城市立交跨越既有轨道交通的门架墩方案分析比选

郑翔

福州市规划设计研究院集团有限公司 350108

1 工程概况

福州市二环路白湖亭立交工程位于福州二环路东南转角处，为福州市二环快速路闭合的最后一个节点。白湖亭立交为三层枢纽立交，含四条匝道（A、B、C、D），其中A匝道为连江南路右转至南二环路快速通道，为避开现状地铁1号线轨道区间，需在9号、10号墩设置全幅大跨门架墩，本文以更为不利的A10墩作为分析案例。综合考虑道路改造方案和现状轨道区间，将A10门架左侧墩柱（桩号前进方向，下同）落于上下行轨道区间中部，桩基与轨道区间最小净距约5.2m；门架右侧墩柱落于人行道边，桩基与轨道区间最小净距约5.8m。门架梁总长28.8m，计算跨径22.677m，左侧悬臂4.123m，右侧悬臂2m；基础采用两根直径1.8m的钻孔灌注桩接承台，立面示意见图1。

2 门架墩结构设计方案概述

2.1 方案一：现浇预应力钢筋混凝土结构

门架梁采用现浇预应力钢筋混凝土结构，立柱为普通钢筋混凝土，梁柱固结。门架梁为2.8m×2.6m矩形截面，端部梁高1.8m；立柱为2.6m×2.6m矩形截面。为增强景观效果截面均作刻槽处理，见图2。

结构均采用C50混凝土，门架梁后张预应力，共布设4排15-φs15.2钢束，每排7根，采用两端张拉，单根钢束的张拉锚下控制应力为1395kPa，钢束布置见图3。立柱采用普通钢筋混凝土结构。

图1 A10门架墩立面图（单位：cm）Fig.1 Elevation of A10 portal pier（unit：cm）

图2 预应力混凝土方案断面图（单位：cm）Fig.2 Cross section of prestressed concrete scheme（unit：cm）

图3 预应力钢束布置（单位：cm）Fig.3 Prestressed steel tendon layout（unit：cm）

2.2 方案二：钢箱门架梁结构

门架梁采用方形钢盖梁，立柱为方钢管混凝土，梁柱固结体系。门架梁为2.2m×2.5m矩形截面，端部梁高1.7m，顶底钢板厚28mm，并设4块厚28mm的腹板，板内布置12mm加劲板肋，对应支座位置处设横隔板及支座加劲板。立柱为2m×2m正方形截面，钢板厚24mm，钢管内设竖向受力主筋及箍筋，并灌注C40微膨胀混凝土，见图4a、4c。

2.3 方案三：钢-混组合门架梁结构

门架梁采用方形钢-混组合结构，立柱为方钢管混凝土，梁柱固结体系。门架梁为2.2m×2.5m矩形截面，顶底钢板厚28mm，并设4块厚20mm的腹板；顶底板内侧12mm加劲板肋，腹板内表面设置剪力钉，以增强混凝土与钢结构协同作用。立柱为2m×2m正方形截面，钢板厚24mm，钢管内设竖向受力主筋及箍筋，立柱主筋伸入梁内1.7m，强化墩梁固结效果。钢构内灌注C40微膨胀混凝土，见图4b、4c。

图4 钢箱及钢-混组合方案断面图（单位：cm）Fig.4 Section of steel box scheme and Steel concrete combination scheme（unit：cm）

3 结构有限元分析

结构分析采用Midas/Civil软件建立梁、柱、桩的空间有限元梁单元模型，如图5所示。梁柱之间采用刚性连接，运用m法计算土弹簧刚度值，通过节点弹性支承模拟桩-土作用效应。上部主梁通过支座将反力传递给门架，门架梁单元根据实际支座位置建立节点。将上部恒载和移动活载引起的支反力分离开加载至模型，取最不利活载工况下的支反力组合进行验算。

承载能力极限状态下，方案一、方案二、方案三结构控制位置的计算结果分别见表1、表2、表3。

图5 有限元计算模型Fig.5 FEM model

表1 方案一计算结果Tab.1 Calculation results of scheme 1

表3 方案三计算结果Tab.3 Calculation results of scheme 3

4 方案比选

4.1 力学指标对比

三种方案分别采用预应力钢筋混凝土结构、钢箱结构及钢-混组合结构，混凝土结构与钢结构部分力学评价标准不同，所以引入承载力储备值［2］（混凝土结构储备值=内力/承载力限值，钢结构储备值=正（剪）应力/容许应力）进行横向比较，三种方案承载力储备值对比见表4。

表4 承载能力储备值、挠度对比Tab.4 Comparison of ultimate limit states reserve and deflection

由表4可知，结构强度方案三最优、方案一其次、方案二最差；结构刚度方案一最优，方案三其次，方案二最差。

4.2 施工方案对比

预应力钢筋混凝土门架墩的施工方案为：绑扎立柱钢筋并架设侧模板，一次灌注至门架梁底，并预埋梁柱固结主筋。采用钢管满堂支架搭设门架梁施工平台，立模绑扎钢筋后整体浇筑，待龄期强度达标，后张预应力体系，最后拆除临时支撑（图6）。现场施工时间约30d。

图6 预应力混凝土结构施工示意Fig.6 Construction diagram of prestressed concrete

钢箱及钢-混组合门架墩的施工方案基本一致：绑扎钢管内部钢筋，现场焊接组装方钢管，灌注C40微膨胀混凝土。采用素混凝土基础、φ630×12mm钢管柱、工字钢等架设临时支墩，然后吊装预制门架梁构件，现场焊接。钢-混门架梁需灌注C40微膨胀混凝土，最后拆除临时支撑（图7）。现场施工时间约8d。

现浇后张拉工序耗时长、难度大，临时支架占道施工，需设置临时通行便道，导改现状交通。相比而言钢结构门架墩临时支墩少、施工周期大大缩短、现状交通影响很小、无需设置临时便道。

图7 钢箱及钢-混结构施工示意Fig.7 Construction diagram of steel box and steel concrete combination

4.3 经济指标对比

预应力钢筋混凝土门架梁方案的工程量主要由混凝土、钢筋、预应力钢束及临时便道组成。钢箱梁及钢-混组合梁门架梁方案的工程量主要由主结构钢材和填充混凝土组成。经济指标见表5～表7，其中造价计算均采用综合单价。

表5 预应力钢筋混凝土门架墩方案造价统计Tab.5 Cost statistics of prestressed reinforced concrete portal pier

表6 钢箱结构门架墩方案造价统计Tab.6 Cost statistics of Steel box structure

表7 钢-混组合门架墩方案造价统计Tab.7 Cost statistics of Steel-concrete composite structure

工程造价方面，钢-混组合门架梁方案造价最高，其次为钢结构门架梁方案（与钢-混方案基本接近），最低为预应力钢筋混凝土方案。方案一因现浇施工对现状交通的影响，需设置的临时便道占工程造价的40%；而钢箱结构及钢-混组合结方案的造价主要由主体结构材料构成，两者内充膨胀混凝土及钢材工程量差价仅为3.4万元，较预应力钢筋混凝土方案多60万元。

4.4 小结

从力学指标看，钢-混组合门架较预应力混凝土门架承载能力更高、构造更轻盈；与钢箱门架相比，钢-混结构大大改善了力学性能、有效减小了应力变化幅值、显著提高了截面刚度，并且避免了钢结构局部稳定的问题。虽然钢筋混凝土立柱受力性能优于钢管混凝土结构，但这是以增大构造尺寸为代价，影响了结构景观性，此外受弯钢筋混凝土立柱在运营阶段不可避免地会出现裂缝的问题，增加了未来的养护难度。

A10门架墩位于现状交通繁忙的道路上，混凝土结构的满堂支架施工方法势必会对现状交通造成很大的影响，因此还需设置临时交通导流便道。常规钢筋混凝土结构现浇和预应力后张的工序，需要更长的工期来实现，进而进一步拉长交通影响的周期。相比之下，钢箱及钢-混方案可在预制工厂完成大部分施工，大大减少了施工对现状交通的影响，也简化了临时支撑结构、显著缩短了施工周期。

预应力混凝土方案造价较钢箱/钢-混结构低了约60万，经济指标最佳，但考虑到钢预制构件施工周期短和交通影响小的优点，以及由此带来社会效益，综合以上分析，在本工程中，钢-混组合门架梁结构是最优方案。

5 结语

1.钢-混组合门架梁结构具有受力良好、结构轻盈、施工便捷、交通保畅等显著优势，是城市立交跨越现状道路及构筑物的优选方案。

2.内充混凝土对钢箱结构门架墩刚度提高显著，同时力学指标及局部受压稳定性均得到改善，且造价增加较小，因此同等条件下纯钢箱门架梁结构不建议作为实施方案。

3.对于无现状大流量交通、且对景观效果要求不高的区域，预应力混凝土方案在造价上更有优势，可对钢-混组合结构方案和预应力混凝土方案进行同深度比较。但应特别注意混凝土结构裂缝的控制问题。