顶进立交桥设计的基本理论方法和内容.docx

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顶进立交桥设计的基本理论方法和内容

顶进立交桥设计的

基本理论、方法和内容

Ⅰ、顶进立交桥的结构形式

基本形式——钢筋混凝土封闭结构。

特点：

自重较轻而底面积大，对地基承载能力的要求较低；

比较轻巧而美观的外型，可以获得较小的梁高，缩+短引道的长度；

超静定结构，内力可以互相调节，对意外外力具有较强的抵抗能力，可以适应一般地质变化的要求；

由于墙板间的刚性

联结，可以承受顶进时巨大剪力。

Ⅱ、顶进立交桥的总体设计

下穿铁路的立交桥要满足两个条件：

在结构方面必须具有足够承受铁路荷载的能力；桥下净空必须满足交通功能的要求。

所以在设计中必须同时遵守铁路和公路或城市道路的有关规范和规定。

设计所依据的规范：

①铁路桥涵设计基本规范

②铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范

③公路桥涵设计规范

④城市道路设计规范

⑤城市桥梁设计准则

总体设计的任务：

确定桥位、交叉角、规模。

桥位——立交桥轴线与铁路中线交点的位置。

理想的交叉点是在区间直线段；若需要在车站通过，宜避开咽喉区。

交叉角——立交桥轴线与铁路中线的夹角，标注锐角。

所有规范都规定两条道路的交叉角不应下于45°，但在实际执行中都做不到。

在城市道路中，拆迁是一个最主要的因素。

以前曾经力图把交叉角控制在60°以上。

但是强调大交角往往造成大量的拆迁和道路平面的恶化，一般在城市道路的立交桥中都只能服从城市规划的要求。

立交桥的规模——净宽、孔数、净高

立交桥的净宽是指每孔中两墙间的垂直距离，这个距离必须满足行车道或人行道宽度及各种“带”宽的要求，行车道的宽度是与设计行车速度、车道数和车辆类型有关的：

例如：

每个机动车道的宽度：

大型汽车和小型汽车混行V≥40KM／H3.75m

＜40KM／H3.50m

小型汽车专用线3.50m

公共汽车停靠站3.0m

净高：

有轨电车5.5m

无轨电车5.0m

汽车4.5m

孔数要与道路设计横断面相匹配；

净高是指由路面至顶板底的高度。

每孔的净宽和净高都必须满足公路和城市道路限界的要求。

关于规模问题，有一段时间过分强调铁路规范的要求，曾经造成铁路和地方地方部门的不协调。

在近三十年来，铁路规范规定的标准净宽系列没有做过任何改变，标准系列中的净宽目前已经明显地不能适应道路设计的要求。

例如：

北京一些城市快速路和干道都设计为“四块板”断面，设计速度都在40KM／H以上，机动车道为上下各3车道，而且中间和两侧隔离带也比较宽。

行车道本身要求的宽度就达到11.25m，加上路缘带、安全带的要求就13m以上，再由于较宽的隔离带，要求的净宽就更大了。

而标准系列中，四跨断面只有（9—12—12—9）m一种，明显地不能满足现行规划的要求。

所以在近年设计的方案中，特别是在北京和天津，基本上已经冲破了规范的限制。

如北京中轴路立交桥为（17.5—20—20—17.5）m，总宽度81.2m；玉泉路立交桥为（12—17—17—12）m，总宽度63m；廊坊K83立交桥为（8—14.5—14.5—8）m，总宽度近49m。

其他双孔和单孔净宽也有类似的情况。

目前已有的设计：

单孔最大的净宽为18m（广渠路立交桥）；

多孔连续结构最大净宽为20m［朝阳北路2—20m，中轴路立交桥（17.5—20—20—17.5）m］。

对于普通钢筋混凝土结构，这基本上已经是极限跨度。

结构断面形式——多孔连续结构或分体组合。

从设计角度：

对宽度较大的结构，考虑到底板的刚度和顶进过程中地质情况意外变化的影响，宜采取分体设计；

从施工角度：

分箱并列顶进，难以做到并列各箱高程误差的一致。

顶进立交桥的“主体”包括框架主体和出入口挡墙；

框架主体由前刃角、封闭框架、后悬臂和尾墙四个部分组成。

图—1

前刃角是顶进框架桥的特有结构，起到顶进时切土、防止侧向塌方的作用；侧刃角的斜面还可以起到调整方向和高程偏差的作用。

立交桥轴线长度的确定：

轴线长度系指刃角顶板前端至后部悬臂末端的长度，包含三个组成部分：

前部刃角顶板长度，刃角顶板长度按设计内净高及侧刃角斜面与水平面的夹角不大于60°的原则确定，对于斜交桥此“60°”应按垂直线路方向计量；

中部封闭框构长度，由线路（包括既有线和预留线）总间距和荷载分布宽度两个因素确定。

同时，此长度与施工安全有非常密切的关系。

与施工密切相关的一个重要尺寸是前端最外侧的股道中心至侧刃角根部的距离，这个尺寸关系到补刃角施工时的线路安全。

在1994年以前，一般设计中这个尺寸都定为2.7m，补刃角施工相当困难；1993年底，铁路局颁发了“顶进式框架立交桥设计、施工的若干规定”。

在此规定中，此尺寸根据结构的不同高度取值为3～4.5m，施工条件有所改善。

按设计部门的观点，这个尺寸的确定应该考虑顶板荷载分布宽度的需要。

图—2

（图—2中的“L”相当于图—1中的“B”或“B1”）

图中b是活载分布宽度，而a段用于承受悬臂的垂直荷载，在a段内荷载分布的强度不应大于b段，否则需要对a段特别配筋。

a段的大小就与悬臂的大小有关，最后：

L=b+a

一般按上述原则确定的刃角根部至邻近线路中心的间距就比较能满足补刃角施工的要求。

尾部悬臂板长度，按路肩需要的宽度确定，一般为1.5～2m；

尾墙，在框架尾部把两侧墙延伸一段，此延伸部分称为尾墙。

它可以使翼墙基础拉离线路，增加翼墙挖基时线路的安全度；在轴线长度短的立交桥，顶进时容易出现扎头，此时尾墙可使整个结构的重心后移，起到平衡重的作用。

尾墙不是每桥必有的。

作为立交桥的主体结构的另一部分是出入口挡墙。

出入口挡墙是维护路基稳定的必要结构。

一般有一字式、八字式和引道挡墙与结构边墙直接相接三种方式。

其中八字式是普遍采用的方式，其布置的基本要求是与引道挡墙或边坡连接处不应出现锐角，应该以直角或钝角连接。

从此方面看，一字式（也就是路肩式）挡墙只有在有预留线的一端、在正交时才可采用。

顶进方向的确定：

确定顶进方向的一般原则：

在铁路曲线地段，宜从曲线外侧向内侧顶进；在站场按最后顶进正线的原则确定顶进方向。

但是，顶进方向最后应根据上述原则以及现场场地、交通等条件综合考虑确定。

铁路桥梁设计时所采用的基准标高是“轨底标高”，无论是荷载计算或各部标高的确定都以轨底为计算的起点。

在立交桥穿越多股线路时，常需考虑最低和最高股道，综合平衡来确定桥面的设计标高。

铁道部工务局曾经有文件要求提速线路的立交桥其轨底至板顶的高度不得小于0.8m。

在二十世纪九十年代以前，顶进立交桥设计的这个高度一般只取0.65m。

在这个高度中还包括了板顶防水层和保护层的厚度，在此高度下，工字钢横梁只能采用Ⅰ36以下的工字钢，以前一些工务段还常采用28的工字钢作为线路加固的横梁。

由于通过速度的不断提高和行车密度加大，为了保证安全，现在采用作为横梁的工字钢都在Ⅰ40以上，而且布置的间距加密到1m。

这种布置只有在0.8m的高度下才能做到。

在二十世纪九十年代以后，在设计中重点增加了以下措施：

1、松散土体固化处理；

2、路基防护桩；

3、前靠背桩

这些措施无论是从经济和安全角度，对施工单位都是有利的。

通

过若干座立交桥的施工实践，采用前两项结合，除了保证开挖面的稳定以外，应用在小交角立交桥的顶进中，还起到有效地减小水平转矩的作用。

Ⅲ、顶进立交桥的结构设计

基本形式：

普通钢筋混凝土封闭框构。

1、结构内力分析

结构在正常工作状态时所受的外力：

主力：

恒载：

结构自重，静土侧压力，混凝土徐变和收缩的影响

活载：

列车活载和冲击力，活载侧向土压力，公路活载，

人行道活载

附加力：

列车制动力

温度变化的影响

在以上荷载中，公路和人行道活载可考虑其对结构有利或不利决定取舍。

一般计算中只计算主力，如果考虑“主＋附”的组合，容许应力应在原有基础上提高，一些项目最大可提高30％。

在一般设计中，都没有考虑以下几种情况：

1）施工过程中由于纠偏产生的外力，如单侧被动土压力；

2）斜桥考虑了由于水平荷载作用对结构产生的扭矩，但

是没有考虑顶进时水平转矩变化的作用；

3）顶进过程中由于地质变化造成对结构底面的集中反力或地基脱

空的情况；

4）结点产生垂直相对位移时的影响；

我们需要按设计时考虑的结构受力状态作为采取施工措施的依据：

①在方向纠偏时必须逐步采取措施，不可一蹴而就，因为这样会使前端侧面产生巨大的被动土压力而可能使结构破坏（因为设计中只考虑了双向对称静土压力和单侧活载土压力的作用）；

②采用纵向地梁控制扎头时，地梁必须布置在靠近结点部位；在硬质土层顶进时，底板的清土面要平整，在每孔的跨中部位，宁低勿高，避免造成跨中的集中反力；

③避免在结点附近造成长距离的超挖。

在我们的施工实践中，由于在顶进过程中出现的抬头、底板超挖等情况，框架就位后常常出现底板脱空，也没有看到结构出现破坏现象。

这可能是两个原因：

一是脱空的范围比较小，而结构本身刚度较大没有造成结点明显的相对位移；二是结构设计时就有较大的安全系数。

但是为了结构的寿命，不应该让结构长时间在这种条件下工作，所以一般要求就位后对基底采用喷沙或注浆填充。

计算方法的发展：

手算阶段：

地基反力直线分布，沿轴线取1m单元按平面框架计算

弹性地基上的框架，沿轴线取1m单元按平面框架计算

将结构简化为平面问题，沿轴线方向取1m单元，当按地基反力直线分布的假定计算时，利用等截面杆件的角变位移方程推导的公式，这是最早采用的手算方法。

即使有电子计算器，人力最多也只能计算单孔和双孔框架，而且只能用改变荷载位置的办法绘制包络图，若要采用影响线加载计算，人力手工计算是没有办法满足要求的。

即使在反力直线分布的假设条件也没有三孔及以上结构的现成计算公式。

若考虑弹性地基，即使按平面假定计算都将复杂得多。

对于小跨度的单孔框构，按地基反力直线分布的等截面结构计算，采用手工方法计算还是可行的，但效率就无法与电子计算机相比了。

在以上阶段采用的计算中，主要参考三本书

日本：

渡边的“箱型框架计算实例”

中国：

潘家铮的“弹性地基上的梁和框架”

苏联：

葛尔布诺夫的“弹性地基上结构物的计算”

都是没有考虑杆件变截面因素、采用编好的常数表利用手算进行的。

当考虑变截面因素时，多采用蔡方荫的“变截面刚构分析”一书中的“形常数”和“载常数”表。

由于计算结构力学的发展和电子计算机采用，现在的方法基本上是采用有限单元法，把框架作为半无限弹性地基上的空间结构进行离散分析。

这是目前比较精确的计算方法。

（例如北京南中轴路立交桥，结构宽度81.2m，封闭框架段长度26.6m，划分为15122个单元，共有23103个节点）。

由于计算方法的发展，铁路桥涵设计规范中对结构计算的方法的提法进行了修改。

但是精确的计算方法也有它近似的一面，那就是没有真正的均质的弹性地基，计算所依据的地基变形模量Eo就只能是近似值。

依据近似的数据就不可能得到精确的结果。

顶进施工的立交桥采用封闭框架的形式，是因为封闭框架结构自身有较好的弯矩传递性，遇不利条件可发挥结构的整体抵抗能力。

但是，要求封闭框架结构本身必须具有足够的刚度。

曾经有过结构在顶进施工中破损的先例，其中有施工原因也有设计原因。

丰台站和大同站旅客地道在顶进中折断。

折断的事故多发生于小跨度的细长结构。

有些虽然宽度比较大但是高度小，旅客地道多属于这种类型。

以前在旅客地道的标准设计中是对框架纵向作为弹性地基梁进行整体检算的，在立交桥中基本没有做这方面的检算，其纵向钢筋是按构造或考虑温度变化控制混凝土开裂布置的。

有些设计套用“上桥1001”和“上桥1002”通用图而没有增加纵向钢筋。

该图是按轴线长度4m现浇设计的，其中所设的纵筋只能起架立作用。

对于细长结构在顶进时必须慎重考虑地基处理措施，如果采用横向垫梁，当结构悬出垫梁外一定长度而前段进入线路时，纵向弯矩超过了它的纵向抵抗能力就容易折断。

1990年施工的北京市西四环丰台立交桥在顶进中出现严重破损。

该桥是（14.9—17.5—17.5—14.9）m四孔连续结构，结构总宽度68.2m，顶板厚0.8m，底板厚0.7m。

由于地基的意外变化，底板产生过大的相对位移，中节点下沉，边孔底板中部上拱，造成结构严重开裂，裂缝最大达到6mm。

经多方面分析认为是由于结构底板柔性过大而刚度不足所致。

该桥设计底板比顶板薄，符合弹性地基上框架结构的内力特征，但是没有注意顶进施工的特点。

1993年北京铁路局颁布的“顶进式框架立交桥设计、施工的若干规定”就是总结丰台等立交桥事故教训的产物。

铁三院有一份试验研究报告，提出了一个普通钢筋混凝土结构拟定框架板厚的参考尺寸：

板在跨中的厚度不宜小于跨度的1／20；加腋根部的高度不宜小于跨度的1／10。

以前在大量的三孔以下结构中，墙厚0.5m即可满足设计要求，但考虑到施工的需要，将墙的最小厚度定为0.6m。

【按弹性地基计算的一个重要参数，柔度指数t：

t=

×

×

×

其中：

I=

bh3又：

b=1，

≈10

∴t=10×

×

×

式中：

E0——地基的变形模量

E——钢筋混凝土的弹性模量

h——底板厚度

——底板半长

ν和ν0——分别为钢筋混凝土和弹性地基的泊桑系数

由于

≈1

所以一般计算取为

t≈

刚度系数K=1／t。

由以上公式可见，要提高底板刚度的最有效的办法就是减小底板的，也就是结构的宽度。

在立交桥总宽度确定的前提下，只有分体设计。

】

2、配筋设计

铁路钢筋混凝土桥梁结构计算的最大特点是：

至目前为止仍然采用容许应力法。

铁路隧道结构采用破损阶段法，而在工业与民用建筑中的钢筋混凝土结构已经普遍采用极限状态计算。

所以在一般钢筋混凝土书中已经没有关于容许应力法的内容，这方面的内容在铁道专业的教材“结构设计原理”才能找到。

现行“铁路桥涵混凝土和预应力混凝土结构设计规范”就是在容许应力法的基础上编制的。

严格说，在我们讨论的框架中，没有纯弯构件。

无论顶板、底板、隔墙或边墙都有轴向力和弯矩，应该都是偏心受压杆件。

在手算阶段，为了避免偏心受压杆件配筋计算的麻烦，尽量减少计算工作量，把底板和顶板当作纯弯杆件设计钢筋。

由于底板和顶板所受的轴向力与立柱相比小得多，这样简化不会有太大的出入。

但是立柱所受的轴向力很大，必须根据实际条件按偏心受压条件配筋。

按偏心受压构件配筋计算的麻烦在于求受压区高度时必须解一个一元三次方程。

在设计和施工中最常遇到的是受弯问题。

这里重点介绍受弯构件按容许应力法计算的基本公式。

基本假定：

混凝土处于弹性阶段；受拉区混凝土不参加工作；拉应力完全由受拉区钢筋承担，钢筋与混凝土的弹性模量比为n。

在单筋设计时，钢筋拉应力为：

σg=

其中：

σg——钢筋应力

M——截面的弯矩

Ag——钢筋截面积

Z——内力偶臂Z=h0－

x——截面受压区高度，x的大小与外荷载无关，只决定于材料，配筋率及截面尺寸。

x=[

－nμ]hO

μ——截面配筋率

μ=

n——钢筋与混凝土的弹性模量比。

如果进行简单的估算，可以按经验取

Z≈

h0

所以在知道截面高度和选用的钢筋类型后，根据弯矩值可按下式估算所需钢筋的面积

Ag≈M/｛[σg]

h0｝

混凝土应力

σh=

这些公式可以在工地作简单的估算用，要做比较正规的设计必须按书本的公式或表格计算。

混凝土结构计算要解决两个方面的问题，一是钢筋和混凝土的应力，二是裂缝开展宽度。

对于我们在施工措施中应用的结构属于临时结构，则不必对裂缝进行检算。

在设计文件中我们注意到，当交角小到一定程度的斜桥，其顶底板的纵向钢筋是与环形钢筋垂直布置的。

这是为了充分发挥钢筋抵抗扭矩的作用。

这种布置方式从设计方面看是经济的，但是给施工带来了不少的麻烦。

至目前止，顶进框构仍然是普通混凝土结构。

曾经有人提出过预应力结构的构想，可能由于一般顶进立交桥要求施工周期短，加预应力会使施工复杂化而延长工期的缘故，预应力的问题始终未见实施。