兩港大道中段工程橋梁預制拼裝設計

袁慧玉

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

1 工程概況

兩港大道（新四平公路—S2）快速化工程（以下簡稱兩港大道中段工程）是臨港新片區重要的內、外連接快速路，是區域高快路網的重要組成部分，也是新片區的第一個市政大工程。

該工程位于上海市東南部，西起兩港大道的新四平公路，東至S2 滬蘆高速，路線全長13.1 km，采用高架快速路+地面道路形式敷設，近期高架全長8.45 km，新楊公路至妙香路以西為地面道路。主線高架沿線由西往東共跨越了11 條橫向道路及7 條現狀河道，設置了4 對上下行匝道，見圖1。

圖1 全線方案示意圖

兩港大道中段工程主要技術標準：主線高架及主線地面道路為城市快速路，雙向六車道，設計車速為80 km/h，標準段橋寬26.1 m；匝道為單向兩車道，設計車速為40 km/h，橋寬8.5 m。全線采用預制拼裝法施工，共有預制小箱梁1 562 片、預制蓋梁361 榀、預制立柱627 節、鋼-混凝土組合梁13 聯（主跨跨徑從4～75 m 不等），預制裝配率達90%，工期1.5 a。

在確定設計施工方案之前，設計與施工單位對預制場的生產能力、運輸線路以及起吊、裝配能力進行了調研，并對運輸線路沿途的道路、橋梁進行排查，確保預制構件運輸安全、可靠。

2 預制小箱梁

兩港大道中段工程簡支轉連續預制小箱梁一般2～5 跨一聯，頂、底板平行，橫坡由梁底支座墊塊形成。主線標準段橋面寬26.1 m，橫斷面采用6 片預制小箱梁，梁間距4.44 m，每片梁運營階段采用單支點支撐。2 片邊梁（帶預制防撞護欄混凝土底座），單片梁最大吊重約165 t；4 片中梁，單片梁最大吊重約140 t。標準段預制小箱梁橫斷面布置見圖2。

圖2 標準段預制小箱梁設計橫斷面圖（單位：mm）

本工程中30 m 標準跨徑預制小箱梁相較于上海市標準設計的簡支小箱梁，保留了標準圖中預制小箱梁的截面外形尺寸，但是，對于小箱梁之間的濕接縫、挑臂構造、支承以及配束配筋進行了調整及優化。

2.1 濕接縫

原上海市標準設計預制小箱梁采用較寬的濕接縫，縫寬尺寸一般為0.5～1.6 m。濕接縫內預留的是直線型連接鋼筋，需要在現場進行焊接，導致現場的鋼筋焊接工作量很大、焊接質量不易保證，現場混凝土澆筑量也大，施工速度慢，不利于預制拼裝快速化施工的推廣。

因此，上海市政總院與同濟大學依托上海龍東大道（羅山路—G 1503）改建工程針對鋼筋現澆濕接縫以鋼筋形狀、接縫材料、接縫寬度、鋼筋橫向布置、橫向鋼筋數量等構造參數為變量，研究接縫受力過程中開裂特性、應力重分布過程，揭示接縫破壞模態及傳力機理[1]。結合該研究結果，龍東大道改建工程初期預制小箱梁橋面板濕接縫采用C 80 鋼纖維混凝土，濕接縫上口寬400 mm、下口寬300 mm，預留U形鋼筋等間距交錯布置不焊接，間距為10 cm。U 形鋼筋在濕接縫內形成環形搭接，搭接長度240 mm，形成核心混凝土。具體構造見圖3。

圖3 C80 鋼纖維混凝土濕接縫連接圖（單位：mm）

后經現場實際施工操作，發現C 80 鋼纖維混凝土存在現場泵送時易堵管的情況，混凝土澆筑質量不易控制的缺陷，故后期改用現場施工質量可控的C 60 鋼纖維混凝土，并加寬了濕接縫尺寸。濕接縫上口寬450 mm、下口寬350 mm，核心混凝土U 型鋼筋搭接長度290 mm。具體構造見圖4。該構造形式減少了大量現場焊接鋼筋的工作量，大大提高了施工效率。故，兩港大道中段工程根據龍東大道改建工程的經驗，預制小箱梁橋面板也采用了與圖4 一樣的構造形式。

圖4 C60 鋼纖維混凝土濕接縫連接圖（單位：mm）

濕接縫內預留的U 型鋼筋按橋面板構件設計。核心混凝土內加強鋼筋按《橋梁預制拼裝技術》[1]第2.6.2.4 節公式2.6-32～2.6-34 驗算核心截面承載力。具體公式如下：

U 形鋼筋屈服條件[1]

U 形鋼筋所圍核心混凝土加強鋼筋計算取值條件[1]

式中：fsu，d為U 形鋼筋的抗拉強度設計值，MPa；Asv為一個U 形鋼筋雙肢總截面面積，mm2；c 為混凝土的黏結強度，MPa，取2.8 MPa；Acv為U 形鋼筋交錯重疊部分所圍核心混凝土投影平面的凈面積，mm2；fsv，k為核心混凝土加強鋼筋的抗拉強度標準值，MPa，當fsv，k＞400 MPa 時取400 MPa；Asv為核心混凝土加強鋼筋的截面面積，mm2，當實際持有的截面面積超過式（2.6-33）或式（2.6-34）限值時，則將其中較小的限值代入式（2.6-32）計算；α 為接縫兩側相鄰U 形鋼筋圓端頭連線與U 形鋼筋軸線的夾角，（°）；fck為接縫混凝土的抗壓強度標準值（MPa）；K 為混凝土界面的極限剪切強度，MPa，取10.3 MPa。

經計算，兩港大道中段工程預制小箱梁箱室間橋面板厚需要250 mm，預留U 型HR B 400 鋼筋直徑取22 mm 時，橋面板極限承載能力及裂縫寬度均能滿足現行規范的要求。

工程實際中核心混凝土內設置了8 根直徑10 mm HR B 400 加強鋼筋，按公式2.6-32 驗算，公式左邊一根U 型鋼筋的屈服力為250.9 kN，公式右邊核心截面承載力為410.9 kN，滿足要求。

2.2 優化挑臂構造

城市高架因上下匝道的設計需要，免不了使橋梁結構存在變寬段。兩港大道中段工程將預制小箱梁的箱室部分、邊梁外側挑臂及現澆濕接縫縫寬做成標準等寬，以邊梁內側挑臂及中梁挑臂長度來進行調整。為了方便施工、提高模板的適用性，方便挑臂長度的變化，預制小箱梁挑臂由原來標準圖的變高度優化為等高度形式。優化后減少了現場的施工工作量，方便了施工，縮短了施工工期。

2.3 優化支承設計

為了提供較好的行車舒適度，兩港大道中段工程標準段采用結構先簡支后連續的預應力混凝土小箱梁。每片預制小箱梁在中墩處設一個永久支座及兩個臨時支座，邊墩設一個永久支座。預制小箱梁在架設時中墩處先使用臨時支座支承，每片梁由三個支座支承，確保施工階段支座不出現脫空現象。等橋面板濕接縫及橫隔板混凝土澆筑完成并到達強度，形成整體后，進行體系轉換，中墩處臨時支座轉換成永久支座。

3 下部結構預制構件連接

預制拼裝的下部結構主要包括了立柱與承臺、立柱之間、立柱與蓋梁之間以及蓋梁之間的拼裝。目前國內外預制拼裝技術大致有以下幾種：（1）采用有粘結后張預應力筋連接；（2）灌漿套筒連接；（3）灌漿金屬波紋管連接；d、插槽式聯結；（4）混凝土濕接縫連結（鋼筋焊接或搭接）；（5）承插式聯結；（6）超高性能混凝土UHPC 連結。這幾種方法從接縫處力學性能及其抗震性能、施工難易性、復雜性、工期長短、現場澆筑混凝土工作量等方面都各有特點和利弊。目前，上海市采用較多的是灌漿套筒連接及部分采用灌漿金屬波紋管連接的方法。其連接構造及力學性能類似，在正常使用條件下的力學性能與傳統現澆混凝土構件均相近，都具有現場工作量較小、施工所需時間較短的優點。相對于金屬波紋管連接，連接套筒施工精度要求較高，而經濟性稍優于連接套筒。下面是承臺、立柱與蓋梁現場拼裝圖，見圖5、圖6。

圖5 預制立柱與現澆承臺的拼裝連接圖

圖6 預制蓋梁吊裝圖

兩港大道中段工程預制橋墩主要有兩種結構形式：大挑臂蓋梁雙柱式橋墩及三柱和四柱門架墩。由于受到預制蓋梁吊裝運輸重量小于250 t的限制。經計算，當大挑臂蓋梁采用C 60 混凝土，長25 m，截面尺寸為高2.6 m、寬2.0 m 的T 型截面時，吊重為248 t，小于250 t的限值，滿足吊裝運輸的要求及受力需要。本工程為了提高預制裝配率，將三柱和四柱門架墩進行分段，使分段后的構件吊重小于250 t。為此，四門墩分成兩個雙柱墩，中間設2 cm 變形縫，運輸至現場后直接拼接在立柱上，形成門架。三門墩分成一個大挑臂雙柱墩和一個獨柱墩，之間用1.6 m 長的濕接段連接。分縫位置需要避開上部結構支座，濕接段選取蓋梁受力較小的區域。詳見圖7、圖8。

圖7 四門墩分縫示意圖

圖8 三門墩分縫示意圖

本工程預制立柱與預制蓋梁的拼裝采用鋼筋錨固用灌漿波紋鋼管的連接方式。該連接節點構造細節設計應按現行《城市橋梁抗震設計規范》[2]第8 章進行設計。如，墩柱縱筋的錨固和搭接長度應按第8.1.6 條[2]設計；節點橫向和豎向箍筋配置應按第8.2.2 或8.2.3 條[2]設計。

針對門架墩端節點除以上所述構造細節外，尚需將蓋梁內上下緣受拉鋼筋在端節點側面下彎或上彎后焊接連接，以確保鋼筋在節點范圍內傳力可靠，見圖9。

圖9 門架墩端節點構造設計示意圖

4 鋼-混凝土組合連續梁

多跨變高度鋼-混凝土組合梁，既可以避免鋼梁正交異性橋面板的疲勞和鋪裝問題，又具有良好的受力性能、綜合了鋼結構和混凝土結構各自在施工性能、耐久性、經濟性等方面優點。隨著我國經濟以及建筑材料的發展，近年來，在大跨橋梁中越來越多地替代了預應力混凝土連續梁，被較多采用。因變高度連續梁在路口處，梁高相對較低，故，下穿車輛沒有壓抑感，而且，梁底為弧線，線條順暢，橋梁外觀較美觀。

兩港大道中段工程在跨越路口時，均采用較大跨徑跨越，全線共有12 聯鋼-混凝土組合梁，跨徑組合詳見表1（邊中跨比例一般控制在0.65～0.75之間）。

表1 鋼-混凝土組合梁匯總表

對于大跨度連續組合梁來講，中墩支點負彎矩區橋面板混凝土受拉的設計是重點。本工程中支點負彎矩區橋面板縱向采用鋼筋混凝土構件限制裂縫寬度的設計方法，按公規[3]驗算的裂縫寬度控制在不大于0.13 mm。該方法取消了預應力布置，簡化了構造、方便了施工。

通過設置臨時支墩，對橋面板進行分段施工，控制其施工順序，以減少中墩支點處的負彎矩內力。橋面板施工分段見圖10。圖11 為組合梁混凝土澆筑順序：搭設臨時支撐，澆筑正彎矩區混凝土；拆除臨時支撐；澆筑負彎矩區混凝土；連接后澆帶區域正、負彎矩區鋼筋，澆筑1.5 m 后澆帶混凝土。

圖10 組合梁臨時支墩及橋面板分段示意圖

圖11 組合梁主要施工順序示意圖

6 結語

目前，我國正在進行城鎮化建設，產城融合需要有與之匹配的城市基礎設施，預制裝配式施工是實現低碳化建設、綠色施工的有效手段。近年來上海市的預制裝配化施工工程較多，在全國屬于較領先的地位。兩港大道（新四平公路～S2）快速化工程在高架橋梁總體布置、預制結構設計、預制拼裝細節處理及施工工藝等方面都繼承了以往工程的成功經驗，并在此基礎上根據工程自身特點有所創新。本項目的工程經驗可以為其它類似工程做參考。