国道109线（忠和傅家窑立交—八里湾）改扩建工程设计研究

魏 朋，马国纲

（兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州 730050）

国道109线（忠和傅家窑立交—八里湾）改扩建工程设计研究

魏 朋，马国纲

（兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州 730050）

国道109线（忠和傅家窑立交—八里湾）改扩建工程位于兰州城市近郊，工程场区周边社会环境复杂，项目设计方案的制定受许多因素的制约。选取了旧桥利用、横断面方案比选以及高架桥上跨连霍高速公路3个设计节点进行了分析论述，有关经验可供相关专业技术人员参考。

旧桥利用；横断面比选；桥型方案；结构计算

1　项目设计概况

该项目工程地点位于甘肃省兰州市城关区和皋兰县忠和镇，道路基本沿现有

国道109线（以下简称为“旧109线”）布设。该项目所利用的旧109线道路两侧商贸活动繁荣，人口密度大，尤其是道路西侧的北龙口国际商贸物流城极大地带动了道路两侧商贸建筑的开发建设，目前道路西侧商贸建筑密集，商贸规模已达到较高水平。道路两侧分布的村庄民房密集，当地居民出行十分频繁活跃。

该项目道路旧路利用原则为在平面和纵断面设计中尽量利用旧109线平面位置和标高，对旧路设计指标较低路段进行局部优化。

该项目道路等级为城市主干路，设计车速高架桥车行道采用 60 km/h，地面道路车行道采用40 km/h，路面结构为沥青混凝土路面。地面道路横断面采用规划断面，即 1.5 m（人行道）+12 m（车行道）+6 m（中央分隔带）+12 m（车行道）+1.5 m（人行道）=33 m；高架桥横断面为0.5 m（防撞护栏）+8 m（机动车道）+0.5 m（防撞护栏）+8 m（机动车道）+0.5 m（防撞护栏）=17.5 m。

2　对旧桥利用的设计研究

该项目设计注重对现状构筑物的利用，以减少拆除重建的工程量，从而有效降低工程造价。该项目地面道路在K0+200处需下穿兰秦快速路（连接兰州市区和兰州新区的城市快速路）形成分离式立体交叉。兰秦快速路在上跨旧109线处，现状为1座2～16 m的钢筋混凝土框架旧桥。现场调查结果表明，该桥建成时间较短，外观良好，各结构部件完全正常，但桥下路面已完全被破坏，路基翻起凹陷严重，路面严重变形造成小型轿车基本无法通行。为了对该旧桥加以完全利用，道路定线时将路线中心线与旧桥中心线完全重合，在不压缩道路车行道宽度和人行道宽度的前提下，将中央绿化带宽度由3 m压缩至 1 m，与 1 m宽的框架桥中墙刚好对接，从而也实现了地面道路和该旧桥的完全顺接。然后对该旧桥的桥下路基路面重新进行设计，确保桥下净空满足规范要求，即可实现对该旧桥的完全利用。

该项目地面道路在K9+976.105处需下穿G30连霍高速公路形成分离式立体交叉。G30连霍高速公路在上跨旧109线处，现状为1座1～30 m的预应力钢筋混凝土箱梁旧桥，与该项目道路中心线夹角63°。现场调查结果表明，该桥建成时间较早，但外观基本良好，各结构部件基本正常，桥下路面裂缝分布较密，该旧桥仍然可以正常使用。该项目地面道路横断面宽度为33 m，由于和旧桥斜交的原因，该项目地面道路横断面方向在旧桥下的可利用宽度仅为25 m，旧桥下的横断面宽度严重不足极有可能造成未来交通发展的瓶颈，严重制约该项目地面道路的通行服务水平和质量。为此，在该项目设计中，针对如何利用旧桥进行了充分研究。

很显然，对旧桥拆除重建或改造拓宽是一个看似合理的方案，但该项目地处城市边缘，交通十分繁忙，高速公路交通量很大。该方案面临的高速公路保通问题和旧109线保通问题都极为复杂。由于城市发展和周边地形使空间受限，无法很好地进行施工组织设计，因此该方案最终被否定。基于此，对旧桥的完全利用成为设计工作需要研究的问题。针对如何解决旧桥桥下净宽造成该项目地面道路的瓶颈问题，设计中对旧桥下的地面道路横断面进行了专项设计。首先确保车行道的宽度，该项目地面道路采用双向6车道，因此旧桥下的地面道路横断面仍然采用双向6车道，宽度为10.25 m×2=20.5 m，再将3 m宽的中央绿化带调整为0.5 m宽的中央防撞墩，确保旧桥下双向行车安全，同时将非机动车道和人行道合并设置，宽度1.75 m×2=3.5 m。该设计方案基本解决了车辆的交通瓶颈问题，但不利于非机动车辆和人的出行。考虑到该项目道路主要以机动车辆通行为主，所以该方案基本可行。采用该方案，对旧桥可以完全加以利用，避免了对连霍高速公路通行的不利影响，有效降低了项目的工程量和施工难度，从而降低了该项目的工程造价，亦加快了项目的建设进度。

3　横断面设计方案研究

该项目是按照城市主干路标准，对旧109线忠和傅家窑立交至八里湾段进行改扩建。该项目道路的功能定位如下：

（1）作为兰州市规划的中部快速路的组成路段，实现兰州新区与兰州市区的快速连通功能；

（2）作为旧109线的局部路段，实现国道过境车辆快速穿过市区的功能；

（3）道路所处场区位于兰州市区的北出口地段，该区域已经被规划为兰州市重要的经济增长区。道路沿线商贸建筑林立，人流较为密集，车流量较大。中国兰州北龙口国际物流商贸城沿道路西侧展布，目前已经初具规模。作为自北向南穿过该区域的重要道路，为当地商贸活动和居民出行提供较为便利的条件，进而为该区域的开发与发展创造良好的交通环境。

基于该项目的功能定位，道路设计提出了“地面道路+高架桥”的双层立体式交通格局。高架桥横断面宽度 17.5 m，采用双向 4车道，设计速度 60 km/h，主要服务于功能（1）和功能（2），即来往兰州市区和兰州新区的车辆以及旧109线过境车辆可快速通过该区域。地面道路横断面宽度根据规划设置为 33 m，采用双向 6车道，设计速度 40 km/h，主要服务于功能（3），即主要服务于该区域的商贸活动和居民出行。同时，为了方便高架桥和地面道路车辆的交通转换需求，在道路中段位置设置了连接高架桥和地面道路的转换匝道。

针对该项目的双层立体式交通特点，道路设计中将横断面的方案选择进行了重点研究，根据甲方和政府相关部门的意见，兼顾技术因素，最终选择方案1为推荐方案。

3.1横断面方案1

方案1横断面采用“上四下六”的断面形式：高架桥为双向4车道，断面宽度17.5 m，即0.5 m护栏+8 m车行道+0.5 m中央防撞护栏+8 m车行道+0.5 m护栏=17.5 m；地面道路为双向6车道，两幅路形式，断面宽度33 m，即1.5 m人行道+12 m车行道+6 m中央分隔带+12 m车行道+1.5 m人行道= 33 m。方案1断面人行道宽度仅为1.5m，是考虑到该项目不在城市中心地段，目前属于城乡结合部，结合规划未来该区域将大力发展商贸业，尤其是大陆桥集团开发的北龙口国际商贸城已具备相当规模，该区域未来的交通类型基本应是机动车辆，行人和非机动车辆数量较少，所以人行道宽度设为1.5 m，非机动车道设为单向1.5 m也基本合理。方案1的横断面形式见图1。

图1　方案1典型横断面图（单位：cm）

3.2横断面方案2

针对方案1人行道宽度过窄的特点，道路设计提出了方案2断面。该方案采用“上四下六”的横断面形式：高架桥为双向4车道，断面宽度17.5 m，即0.5 m护栏+8 m车行道+0.5 m中央防撞护栏+8 m车行道+0.5 m护栏=17.5 m；地面道路为双向6车道，两幅路形式，断面宽度33 m，即3.0 m人行道+10.5 m车行道+6 m中央分隔带+10.5 m车行道+3 m人行道=33 m。该方案充分利用高架桥双柱桥墩间的空间，将非机动车道设在中央分隔带内。该方案保证了人行道的宽度，但将非机动车道移至道路中心线位置虽然可充分利用空间，但这种方式不太符合人们的出行习惯，而且车行道上需设置较多的非机动车辆过街设施，降低了车辆的通行效率。方案2的横断面形式见图2。

图2　方案2典型横断面图（单位：cm）

3.3横断面方案3

针对方案1和方案2的不足，道路设计提出了方案3横断面形式。该方案采用“上四下六”的横断面形式：高架桥为双向 4车道，断面宽度 17.5 m，即0.5 m护栏+8 m车行道+0.5 m中央防撞护栏+8 m车行道+0.5 m护栏=17.5 m；地面道路为双向6车道，两幅路形式，断面宽度36 m，即2.5 m人行道+12.5 m车行道+6 m中央分隔带+12.5 m车行道+2.5m人行道=36 m。该方案的人行道设为 2.5 m，非机动车道设为2.5 m，更好地满足了人们的出行需求，但道路宽度增加为36 m，不符合该项目规划的横断面宽度，增加了道路占地面积和工程量，同时该项目的工程造价会大幅增加。方案3的横断面形式见图3。

图3　方案3典型横断面图（单位：cm）

3.4横断面方案4

方案 4断面采用“上六下四”的横断面形式：高架桥为双向6车道，断面宽度 23.5 m，即 0.5 m护栏+11 m车行道+0.5 m中央防撞护栏+11 m车行道+0.5 m护栏=23.5 m；地面道路为双向 4车道，三幅形式，断面宽度33 m，即3.0 m人行道+7 m车行道+2.5 m分隔带+8 m车行道+2.5 m分隔带+7 m车行道+3.0 m人行道=33 m。方案4高架桥比其他方案多2个车道，这为未来不断增长的快速通行车辆预留了交通空间，提升了该项目发挥快速通道功能的水平。地面道路人行道宽度为3.0 m，非机动车道宽度2.5 m，提升了行人和非机动车辆出行的安全性和舒适性，虽然地面道路仅设置了双向4车道，但道路整体断面车道数仍为10车道，满足交通量预测的需求。但本方案比其他方案的造价要高出许多。方案4的横断面形式见图4。

图4　方案4典型横断面图（单位：cm）

4　高架桥上跨连霍高速公路桥梁方案设计研究

该项目高架桥平面线位与道路设计线位完全一致，高架桥长度9.658 km。桥梁上部结构主要采用预应力混凝土组合连续箱梁，下部结构桥台主要采用轻型桥台、钻孔灌注桩基础。桥墩主要采用双柱式桥墩，桥墩高度最大值为16.5 m，墩柱直径为1.8 m×1.8 m，承台尺寸为8 m×3 m×3 m，下接直径为2 m的钻孔灌注桩，桩长40 m（上跨连霍高速公路的桥段除外）。

高架桥上跨G30连霍高速公路处，道路中线与连霍高速公路中线斜交角为63°，地面道路在此处下穿连霍高速公路，形成 3层立体式交通体系，连霍高速公路竖向位于高架桥和地面道路之间。

4.1推荐方案

推荐方案采用钢混组合结构上跨连霍高速公路，主桥跨径为51 m+61 m+51 m，3跨连续管翼缘钢-混组合梁桥，桥长163 m。

4.1.1上部结构

上部结构设计采用连续管翼缘组合梁。管翼缘组合梁是将传统钢-混凝土组合梁中工字钢梁的平钢板上翼缘用钢管混凝土替代的新型组合结构。管翼缘组合梁的管翼缘竖向高度减小了腹板的高度，避免了腹板长细比过大在设计中出现的问题，从而提高了组合梁的刚度和稳定性。钢管中内填C50自密实混凝土，套箍效应能显著提高混凝土强度，从而提高构件承载力。管内混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲。受弯矩作用时，钢管的受力特点类似于矩形钢管混凝土偏心受压构件。

矩形管翼缘组合梁与传统钢板翼缘组合梁相比技术优势表现在以下3点：

（1）等梁高时管翼缘组合梁腹板高度低，减少了纵横向加劲肋板的数量；

（2）管翼缘组合梁扭转刚度远大于钢板翼缘组合梁，横向稳定性好，施工阶段不需要为了防止施工过程中板梁发生失稳而采取过多临时措施；

（3）管翼缘组合梁的抗弯、抗剪承载能力高于钢板翼缘组合梁，安全储备大。

主梁采用6片焊接方管翼缘组合梁，方管内填C50自密实微膨胀混凝土。主梁由纵梁、横梁和桥面混凝土板组成。考虑到上跨连霍高速公路桥下净空以及施工时不应影响连霍高速公路正常通行的要求，钢结构部分组合梁下翼板采用Q500qENH，其余全部采用Q345qENH钢材。

主梁节段之间现场采用焊接连接。每根主梁分为三段，主梁节段通过焊接实现纵向腹板、下翼缘连接；端横梁采用工字型截面，端横梁与主梁之间仅腹板通过高强螺栓连接，中横梁采用桁架式，中横梁与纵梁之间采用栓焊混合连接。图5为主梁标准横断面。

图5　主梁标准横断面（单位：mm）

4.1.2下部结构

下部结构边墩采用台阶式盖梁柱式墩桩基础；中墩桥墩盖梁采用钢结构门式框架，横跨旧109线，跨径为30 m。由于跨径较大，如果采用混凝土结构，则盖梁与桥墩连接节点设计较为复杂，且混凝土易开裂。因此，中墩盖梁和桥墩均采用钢箱截面。钢桥墩采用双薄壁箱型截面，由顶底板、腹板、横隔板和加劲肋组成，加劲肋与横隔板钢材采用Q345qENH，其余采用Q500qENH。桥墩立面布置面见图6。

图6　桥墩立面布置图（单位：mm）

钢盖梁采用箱型截面，由顶板、底板、腹板、加劲肋和横隔板组成，顶板和底板采用Q500qENH。其余均采用Q345qENH。盖梁标准断面见图7。

钢盖梁与桥墩连接处受力复杂，为此，将盖梁腹板与桥墩壁板设计为整体式壁板，厚度为30 m m，同时，在桥墩两侧设置梯形加劲板，厚度为30 m m，钢盖梁与墩柱节点构造见图8。

为方便后期钢结构养护，该桥钢结构采用耐候钢，桥梁在后期使用过程中不必再次进行涂装。对于钢箱梁外表面，指除桥面行车道铺装部分以外的所有直接暴露在大气中的钢箱梁外表面（包括悬臂段纵向加劲肋、横肋板），其表面涂装方案按大气区腐蚀种类为长效型级别，选用长效型防腐寿命15～25 a涂层装配套体系，而钢箱梁内表面不设置涂装。

图7　盖梁标准横断面图（单位：mm）

图8　钢盖梁与墩柱节点构造、整体式壁板大样图（单位：mm）

4.1.3结构计算

钢梁计算采用M IDAS/Ci vi l2012，分别建立该桥上部结构和门式框架的有限元模型。上部结构采用梁格法建模，主梁和混凝土板均离散为梁单元，管翼缘钢梁和管内混凝土为组合截面，顶板混凝土根据规范计算得有效计算宽度为3 m，同时，设置混凝土板虚拟横梁，虚拟横梁纵向间距为2 m，混凝土板与管翼缘组合梁之间对应节点采用刚性连接，上部结构静力有限元模型见图9。

图9　上部结构有限元模型

门式框架采用梁单元模拟，桥墩与盖梁采用刚性连接，模型见图10。

图10　门式框架有限元模型

边界条件如下：

（1）主梁与混凝土板：对应节点处采用刚性连接，使主梁与混凝土板协同受力。

（2）主梁与桥墩：设置弹性连接、弹簧刚度按照支座等效，约束形式见图11。

图11　主梁与桥墩约束形式

汽车荷载作用下、梯度温度荷载作用下的计算结果分别见图12和图13。

图12　汽车荷载作用下主梁应力包络图（单位：MPa）

图13　梯度温度荷载作用下主梁应力包络图（单位：MPa）

计算表明该结构受力安全，方案可行。

4.2比选方案

该方案采用波形钢腹板预应力钢混组合连续梁桥，桥梁总长为103 m，其跨径组合为28 m+45 m+30 m。该方案主梁上部结构采用波形钢腹板预应力钢混组合连续梁，梁高2.5 m，桥梁采用单箱双室断面，顶板宽度17.5 m，底板宽度11.9 m（见图14）。桥墩采用门式刚构桥墩，下设矩形承台，桩基采用钻孔灌注桩。

图14　波形钢腹板横断面图（单位：cm）

桥梁上部结构波形钢腹板节段工厂制作，并在工厂进行小段预拼，以横钢撑连接，支座处加强钢板在现场安装焊接完成。桥墩等下部结构进行现场施工，同时预制混凝土顶板。运输波形钢腹板整段吊装至临时支座上，以波形钢腹板为工作平台，浇筑混凝土并张拉钢束。

本次设计高架桥终点段引道纵坡3.99%，接线道路旧G109线纵坡3%，为保证减少拆迁和沟道改移，确保桥下净空，应采用较低的梁高。本方案波形刚腹板桥施工需搭设施工支架且梁高较大，同时45 m的中跨跨径不利于连霍高速未来的拓宽改建。

5　结语

本文从该项目的诸多设计影响因素中选择了3个典型控制因素进行了分析论述。当前我国城市发展迅速，尤其是城市的道桥建设，规模和数量都有较大发展。伴随着城市周边的改造和提升，道路设计受到了许多外部环境因素的制约。国内许多地方的道路建设都遇到了旧桥的改造利用，道路之间相互交叉有空间受限等问题。本文对旧桥的处理方式是完全利用并不进行改造，大大降低了工程的难度和造价；横断面方案的选择主要结合城市规划和道路沿线区域的未来发展特点；高架桥上跨连霍高速公路考虑了高速公路未来的改造提升需求，同时把桥梁施工对高速公路的不利影响降低到最低。这些设计工作中总结的经验希望能给以后的工程建设提供帮助。

U41；U44

B

1009-7716（2016）09-0082-06

2016-06-06

魏朋（1979-），男，甘肃兰州人，高级工程师，从事城市道路桥梁设计工作。