上海中環線國定東路下匝道預制拼裝橋梁技術

2017-09-15 02:50:36沈維芳盧永成

城市道橋與防洪 2017年9期

關鍵詞：橋梁施工設計

沈維芳，盧永成

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

橋梁結構

上海中環線國定東路下匝道預制拼裝橋梁技術

沈維芳，盧永成

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

在城市中心區域的工程建設中，傳統的現澆施工方法所體現出的對環境的負面影響，越來越不能適應城市以人為本的發展理念。改變傳統的建造方式，使之邁向高效綠色，是工程建設行業發展的必然趨勢，上海市國定東路下匝道工程在中心城區首次實現橋梁承臺以上全面預制拼裝施工，使綠色工程建設成為現實，為行業的提升呈現了廣闊的前景，預制拼裝與BIM技術的結合，也使設計施工管理更加有序高效。

預制拼裝；連接技術；灌漿金屬波紋管；BIM

1 概況

隨著上海市楊浦區五角場城市副中心功能能級的不斷提升，近年來交通集聚度迅速提高，使得在中環線地面道路及主線進出五角場區域的匝道時形成擁堵（見圖1）。增設中環線內圈國定東路下匝道，可在一定程度上分流現狀交通流量，對完善中環線北段匝道系統，緩解現有中環線內圈國定東路下匝道交通壓力將起到重要作用。

圖1 中環線擁擠狀況

中環線國定東路下匝道工程位于五角場環島“彩蛋”以東約120 m處，主線橋梁拼寬段與中環線并行，至國定東路路口右轉，并沿國定東路向南延伸，跨越規劃安波路后落地，匝道工程全長518 m。中環線主線為城市快速路，設計速度為80 km/h，國定路下匝道為城市快速路，設計速度為40 km/h，荷載等級為城-B級[1]，見圖2。

圖2 國定東路下匝道橋位圖

由于中環線主線施工時眾多地下管線均移至臨近主線的外側，使得匝道橋橋墩位置設有多種管線，管線搬遷及鋪設施工耗費時間較長，為確保匝道盡快建成，只有盡量縮短橋梁現場施工工期。

工程地處繁華的五角場商圈，施工區域商鋪林立，周圍道路人車密集。橋梁如果采用傳統的現場澆筑施工方案會有很多弊端，如施工占地面積大，工地臟亂，揚塵和噪聲污染嚴重等，對交通、環境及市民出行影響很大，不適合中心城區采用，達到高效環保成為國定東路下匝道工程設計的指導思想[1-4]。

2 橋梁工程設計方案

為最大限度地縮短施工周期、降低城市建設對道路交通和市民生活造成干擾、減少對大氣環境和區域環境的影響、提升工程品質和安全質量、文明施工水平。在設計過程中對設計施工進行了一體化的研究工作，以不中斷交通、減少現場工作量，減小施工作業面、外形盡量與老橋協調為橋梁設計原則。通過多方案技術比較、風險分析、經濟論證及起吊運輸方案論證，首次在中心城區橋梁施工中采用包括上下部結構在內的預制裝配施工工藝，承臺以上構件全面在工廠預制加工，現場進行拼裝。

本工程橋梁由拼橋與匝道橋組成，全長518 m。為減少預制拼裝過程中構件的數量和吊裝運輸工作量，設計階段進行了結構的優化設計，上部結構吊裝重量控制在200 t以內，下部結構吊裝重量控制控制在100 t以內，見圖3。

圖3 橋梁跨徑布置

拼橋段，為了減小新橋結構與老橋的變形差，上部結構等寬段采用簡支變連續小箱梁，跨徑與老橋一致，采用單片梁形式，底寬1.5 m，頂寬4 m，兩側為斜腹板，有挑臂，分別為3×35 m+2×31 m，橋寬為4.35 m。變寬段為31 m簡支鋼-混凝土組合梁，橋寬為4.35～12 m，組合梁的外側形狀與小箱梁一致，梁高均為2 m，新老結構采用結構挑臂處鋼筋以鉸接形式相連的半剛性連接。

下部結構結構立柱獨柱，外形為1.4～1.9 m下圓上方型，取消了蓋梁構件。

為減小對周邊環境和管線的影響，樁基采用直徑1.2 m的鉆孔灌注樁，采取樁底后注漿措施，以減小拼橋處的相對沉降，見圖4。

圖4 拼橋斷面（單位：mm）

匝道上部結構彎道處為29 m+43 m+36 m三跨鋼結構連續梁，單箱單室，底寬為5.2 m，頂寬為7.7 m，橋寬為8 m；落地段為6跨35 m簡支小箱梁，小箱梁底寬1.5 m，頂寬3.6 m，橋寬方向由2片梁組成，濕接縫0.5 m。橋寬為8 m，梁高為2 m。匝道結構外形采用與拼橋一致的斜腹板加挑臂形式。

下部結構為帶蓋梁圓形獨柱墩，立柱直徑1.6 m，為減輕起吊重量，倒T型蓋梁取消外側常規擋塊，抗震裝置調整至梁底，蓋梁外形與小箱梁外輪廓一致。

下部樁基采用直徑0.8 m的鉆孔灌注樁。匝道斷面見圖5。

圖5 匝道斷面（單位：mm）

新型灌漿金屬波紋管鋼筋連接技術，即承臺、蓋梁分別預埋波紋管，立柱兩端伸出鋼筋，立柱鋼筋伸入承臺完成連接，蓋梁套入立柱完成連接。為確保橋墩受力性能，承臺接縫面設置凹槽，使立柱與承臺接縫面避開受力較大位置[3]，并以M60高強砂漿完成構件間的拼接，見圖6。

圖6 橋梁構件示意圖

工程共有立柱16根，蓋梁8個，小箱梁17片，鋼-混凝土組合梁1跨，鋼結構連續梁3跨，共50個構件均采用裝配式施工，只有橋臺和部分防撞護欄為現場澆注混凝土，承臺以上構件預制裝配率達到81.7%，屬國內領先水平。

本工程為上海市交通建設工程首批裝配式示范項目之一，也是楊浦區基礎設施建設“雙十”重大項目。

3 新型連接技術的試驗研究

在《灌漿金屬波紋管的連接構造力學行為研究試驗》中，對不同直徑、不同錨固長度鋼筋在波紋管內居中和貼邊的拉拔試驗，研究該連接構造的粘結錨固性能，試驗驗證了在保證錨固長度的前提下，鋼筋在波紋管中由于施工誤差產生的偏位，對鋼筋的錨固性能的影響，見圖7、圖8。

圖7 拉拔試驗模型

圖8 鋼筋拉拔試驗

工程中橋墩根據不同類型，在立柱中采用了不同的鋼筋：直徑為36 mm、28 mm、25 mm，試驗對這幾種鋼筋錨固長度30D和35D，進行居中貼邊拉拔試驗，試件均以鋼筋斷裂形式破壞。

試驗驗證了在保證20D錨固長度的前提下，鋼筋在波紋管中由于施工誤差產生的偏位，不會影響鋼筋的錨固性能。

在《預制拼裝立柱抗震性能研究試驗》中，采用擬靜力試驗方法對現澆橋墩、采用環氧膠接縫及灌漿金屬波紋管連接方式的預制拼裝橋墩、采用高強砂漿接縫及灌漿金屬波紋管連接方式的預制拼裝橋墩，兩種預制試件與現澆試件比較，兩種預制試件的承載力與現澆試件相近，總體位移能力相近，極限承載力不亞于現澆件，見圖9～圖12。

圖9 抗震試驗模型

圖10 立柱抗震試驗

圖11 環氧膠拼縫

圖12 高強砂漿拼縫

灌漿金屬波紋管鋼筋連接技術的現場施工，也證實此項拼裝方案達到了比現澆施工更優的效果，且價格約為套筒的50%。

鋼箱梁橋面鋪裝首次采用高強韌性混凝土，28 d抗壓強度大于80 MPa；28 d抗折強度大于10 MPa，通過模擬施工試驗，證實其強度剛度韌性及抗滲抗裂性能均能達到設計要求，并能改善鋼橋面的抗疲勞性能，確保良好的耐久性。

4 構件的預制和吊裝

本工程預制構件均在工廠集中進行構件生產，預制構件加工的施工工序均在車間進行，為施工人員提供了良好的作業環境，保證了施工作業文明環保，也保證了施工人員的固定化、專業化。

為確保預制構件安裝精度，首先要保證鋼筋模塊的加工精度，工廠引進進口設備，如高精度數字化鋼筋彎剪機和鋼筋籠滾焊機等，與BIM技術相結合，使鋼筋模塊加工精度控制在±2 mm[2]。為保證預制橋墩外觀質量，預制過程中模板采用水平安裝，鋼筋籠入模后整體進行豎向翻轉，翻轉完成后整體移動至澆注臺座，進行混凝土澆注。

橋梁工程于2016年6月5日開始樁基施工，此時橋梁施工正式全面開工。

為減小對道路交通的影響，預制構件拼裝施工均在公交停運的凌晨0時至5時進行，工廠預制完成的橋梁構件運至工地現場，進行拼裝，工地上沒有了腳手架、支架、模板，大大減小了施工的占地面積，施工期間保證高架和地面車道數不變，除了夜間臨時占一根車道拼裝施工外，白天既有社會交通不受影響。構件拼裝施工也沒有一般工地常有的噪音，數根立柱一夜間拔地而起，到了白天，人們才會驚訝于工地的變化。7月15日凌晨起吊第一根立柱，至8月9日凌晨，最后一吊鋼箱梁吊裝完成，含雨天不作業，短短26 d，50個構件全部拼裝完成。同時嚴格現場管理，在快速施工的同時，極大減小了粉塵、光、污水等污染對周邊環境的負面影響，大幅度提升了城市中心區域橋梁工程建設形象，得到社會各界的廣泛認可，見圖13～圖16。

圖13 立柱吊裝

圖14 蓋梁吊裝

圖15 新型灌漿金屬波紋管鋼筋連接技術

圖16 全線貫通

5 BIM技術應用

工程建設初期便由建設單位牽頭成立了由建設、設計、施工、監理單位組成的BIM工作小組，積極開展BIM技術的開發與應用，開發了BIM管理平臺，對施工管理起著重要的作用。

工程BIM項目為上海市建筑信息模型技術應用試點項目,同時也是楊浦區建筑信息模型技術應用試點項目。

BIM技術應用主要在設計、施工管理兩方面[4]。

在設計階段，建立全橋三維建筑信息模型，實現了三維互動漫游與動畫演示。為與老橋協調，同時滿足上部結構支座設置的構造要求，立柱形式設計為下圓上方形，為雙曲面與四個單曲面相交而成的多面體，常規二維圖紙難以表達清楚，采用BIM三維輔助出圖。

在施工階段，（1）BIM平臺實現實際進度與計劃進度的查詢，及構件狀態信息管理；（2）還可進行工程量對比等統計工作；（3）道路翻交模擬；（4）實現3D掃描將預制構件進行斷面拼接，相對傳統拼接工藝，有了質的飛躍；（5）對構件內鋼筋與預制拼裝工藝波紋管體系進行碰撞復核調整；（6）吊裝工作的每道工序，通過BIM技術經過多次3D模擬及調整后，賦予現場實施。見圖17～圖22。