滬杭高速公路橋改建工程總體設計特色與技術創新

湯岳飛

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

1 工程概況

杭申線（上海段）航道位于上海市西南部，起于上海市和浙江省省界，橫穿青浦、松江地區，至分水龍王廟，全長17.24 km。杭申線（上海段）跨航道橋梁改建工程包括滬杭高速公路大蒸港橋改建和三和橋、朱楓公路大蒸港橋、蒸浦大橋、滬杭高速公路橋四座橋梁防撞工程。

滬杭高速公路大蒸港橋位于上海市松江區，老橋建成于1997年，總長1570.64 m，由南向北依次上跨老滬昆鐵路、在建新滬昆鐵路、杭申線III級航道和下穿S32高速公路（見圖1）。老橋為分離式兩幅橋，單幅橋寬15.75 m；上部結構標準段為20～22 m空心板梁，跨滬昆鐵路和杭申線航道為35～40 m簡支T梁；下部結構為框架式橋墩、預制打入方樁、輕型橋臺。

圖1 滬杭高速公路橋改建工程地理位置圖

由于杭申線航道通航凈高提高、新滬昆鐵路線位調整和鐵路通行凈高的提高，滬杭高速公路老橋已不能滿足航道和鐵路的通行要求，因此需將老橋主橋拆除重建、對引橋進行整體抬升；同時，橋梁斷面考慮近遠期結合，近期滿足上海市干線高速公路規劃雙向6車道規模要求，遠期滿足改為城市快速路雙向8車道標準要求，因此，滬杭高速公路斷面布置上還需對老橋進行拼寬。

改建后滬杭高速公路橋平面線位與老橋相同，并在杭申線北側與S32預留匝道相接；改建橋梁長度為1730.58 m，分離式雙幅橋布置，標準段單幅橋寬18.25 m，與S32匝道相接處單幅橋寬22.25 m，橋梁總面積為65968.596 m2，橋梁工程建安費約3.2億。

2 主要技術標準

2.1 航道技術標準

杭申線航道按Ⅲ級通航標準建設，設計最高通航水位3.90 m，設計最低通航水位1.75 m，有效的通航凈寬需不小于42.5 m，有效的通航凈寬范圍內通航凈空高度需不小于7.0 m，各通航孔兩側的側高不小于6.0 m，如圖2所示。

圖2 杭申線III級航道通航尺度斷面圖（單位：m）

2.2 橋梁技術標準

（1）道路等級：高速公路。

（2）設計車速：120 km/h。

（3）荷載等級：

公路Ⅰ級（新標準，適用于新建橋梁部分）；

汽車—超20級，掛車—120標準（老標準，適用于老橋改建部分）。

（4）橋梁凈空：

橋梁通航孔凈高：7.0 m；

跨越老滬昆鐵路凈空：6.55 m；

跨越新滬昆鐵路凈空：7.96 m。

（5）橋梁設計安全等級：新建橋梁部分采用一級。

（6）橋梁結構的重要性系數：新建橋梁部分γ0=1.1。

（7）抗震設防標準：

新建橋梁部分：抗震設防烈度7度，地震動峰值加速度0.10 g，橋梁抗震設防類別為B類，橋梁抗震設防措施等級為8度；

老橋改建部分：維持老標準。

3 總體設計

3.1 總體設計原則

3.1.1 保證交通

滬杭高速公路是連接上海和杭州的主要汽車通道，交通量大；其上跨的老滬昆鐵路為聯系上海-昆明方向重要鐵路干線，交通繁忙；杭申線航道是連接上海與杭州的主要內河航道，船只眾多。針對以上限制條件，老橋改建必須保證施工期間滬杭高速公路、滬昆鐵路和杭申線航道的暢通。

3.1.2 環保節約

老橋建成于1997年，經檢測，老橋結構總體工作性能良好，本著可持續發展的理念，改建工程應充分利用老橋結構，避免大拆大建造成的環境影響和經濟浪費。

3.1.3 施工可行

改建工程施工限制條件多，橋梁結構應便于施工，適當減少施工難度，在施工中體現集中、方便、快速、文明的特點。

3.1.4 技術創新

在保證結構安全的前提下，老橋改建應盡量使用新技術、新工藝，體現橋梁建設的最新成果。

3.2 工程總體設計

滬杭高速公路橋改建工程總體上分為主橋和引橋兩個部分，其中主橋為2×75 m連續組合箱梁，分離式雙幅橋布置，單幅橋總寬22.25 m，主橋懸臂下方掛有人行通道，通過航道兩岸坡道與地面順接供附近居民過河；引橋按分離式雙幅橋布置，標準段單幅橋寬18.25 m，共分為六部分（見圖3）。

第一為老橋引橋頂升利用段，全長524 m，分為三聯進行整體頂升；

第二為老橋引橋吊開接高利用段，全長718 m，將老橋板梁吊開后對橋墩進行接高利用；

第三為老橋拼寬段，標準段單幅橋外側拼寬2.5 m，A15立交主橋附近最大拼寬寬度為6.5 m；

第四為老滬昆鐵路兩側引橋廢棄板梁改建段，共兩聯異型現澆空心板梁；

第五為新建滬昆鐵路段，上跨新滬昆鐵路采用50 m現澆簡支箱梁，鄰跨配置T梁或空心板梁；

第六為老橋臺后新建段，老橋整體抬高后需新建一段引橋與現場道路順接。

為盡量減小施工期間對滬杭高速公路的影響，工程采取半幅通車、半幅封閉施工的方案改建，即先將一幅老橋改造成雙向4車道維持現狀交通，另一幅橋封閉進行改建施工，改建完成后再進行翻交（見圖4）。

圖3 滬杭高速公路橋改建工程總體構成示意圖

圖4 施工期間交通組織設計示意圖（單位：m）

3.3 主橋結構設計

老橋跨杭申線航道為（35+40+40+35）m四跨一聯簡支T梁，水中共設三個橋墩，梁底標高不滿足III級航道通航要求。為滿足航道雙孔單向通行凈寬要求，新建主橋需拆除老橋兩個次邊墩，將老橋中墩改造為主橋主墩，跨徑調整為2×75 m；主橋分離式雙幅橋布置，因S32加減速匝道布置要求，單幅橋總寬增加至22.25 m。受杭申線通航凈高和已建S32相交匝道標高控制，新建主橋應采用梁高較小的結構形式。經過比選，最終采用等高度單箱單室大懸臂鋼-混凝土組合箱梁，梁高4.0 m。為滿足杭申線兩側行人過河需求，主橋內側懸臂下外掛1.25 m寬人行道。由于老橋主墩樁基礎采用450 mm截面方樁，通過鉆孔樁和鋼管樁成樁方案比選，主橋主墩推薦采用φ609 mm鋼管樁基礎，以方便水上基礎施工，橋墩為實體鋼筋混凝土結構，并設有分離式防撞墩及橡膠緩沖墊。

大懸臂組合箱梁由槽型鋼主梁和混凝土橋面板兩部分組成，典型斷面如圖5所示。

圖5 組合箱梁典型斷面示意圖（單位：mm）

鋼主梁采用Q345qD鋼材。箱梁頂板寬1.2 m～1.5 m，板厚30 mm～46 mm；底板寬8.15 m，板厚26 mm～36 mm，設有 9道 20 mm×300 mm“T”肋；兩道腹板等高布置，板厚20 mm～36 mm，腹板受臨時墩及頂升回落施工影響，上緣及下緣各設一道6 mm厚“U”形縱向加勁肋，間距2 m左右布置一道14 mm×210 mm的T形橫向加勁肋。鋼主梁以4.0 m或4.3 m間距設置跨中空腹式橫梁和支點實腹式橫梁，橫向連結系對應位置設φ299 mm×16 mm無縫鋼管作為懸臂部分斜撐。為保證槽型鋼主梁吊裝過程中的穩定，邊支點、中支點、臨時吊點和臨時支撐點附近均設有由φ203×10 mm無縫鋼管組成的水平聯接撐。鋼主梁通過布置于鋼梁頂板的圓頭焊釘剪力釘與混凝土橋面板連接，剪力釘直徑22 mm，高度為200 mm，順橋向間距150 mm～300 mm。

混凝土橋面板現澆部分寬度22.05 m，板頂橫坡單向2.0%，板底與鋼箱梁頂板接觸部分為平坡，其余均為斜坡，橋面板板厚均為300 mm，采用C50復合纖維混凝土。橋面板按允許開裂、控制裂縫寬度的原則設計，縱向不設置預應力，普通鋼筋適當加強；橫向按0.45 m標準間距設置15-3型橫向預應力以平衡大懸臂產生的較大負彎矩拉應力。橋面板內無縱向預應力的設計既方便了施工，也為后期橋面板更換提供了可能性。

主橋在中支點前后12 m范圍內采用雙層組合結構，即除頂面混凝土橋面板外，在鋼梁底板上設置350 mm～500 mm厚的雙結合混凝土，通過剪力釘與鋼梁底板結合，通過混凝土參與中支點底緣受壓，達到減小鋼板厚度、調整結構內力分布的目的。

對組合結構橋梁，通過合理的施工方案可以調整鋼結構與混凝土結構分擔總體受力；該工程主橋主要采用分段澆筑混凝土橋面板和鋼梁頂升與回落調整內力分配。

3.4 老橋改建設計

老橋跨現狀滬昆鐵路處為兩跨35 m簡支T梁，與鐵路逆交35°。為了施工時不能中斷鐵路運營，經上海鐵路局論證通過，老橋頂升是鐵路局唯一認可的改建方案。考慮到減小頂升時的偏心荷載，頂升范圍確定為跨鐵路的兩跨T梁及其前后各一跨空心板梁，即（22 m空心板梁+2×35 mT梁+22 m空心板梁）共144 m一聯頂升，同時將該頂升聯前后的斜交轉正孔異型空心板梁予以拆除重建為現澆異型空心板梁。跨鐵路頂升聯最大頂升高度為4.641 m，頂升高度大（最大達4.641 m）、頂升后立柱高度高（最高達16.828 m）、同時頂升聯長大、頂升時橋面縱坡有調整、頂升同步要求高等特點。頂升難度、風險大，為驗證頂升工藝的可靠性，開展了《長聯超大幅度橋梁頂升關鍵技術研究》科研項目，2010年獲得了專家評審通過，更具有施工操作可行性，大大降低了頂升風險。

受航道和鐵路標高控制，改建后橋梁標高比老橋標高增加最大7.399 m，改建后橋墩立柱高度最大達17.649 m，若采用頂升方案，則頂升高度和頂升支撐高度均過高，頂升風險和難度過大，故對不受鐵路影響、抬升高度大的老橋部分選用吊開空心板梁接高橋墩方案進行改建，即先將老橋空心板梁吊開、拆除老橋蓋梁，對老橋基礎補打鉆孔灌注樁、對承臺進行幫寬加厚，對立柱進行加粗接高，再新建蓋梁，最后將經檢驗合格的老橋板梁重新吊裝，涉及板梁利用率問題經上海市建交委科技委專題會議確定為60%。

頂升和吊開接高兩種方案，與老橋下部結構改造方法類似，均需按靜力和抗震計算結果，對老橋基礎進行補強、對承臺拼寬加厚并對立柱加粗接高。基礎補強采用鉆孔灌注樁，以盡量減小樁基施工對老橋結構的影響。承臺加寬加厚部分通過植筋與老承臺進行連接。頂升方案一般選擇在柱底位置切斷老橋立柱，將立柱上端和蓋梁及上部結構一起頂升，老橋蓋梁直接利用；吊開利用方案則選擇在柱頂切斷立柱將老蓋梁拆除，立柱接高加粗后再按新規范新建蓋梁。立柱切斷后通過機械連接將原立柱內鋼筋接長，通過植筋將立柱底部加粗，如圖6所示。頂升方案需在下部結構改建完成后進行二次頂升更換老橋支座，吊開方案利用新建蓋梁直接換用新支座。

老橋頂升采用頂蓋梁方案，即將老橋立柱在柱底一定高度截斷，用液壓千斤頂同步頂升老橋蓋梁到設計標高。液壓千斤頂分兩組布置在每個老橋立柱周圍，其中一組作為工作頂起抬升作用，另一組作為跟隨頂在頂升時同步跟隨蓋梁抬升，起到安全保證的作用。整個液壓千斤頂系統通過計算機自動控制技術保證頂升的同步性。

頂升支撐體系是頂升施工安全的關鍵所在。該工程頂升支撐體系高度較高，采用常規鋼管支撐風險很大，設計采用了先搭設固定的混凝土頂升平臺、再在平臺上安裝可接高的鋼管體系組成的支撐體系；同時混凝土頂升平臺能約束截斷老橋立柱，起到頂升時的限位作用。

3.5 老橋拼寬設計

滬杭高速公路老橋為分離式兩幅橋，單幅橋寬15.75 m；改建工程按遠期雙向8車道（不設應急停車帶，車道寬3.75 m）一次辟筑，單幅橋寬18.25 m，每幅橋外側需拼寬2.5 m。為了與S32高速公路預留的兩條匝道相接，分合流口拼寬寬度為6.5 m。

拼寬部分位于老橋外側，采用與老橋一致的橋跨布置。考慮到拼寬部分與老橋結構剛度應盡量一致，標準段拼寬部分上部結構與老橋相同，采用20 m～22 m簡支空心板梁；跨老滬昆鐵路老橋為35 m簡支T梁，拼寬寬度僅2.5 m，若采用T梁拼寬則自身穩定性較差，故采用35 m跨簡支小箱梁拼寬；S32匝道分合流口拼寬部分為變寬異型結構，采用簡支現澆箱梁以適應復雜的平面線形變化。拼寬2.5 m部分下部結構采用獨柱墩，鉆孔灌注樁基礎接承臺；變寬部分下部結構采用雙柱墩、鉆孔灌注樁接承臺。

圖6 老橋立柱改造方案（單位：mm）

老橋拼寬的關鍵在于新老結構的連接，經多方案比選，該工程采用“上連下不連”的連接方式（見圖7）。老橋外側防撞欄拆除后，鑿除老橋邊梁部分懸臂，露出原板梁內鋼筋與拼寬板梁預留鋼筋一一對應焊接，最后澆筑微膨脹碳纖維混凝土將新老梁體連接成一體，同時在拼縫位置設一凹槽并嵌入防水密封膠以釋放不均勻沉降可能造成的拉應力。

圖7 拼寬結構連接示意圖（單位:mm）

老橋基礎采用預制方樁，拼接下部結構為減小樁基施工對老橋的影響，采用鉆孔灌注樁。設計選用較小樁徑、較多樁數、適當樁長，輔以樁底后壓漿技術來控制沉降，在上部結構施工前還要求基礎預壓進一步減少工后沉降。由于拼寬獨柱墩高度較大（最大18.628 m），橫向穩定性較差，設計采用可限制橫向位移但允許豎向位移的裝置將新老蓋梁進行“弱連接”，以改善獨柱墩的橫向穩定性（見圖8）。該裝置有錨栓和預埋鋼板組成，其螺栓孔呈長圓端形，可允許螺栓豎向位移但不可橫向位移，達到對拼寬蓋梁橫向限位同時允許其豎向沉降的目的。

圖8 新老蓋梁弱連接示意圖

4 設計特色及技術創新

該工程設計有如下特點及技術創新點：

（1）改建工程充分利用老橋結構，通過頂升、板梁利用及拼寬等措施，最大限度地利用了既有資源，避免了完全拆除重建造成的大量廢棄物，節約資源、保護環境，體現了可持續發展的設計思路；利用分幅施工、分幅維持交通的方案，避免了臨時交通便橋工程，降低了工程造價。

（2）設計方案保證了交通暢通，通過分幅實施保證滬杭高速公路不中斷、利用頂升充分利用鐵路運行間隙施工減小對滬昆鐵路的影響、主橋鋼結構采用大節段吊裝可維持杭申線航道現有通航狀態。

（3）主橋采用連續鋼-混凝土組合結構梁，并進行了精細化分析和施工方案優化，其22.25 m橋寬大懸臂截面形提高了鋼梁利用效率、通過頂升回落等施工手段進一步優化了結構受力，充分利用了組合結構鋼結構受拉、混凝土受壓的結構特性，實現了較好的全壽命經濟技術指標；同時，組合結構橋梁的混凝土橋面板直接承受車輪荷載的作用，且橋面板處于橋梁結構的頂層，各種有害物質通過裂縫對橋面板中鋼筋產生侵蝕作用，降低橋面板的工作性能和承載能力，因此混凝土橋面板因為養護不當或不到位，引起的損害問題不容忽視。混凝土橋面板產生裂縫幾乎是不可避免的，如果要求混凝土橋面板設計壽命與鋼結構相同，有可能大大提高橋梁建造成本。因此，從橋梁全壽命經濟性設計觀點出發，該橋混凝土橋面板設計為可更換結構，結合九堡大橋的有益設計經驗，在橋梁設計時提出了混凝土橋面板更換修補預案。

（4）大規模采用頂升工藝進行老橋改造，具有頂升高度大、支撐體系高度大、頂升長度長等特點；設計采用的混凝土平臺加常規鋼管的頂升支撐體系具有整體性好、體系剛度大、可有效限位等優點，很好地解決了施工難度、降低了施工風險。

（5）老橋板梁吊開，既充分利用了老橋結構、又避免了過大高度的頂升風險，是高墩老橋改建的一種較好方案；承臺拼寬加厚、立柱接高加粗充分利用了植筋、新老混凝土連接等技術，體現了老橋改造的新技術。

（6）老橋拼寬結構合理選型，保證了新老橋梁總體剛度一致；采用“上連下不連”的連接方式，減小了拼寬對老橋結構的不利影響；蓋梁弱連接構造有效地限制了拼寬獨柱墩橫向位移，保證了橋墩橫向穩定；采取樁底后壓漿和預壓工藝，有效控制了拼寬結構的基礎沉降。

5 結語

滬杭高速公路橋改建工程集合了近年來迅猛發展的內河航道整治跨航道橋梁改建、高速公路橋梁拓寬改建和跨鐵路橋梁改建等多種類型工程的特點，綜合采用了大跨徑鋼-混凝土連續組合梁橋、橋梁頂升、橋梁拼寬等手段，很好地解決了該工程的實際問題。隨著內河航道整治工程的迅猛發展、高速公路改建工程的大量涌現，以及鐵路建設日新月異導致涉鐵工程顯著增多，將有更多類似工程出現。該工程的解決思路和設計方案可作為類似工程的參考。

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