立交桥毕业设计

第1章绪论
1.1立体交叉的发展
上世纪20年代初，新建城市中构思采用多层、空间交叉的高效快速交通系，就已在国外提出并建成。

美国在上世纪20年代就开始修建立体交叉，1928年美国在新泽西州的两条道路交叉处修建了世界上第一座公路立体交叉。

该立体交叉为全苜蓿叶式，平均每昼夜通过的交通量达到62500辆，高峰小时交通量达6074辆。

1930年又在芝加哥建成了第一座拱式立体交叉桥，到1936年已建成125座立体交叉桥。

1931年到1935年，瑞士在斯德哥尔摩建成了著名的斯鲁先立体交叉，该立体交叉采用了3个小环道的部分苜蓿叶式立交解决交通问题。

德国自第二次世界大战之前即开始修建高速公路，战后继续修建，其标准和质量之高是举世闻名的，由于高速公路是不收费的，因此，从1935年开始修建了大量的苜蓿叶式或部分苜蓿叶式立体交叉，这种立交只需修建一座跨线构造物，匝道可以用土方填筑，降低了造价，而且适宜于分期修建，使部分苜蓿叶式立体交叉易于改建为全苜蓿叶式立体交叉。

1936年，加拿大在安大略省别尔里格顿城附近的公路上建成第一座三路喇叭式立体交叉，1937年在克列奇特港城附近的米德尔-鲁乌德公里与10号干线公路相交处修建了一座全苜蓿叶式立体交叉，1938年又在阿尔里格顿城附近建成了第一座四路环形立体交叉。

二次世界大战后，随着汽车保有量的急剧增加，人类活动时空观的转变，要求运输方式的快速化，使高速公路应运而生。

由于传统的平面交叉不能适应高速公路特性的要求，代之而起的是空间立体交叉的交通分配模式。

上世纪50年代中期开始，美、英、法、德和日本等国开始大量修建高速公路，立体交叉向多层化方向发展。

进入60年代，澳大利亚、西班牙、墨西哥、加拿大、捷克斯洛伐克、南斯拉夫以及一些发展中国家也加入了大量修建立体交叉的行列。

到目前，各国陆续修建了大量的立体交叉，并逐步地形成了不同的特色和风格。

比如，美国国土辽阔，立交形式众多，日本国土狭窄，近70%的立交形式是喇叭形或组合喇叭形；英国则以环形立交为主，特别是小环岛立交。

国外立体交叉正向着多层定向式方向发展，比如X形定向匝道立体交叉。

相对来看，我国修建立体交叉起步较晚，首先是从解决城市道路交叉口的交通问题开始的。

1955年武汉在滨江路上建成了第一座部分苜蓿叶式立体交叉，1956年，北京开始在京密引水工程滨河路上修建第三座部分苜蓿叶式立体交叉。

1964年，广州市在大北路修建成第一座双层环形立体交叉，该立交在1986年有改建为三层环形立体交叉。

从上世纪70年代初开始，北京市在二环路上先后修建了十几座立体交叉，例如，西直
门三层环形立交、二环路上的建国门立交和复兴门立交。

进入80年代后，随着我国改革开放政策的步步深入，经济的快速增长，全国各地纷纷修建高速公路和环城高速公路，1984年12月动工、1988年10月建成通车的沪嘉高速公路，是我国大陆第一条最早建成通车的高速公路。

1984年6月动工、1990年8月建成通车的沈大高速公路，长375km，为我国大陆第一条最长的高速公路。

到1998年，我国高速公路通车里程已达6258km，在这些公路上修建了大量的立体交叉。

北京市三元立体交叉、沈大高速公路大石桥立体交叉、天津中环线中山门立体交叉、广州市区庄四层环形立体交叉、大连市萨大路立体交叉、鞍山市解放路立体交叉、北京市四元立体交叉，以及上海延安中路立体交叉、延安西路立体交叉、浦东新区龙阳路立体交叉和罗山路立体交叉等都是我国立体交叉高水平发展的典范。

我国立体交叉的规划与设计，尽管起步较晚，但发展速度是举世瞩目的。

从整体来看，立体交叉正在向形式简洁、功能齐全、线路平顺、流畅美观、施工方便方向发展。

要求跨线构造物材料轻质、高强、便于连接。

规划设计将全面合理。

利用智能型CAD技术向全自动化方向发展。

线性设计向灵活、方便的曲线型设计方法转变。

施工向快速简便、工业化制造的方向发展。

这些方向将是我国立体交叉发展的趋势。

1.2 立体交叉的作用、组成及特征
立体交叉的作用、组成及特征是了解立交桥最基本元素，做设计的最重要的首先应该从最基本的开始。

1.2.1作用
立体交叉是两条或多条路线，在不同平面上相互交叉的连接人工构造物。

互通式立体交叉两条道路在不同平面上相互交叉，并用匝道连接起来的人工构造物。

它的作用。

（1）保证交通安全
立体交叉实现了线路上的空间分离，消除或大大减少了交通流线之间的相互干扰，保证车辆的流畅，安全行驶，大大降低了交通事故。

（2）提高行车速度，减少时间延误
车辆通过平面交叉路口，受到交叉口红绿灯控制、停车等候及其他侧向干扰，延误较长，行车速度较慢。

当修建了立体交叉后，实现了各向交通流线空间分离，消除了信号控制，减少城市道路上，减少了侧向影响，提高行车速度，大大减少了交叉口的延误时间。

（3）大大提高了交叉口通行能力
立体交叉设置了独立的单向转弯匝道和直行车道，是通行能力大大提高，发挥了道
路的运输的效益。

1.2.2组成
互通式立体交叉分为主体交叉部分和附属部分。

1）主体部分：包括跨线构造物、主线、匝道。

（1）跨线构造物主要有跨线桥和跨线地道两种，是实现交通六线空间分离的设施，形成立交的基础；
（2）主线是指相交道路的直行车道，有上线和下线之分；
（3）匝道是指供相交道路转弯车辆转向使用的连接车道。

它使空间分离的两条主线相互连接，形成互通式结构。

有匝道的成为互通式立交；
（4）变速车道：公车辆出入主线或交叉线之前减速或加速的路段。

当被交叉公路或道路等级较低，其计算车速与匝道计算车速接近时，可不是变速车道；
（5）过渡段：是变速车道于主线顺势衔接渐变过渡的路段。

2）附属部分：包括出口、入口、变速车道、集散车道、三角地带及立交范围内其他一切附属设施。

1.2.3特征
1）位置重要，功能明确
城市道路立交用地限制较严，往往采用非标准立交；城市道路立体交叉受地上地下各种建筑物和管线影响大。

而且确保车辆快速、安全、通常行驶发挥重要作用。

2）规模庞大，造价昂贵
立体交叉占地较多、结构尸体庞大、投资费用高。

3）工程复杂，形式多样
立体交叉桥与匝道的布置灵活多变，加上立体交叉地形和环境的复杂性，使得立交多变，类型复杂，适应不同的交通特点和需要。

4）区域制约，设计灵活
立交工程还具有很强的区域性。

它的形式、规模、造型以及结构尺寸等受到区域的特性、经济、地形地物及其它环境条件制约，如何紧密结合区域条件，做好立交规划和设计具有重要意义。

5）城市立交与公路立交的却别
城市道路立交比公路立交排水系统更为复杂，城市道路立交设计需考虑施工时，在狭小的场地条件下维持还原有的交通功能；城市立交比公路立交更为重视绿化，公路立交计算车速比城市立交车速要高。

1.3立体交叉的设计资料与步骤
1.3.1设计资料
在立体交叉设计之前，应通过实地勘测和调查，收集下列所设计资料：
1）自然资料：测绘立交范围的1：500——1：2000地形图，详细标注建筑物的建筑线，种类、面积、层高、地上及地下的各种柱和管线；调查并收集用地发展规划等资料。

2）交通资料：调查并收集个转弯及直行交通量，交通组成，推算远景交通量，制作交通量流量流向图或表，调查并收集非机动车辆和行人流量等。

3）道路资料：调查相交的道路等级、平纵面线性、横断面形式和尺寸；相交道路交角、控制坐标和标高；路面类型及厚度；确定道路净高、设计荷载、计算行车速度及平纵横技术指标等。

4）排水资料：收集立交所在区域的排水系统、现状和规划；调查各种管渠的位置、埋深和尺寸等。

5）文书资料：收集设计任务书，上级主管部门的具体要求、意见及有关文件等。

6）其他资料：调查取土、弃土和材料来源；施工单位、施工季节、工期、交通组织和安全等方面的资料。

1.3.2 设计步骤
1）立交区资料调查与收集；
2）初拟方案；
一般先在地形图上绘制出各种可能的立交方案。

方案应能满足基本设计要求、符合立交所在地点的地形条件及有关规定。

3）方案对比；
对拟定方案进行初步分析比较，选出可比方案在进一步进行深入比较。

在1：1000或1：2000地形图上，绘出各种可比方案，完成初步的平、纵面设计、桥跨方案布置和概略工程量计算，做出个方案比较表，采用不同的比较方法，全面评比选出最佳方案。

4）详细测量；
按采用方案实地放线。

进行详细测量和资料调查，收集平、纵、横设计、桥跨设计等所需资料。

5）施工图设计；
包括平面设计、纵面设计、横断面设计，结构设计附属设施设计以及预算编制等。

完成立交全部施工图标资料，并编制工程预算。

1.4立交规划和布置条件
一般而言，国内外公路公交的布置，主要根据相交公路的性质和等级而定。

交规划是一项重要的工作，是立交设计基础。

也是准备工作中最重要的一项工作之一，所以做好立交桥规划和布置条件对后期的工作至关重要。

1.4.1规划内容
立交规划是一项重要的工作，是立交设计基础。

其主要内容：
（1）立交设置依据；
（2）交叉口交通量调查、预测、计算和分配；
（3）立交设置与否的判断；
（4）立交位置、间距或设置数目的确定；
（5）立交规模、立交分类及分级、立交类型的初步确定；
（6）立交设置原则，等等。

1.4.2规划任务
立交规划是为了完成立交的前期工作，为下阶段的方案设计和初步设计提供依据。

1.4.3规划成果
1）交通量的大小及分布；
2）立交的具体位置；
3）立交的等级及立交的基本类型；
4）其他相关的技术资料。

1.4.4布置条件
一般而言，国内外公路公交的布置，主要根据相交公路的性质和等级而定。

我国《公里路线设计规范》规定。

（1）高速公路同其他各级公路相交，必须立体交叉；
（2）一级公路同其他公路交叉，应尽量采用立体交叉；
（3）汽车专用公路间相互交叉，以及汽车专用公路同交通繁忙的一般公路相交，应设置立体交叉；
（4）高速公路、一级公路同交通重要的港口、机场、车站和旅游圣地的公路相交，应该设置立体交叉；
（5）高速公路、一级公路同通往交通源的支线起点相交，应设置立体交叉；
（6）设置互通式立体交叉，应根据交通量、远景规划及其在路网中的作用，并结合地形、用地条件、投资等因素加以确定等等。

第2章总体设计
2.1概述
互通式立交桥修建目的：为了解决城市交通拥挤，实现道路顺畅。

设计结果：通过空间车辆分类、分离。

实现交通通顺。

互通式立交桥主要有以下三大类：
（1）三枝交叉互通式立交桥，包括喇叭型互通式立交桥和定向型互通式立交桥；
（2）四枝交叉互通式立交桥，包括菱形互通式立交桥、不完全的苜蓿叶型互通式立交桥；完全的苜蓿叶型互通式立交桥和定向型互通式立交桥；
（3）多枝交叉的互通式立交桥。

互通式立交桥的通行方法：
①苜蓿叶型立交桥通行方法：
通过苜蓿叶型立交桥时，直行车辆按照原方向行驶，右转弯车辆通过右侧匝道行驶。

左转弯车辆必须直行通过立交桥，然后转进入匝道再右转270度。

②环型立交桥通行方法：
通过环型立交桥时，除下层路线的直行车辆可以按照原方向行驶以外，其他车辆都必须开上环道，绕行选择去向。

2.2 工程背景
河北省邯郸市某互通式立交桥。

2.2.1原始资料
河北省邯郸市位于“凸”型地形的两条主干道（双向6车道，柔性路面结构。

一条为南北向，一条为东西向）形成“十”字交叉口，交叉口中的交叉点处的标高为100.08m，南北向的道路从交叉点往外为4%的下坡，长度为437.5m；东西向的道路从交叉口往外为5%的下坡，长度为350m。

两条道路的横坡均为3%，由于平面交叉口不适应城市交通需要，拟改建互通式立交，基本资料见下。

图2-1 主线标准横断面（单位：m）
（1）交通量组成：据统计该“十”字交叉口各路口断面高峰小时交通量为汽车7500辆，自行车1500辆，行人1200人，左右转弯的交通量各占20%；
（2）主线双向六车道，主线横断面为四幅路，其横断面尺寸如图2-1；
中间带为2m，机动车道路缘带宽为0.5m，机动车道为双向六车道，每个宽度为11.25m，两侧带宽为1.5m，非机动车道宽为3m，非机动车道路缘带宽度为0.25m，路缘石宽0.1m。

机动车道的路拱是以机动车道中心线为轴的修正的三次抛物线形，非机动车道的路拱为单面坡，坡度为2%；
主线的计算行车速度为80km/h；
（3）主线的道路路面类型为沥青混凝土路面；
（4）地质情况；地处河北邯郸市，地面往下10m为中密砂砾，15-20m为松散圆砾，20-50m为大块状硬质岩；
（5）水文条件：地下水不发育，由于大气降水补给，水量一般不大；
（6）地震基本烈度：地震基本烈度为六度，不作防震处理；
（7）气象：本地区年平均降水量为754.8mm，其中5-9月份降水集中，全年最多风向为东南风，极端最高温度为38℃，最低气温为-15.8℃，最大冻土深度为32cm；
（8）本地有石灰、工业废渣、粉煤灰、天然砂砾供应；
（9）地价：基本地价120万元/亩（含房屋、管线的拆迁）。

2.2.2主要设计内容及步骤
1）平面线型设计（包括其中的平面交叉）
确定合理的立交型式，根据计算行车速度、；地形、用地条件等选择匝道圆曲线半径，保证车辆能连续、安全地运行，并考虑美学设计，使之成为人为城市景观。

做全桥及各主线桥、各匝道的平面图。

2）纵面线型设计（含主线桥及匝道）
根据计算行车速度、用地情况，排水情况，确定主线桥、匝道的最大纵坡、竖曲线最小半径及长度，并作图。

3）桥梁设计（只要求确定合理的桥式、跨度、基础类型及其埋深，不要求作检算）根据交通量等级、地质水文资料等确定合理的桥式、跨度、基础类型及其埋深，并说明理由。

4）桥下净空高度设计
根据桥下通车要求设计合理的桥下净空高度。

5）匝道的曲线加宽、超高及其过渡设计
匝道上圆曲线应根据规定要求设置必要的加宽、超高，以适应行车需要。

加宽、超
高设置时要采取一定得方式从小到大过渡，应考虑行车、美观、占地等因素。

6）停车视距检算
根据规范要求，校核匝道的停车视距及分流点之前主线上的识别视距。

7）匝道起、终点与变速车道设计
根据用地情况、视距、行车方便等因素合理确定匝道起、终点，在分流点之前需设置减速道，在合流点之前需设置加速道，变速车道应选择型式、平面线形，设计渐变段长度及渐变率。

8）排水设计
根据原“十”字交叉口的地形特征、纵面线型设计、水文、气象等，按照规范进行互通式立体交叉范围内的排水设计。

9）通过能力检算
根据本互通式立交桥的设计情况，计算其通行能力，如若不能满足交通要求，应该修改设计，直到满足为止。

2.3选择立交形式
根据资料提供，初步选择四路互通式立交方案的造型。

四枝交叉互通式立交桥，包括菱形互通式立交桥、不完全的苜蓿叶型互通式立交桥。

完全的苜蓿叶型互通式立交桥和定向型互通式立交桥。

考虑到所建为城市道路互通式立交桥下面和车流量的统计，最终选择，部分苜蓿叶式桥型，即可满足要求。

对以下几种部分苜蓿叶式桥型方案进行简单综合评比：X形立体交叉、组合式立体交叉中的两个环圈式匝道形、无环圈式匝道形。

简单对其中几种桥型进行对比。

2.3.1部分苜蓿叶式立体交叉
X形立体交叉又称半定向式立交，是全互通式立交的最高级形式之一，其形式见图2-2。

这种立交形式具有以下优点：
（1）各转弯方向车辆运行都有专用的匝道，自由流畅，转向明确；
（2）单一的出口或入口，便于车辆运行和简化标志；
（3）无交织，无冲突点，行车安全；
（4）适应车速高，通行能力大；
但是这种形式的立交桥不可避免的存在着缺点，主要有下面两点：
（1）层多桥长，造价高；
（2）占地面积大，在城区很难实现；
由于本桥修建在城市中心位置，地价较贵，所以本方案是不太理想的
图2-2 X形立体交叉
2.3.2组合式立体交叉（含两个环圈式）
立交的左转匝道是由两个环圈式匝道和两个半定向匝道组合而成的全互通式立体交叉。

具体形式见图2-3
图2-3 组合式立体交叉（含两个环圈式）
这种类型的立交适用于两个方向左转弯交通量比较小的情况。

布设时，将环圈式匝道设于交通量较小的左转方向，另两个左转方向采用回绕程度不同的半定向式匝道。

另外，环圈式匝道可布设在同侧或者对角象限，视交通量较小的方向而定。

2.3.3组合式立体交叉（无环圈式）
当各方向左转交通量都比较大，或者因地形、地物限制的情况下，不设环圈式左转匝道，而采用由半定向左转匝道组合而成的全互通式立体交叉，具体形式见图2-3。

图2-4 组合式立体交叉（无环圈式）
这种桥型适应于相交道路等级较高，左转弯交通量比较大的情况。

布设时，合理选用半定向匝道形式，充分利用空间高度，尽量减少占地面积和降低建筑高度。

2.3.4确定立交形式
综合比较以上三种立体交叉形式，同时结合当地的具体情况（交叉口处的左转交通量大、道路等级较高、地处在市区，地价高），初步选取第二种桥型作为设计方案，即本桥采用环圈式组合立体交叉。

第3章平面设计
3.1概述
道路是一条带状的三维空间实体。

路线是指道路中线的空间形态。

路线在水平面上的投影线性称作道路的平面线性。

沿着中线竖直剖切，在行展开就成纵断面，中线上任意一装好的法相切面是道路在该桩号的法向切面是道路在该桩号的横断面。

离线设计是指合理确定路线空间位置和各部分几何尺寸的工作。

为了设计和研究工作方便，通常把路线设计分解为道路的平面设计、纵断面设计和横断面设计，三者应分别进行，但相互关联，其设计效果一般需要通告透视图来检验。

3.1.1线形选型原则
公路和城市道路的路线位置均受社会经济、自然地理和技术条件等因素的制约。

设计者的任务是在调查研究、掌握大量材料的基础上，设计出一条有一定技术标准、满足行车要求、工程费用最省钱的路线来。

在设计的顺序上，一般是在顾及到纵断面、横断面的提前下限定平面，平面先行进行高程测量和横断面测量，取得地面线和地质、水文及其他必要的资料后，在设计纵断面和横断面。

为求得线性的均衡、土石方数量的减少以及构造物的节省，必要时再修改平面，这样经过几次反复，渴望得到一个满意的结果。

路线设计的范围，仅限于路线的几何性质，不涉及结构。

结构设计在路基路面和桥梁工程等课程中讲述。

3.1.2.平面线性设计要素
行驶中的汽车导向轮旋转面与车身纵轴之间有下列三种关系：
（1）夹角角度为零；
（2）夹角角度为常数；
（3）夹角角度为变数。

与上述三种关系对应的行驶轨迹线为：
（1）曲率为零的线性，即直线；
（2）曲率为常数的线性，即圆曲线；
（3）曲率为变数的线性，及缓和曲线（回旋曲线）。

现在道路平面线性正是由上述三种基本几何线性即直线、圆曲线和缓和曲线的合理组合而构成，称之为“平面线性三要素”。

各要素所占的比例及使用频率并无统一
规定。

各要素使用合理、配置得当，均可满足汽车行驶要求。

至于它们的参数则要视地形情况和人的视觉、心理、道路技术等级条件来确定。

3.2平面设计内容
3.2.1主线设计
由于本次立交桥设计为十字交叉，所以其主线的设计可以用以上基本线性进行设计。

其中设计各要素所占的比例及使用频率并无统一规定。

各要素使用合理、配置得当，均可满足汽车行驶要求。

至于它们的参数则要视地形情况和人的视觉、心理、道路技术等级条件来确定。

并且满足规范要求即可。

3.2.2匝道设计
由于匝道线性复杂，结构多变，但是万变不离其宗。

究其根本，匝道设计本质上还是属于线性设计。

设计线性的方法很多，比较常用的是积木法和模式法。

经过本人对立交桥设计大量、多次修改，发现两种方法各有利弊，且还用共同的缺点。

积木法:设计简单，但比较盲目，只要其中一个线性选择不对，则会前功尽弃。

模式法：可以有效的控制线性的位置，但是比较复杂，工作量较大。

而它们设计共同的缺点：只能设计较短的线性，对于较长曲线的设计容易出错。

如果用书上给的线性进行设计，两种方法很难兼容。

所以在大量实践的过程，为了寻求更简单的设计方法。

并且兼容它们优缺点和弥补两种方法的缺陷，自己用简单的几何模型和数学公式推理出一种长曲线设计方法。

和在对线性的选择过程中，摸索出有效的结合三种方法的方法。

但其根本要旨在于自己选择线性。

3.2.3线性选择
1）性选择是立交桥设计的灵魂之处，对设计的质量、设计简便有决定性作用。

所以对于线性选择，不能用方法找线性。

比如使用积木法设计，边设计边找线性。

这样不是不可以，只是这样做容易陷入方法本身的缺陷中，如果没有大量的经验，容易出错。

2）计中一般用线形找方法，这样不但有利于结合以上三种方法，达到取长补短的效果，而且大大提高了设计的灵活性。

选择线性的标准，越简单越少越好，这样不但有利于施工而且可以大大节省成本，对行车舒适度有明显的提高作用。

3）如何选择线性，第一你对设计的理解高度，比如某匝道起点A、终点B。

你只
是想要从A 点到B 点。

不管我选择什么样的线性，只要能实现这个目的、满足规范要求并且不影响整个结构的设计即可。

对于线性课本上介绍了，圆曲线、直线、缓和曲线、复合曲线，但其实线性还有大量的抛物线，各类函数，以及各式几何模型等。

只要能满足以上要求，都可以使用。

3.2.4积木法和模式法
积木法：是把每条匝道都看成有一个个独立的直线段、圆曲线或回旋线段线性单元拼接而成的线性组合，只要已知匝道的起点信息或已设计好的匝道终点信息，对于任何一种线性单元，给定必要的线性参数，从匝道的起点开始，利用上述三种曲线单元之一逐段向前拼接，像搭积木一样设计出理想的匝道平面线性。

下面分别列出不同曲线在积木法中的计算方法。

（1）对于圆曲线，如图3-1所示。

tan(
)2
j
T R α= （3-1）
b b
c o s a T x x j += （3-2）
b b sin a T y y j += （3-3） j a a a ξ+=b
c （3-4） c c cos a T x x j += （3-5） c c sin a T y y j += （3-6）
图3-1 圆曲线计算图示。