开)(单位：cm)

标准跨主梁为整体式钢筋混凝土空心板，板宽12.0 m，高1.0 m，横断面设置9个直径0.6 m圆形空腔，以减轻自重，标准跨门型墩横梁为宽2.0 m，高1.4 m的钢筋混凝土梁。分岔异形段主梁为不带悬臂的单箱多室钢箱梁，梁宽12.0～21.0 m，高1.2 m，横向每隔2.0 m划分一个箱室，钢箱梁设U型加劲肋。顶底板、腹板厚度16 mm，横隔板、加劲肋厚10 mm。钢箱梁的横梁与门型墩立柱通过混凝土型钢组合节点实现固结。主梁横断面图见图8、图9。

图8 钢筋混凝土板梁横断面图(单位：cm)

图9 分岔段钢箱梁横断面图(单位：cm)

门型墩立柱截面为2.0 m×2.0 m矩形，基础承台尺寸6.5 m×6.5 m×2.5 m，下设4根直径1.5 m钻孔灌注桩，以中风化砂岩作为桩基持力层，桩长40～42 m。

5 结构受力分析

5.1 结构计算参数和模型

螺旋匝道结构为多层桥面结构，每一层都涵盖小半径曲线梁、连续刚构、变宽分岔、斜交等结构，受力复杂，墩梁联合受力、弯扭耦合等空间效应明显，普通的梁单元模型计算量小，但计算精度低；采用实体单元建模计算精度高，但计算量极大。本文采用能够兼顾计算量和计算精度的梁格法建立钢筋混凝土标准跨和分岔异形段的有限元模型如图10所示，结构分析考虑的荷载见表2。

a) 分岔异形段有限元模型

b) 标准跨有限元模型

表2 荷载汇总表

5.2 承载能力验算

承载能力极限状态下结构应力和内力计算结果见图11、图12，最大值汇总于表3、表4。

图11 分岔段异形钢箱梁组合应力(单位：MPa)

图12 标准跨结构弯矩图(单位：kN·m)

表3 分岔异形段结构最大内力(应力)汇总表

表4 标准跨结构最大内力汇总表

上述计算表明，钢结构最大应力小于限值275 MPa，满足强度要求。墩梁固结处存在明显的应力集中现象，通过设置倒角缓解。根据上述结果进行配筋计算，结果表明结构承载能力和使用阶段裂缝宽度均满足设计要求，结构是安全的。

5.3 挠度验算

正常使用阶段结构挠度计算结果见图13、图14。

图13 分岔段异形钢箱梁挠度变形(单位：mm)

图14 标准跨结构挠度变形(单位：mm)

正常使用阶段，分岔段异形钢箱梁的最大竖向挠度38.4 mm，标准跨混凝土板梁的最大竖向挠度5.6 mm，最大挠度发生于曲梁最外侧，均小于规范限值，刚度满足设计要求。

5.4 稳定性分析

结构稳定计算结果见表5，成桥稳定系数远大于4，结构稳定性有充分保障。

表5 结构失稳模态及稳定系数汇总表

结构分析计算表明，该螺旋匝道整体强度和稳定性满足设计要求，恒载内力分布均匀。多层螺旋结构与门式墩横梁刚结后，结构整体刚度大，在汽车离心力、制动力作用下水平位移小，能够保证行车安全；主梁与墩连续刚结省去了大量的支座和伸缩缝，不仅降低了工程造价，且避免了支座脱空、曲梁向外侧倾覆、曲梁外侧爬行造成伸缩缝错位等问题。

以下几点值得注意：该桥桥墩弯矩和水平反力较常规桥梁大，这主要是由于桥墩与小半径曲线梁固结，墩梁联合受力造成，因此刚结体系较普通的支座支撑体系而言，内力分布更加均匀；分析计算也表明，温度效应是造成桥墩水平反力偏大的另一个重要因素，本匝道桥属于高次超静定结构，对温度变化敏感，因此对于该类桥梁的设计如何正确选用温度计算模式、有效控制温度效应是值得研究的问题，本文没有展开；通过空间梁格分析发现，小半径曲线梁外侧纵向弯矩比内侧纵向弯矩大，外侧偏载现象显著，最大挠度发生于曲梁最外侧，偏载引起结构较大的扭矩，结构空间效应显著，因此这类桥梁设计时应注意采取抗扭措施和外侧边梁加固措施。

6 结语

该立交匝道的设计在用地范围十分有限，地面道路、临近建筑物众多的情况下，突破常规，遵循少占地，多占空的设计理念，提出了曲线半径仅31 m的4层螺旋匝道结构，结合联络桥，实现了仓库2、3、4、5层和地面道路的交通，构思巧妙，造型新颖，结构设计大胆。通过方案对比和结构受力分析，表明4层螺旋式匝道结构整体受力均匀，结构刚度大，整体性好，空间效应显著，整体造型和仓库建筑协调一致，设计符合安全、适用、经济、美观的原则，能够满足多层物流仓库立体交通需求。希望本匝道的设计经验能够为今后类似的市政立交、立体物流仓储设计提供参考。

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