超長多跨連續高架橋方案研究

潘 曉 東

(江蘇中設集團股份有限公司，江蘇 無錫 214000)

1 概述

隨著我國城市發展的進步，高架橋是解決城市快速交通的重要手段，但同時也帶來了噪聲、振動等對環境的持續性不利影響。有些特殊高精儀器企業，比如晶圓廠等，對廠房內的微振要求非常高，而高架橋通過車橋振動傳導到場地內的振動是非常重要的微振影響因素，這使得晶圓廠和高架橋的共生關系變得高度敏感，從推進高精科技經濟發展的角度來看，提高兩者之間的共生能力變得尤為迫切。

本次研究背景工程為無錫312國道改建工程途經華虹無錫半導體晶圓廠的高架橋工程。華虹地塊段范圍從微振控制角度提出以下要求：1)地塊前后200 m范圍內，采用超長連續多跨混凝土連續梁方案。2)工藝線寬為(65 nm/55 nm,其微振要求為VC-D(6.25 μm/s RMS 1 Hz～80 Hz)。

為提高高架橋和晶圓廠的共生能力，緩解市政建設和經濟建設的矛盾，基于上述微振控制特殊要求，本次研究擬以無錫晶圓廠附近約860 m長高架橋為研究對象，針對長聯多跨連續混凝土高架橋的建造技術發展需求，開展結構體系、施工方案研究。

2 工程概況

超長多跨連續高架全長866 m，橋跨布置為(17×40+60+40+43+43)m。該工程為國內首次在高架橋梁中采用長聯無縫箱梁結構。

1跨～15跨主梁為等寬單箱五室箱型截面，頂板寬33 m，翼緣寬3.5 m，底板寬25.075 m，梁高2.5 m。16跨～21跨主梁為變寬段，梁高2.5 m～3.6 m。主梁典型斷面布置如圖1所示。

本次針對超長多跨連續高架橋建造的以下關鍵技術問題進行研究：

1)超長多跨連續高架橋可行性和合理體系研究；2)超長多跨連續高架橋的合理施工方案研究。

3 超長多跨連續高架橋體系方案研究

3.1 無縫高架橋聯長

年溫差作用對于大多數連續梁橋來說僅僅改變橋梁縱向位移，產生的溫度應力很小，如果能確保支座和伸縮裝置的合理和可靠設計，基本不會對結構安全構成威脅。經過國內外工程調研，目前長聯連續混凝土箱梁橋的建設已有很多成功應用工程。1999年建成的英國A13高架橋，連續長度達到1 750 m，一共33跨，跨徑范圍在60 m～65 m。另外我國1992年建成的錢塘江二橋，連續長度為1 340 m，跨徑布置(45+65+14×80+65+45)m。可見，從工程實例來看，城市無縫高架橋聯長達到千米以上，在結構體系上是可行的。

3.2 上下部結構連接方式

上部結構和橋墩不同連接方式形成不同體系，根據國內外已有超長連續多跨梁橋的體系特點，上下部結構連接方式包括剛接、半剛接、固定支座以及活動支座4種情況(見圖2)。

3.3 總體布置方案

上部結構和橋墩不同連接方式將形成不同結構體系，在荷載作用下不同結構體系的受力不同。以本次超長多跨連續高架橋為例，根據上下部結構不同連接方式，研究比對以下幾種體系的受力情況：

連續體系(基準設計)、連續剛構體系、連續半剛構體系、多墩固定體系(3號、7號、11號、15號墩布置固定支座)。

橋墩編號示意圖見圖3。

計算考慮荷載工況如表1所示，不考慮施工階段，僅對成橋結構進行分析。

表1 合理體系分析荷載作用表

在整體升降溫、汽車荷載作用下，不同結構體系受力對比匯總如表2所示。

表2 不同結構體系受力對比表

通過不同體系的主要荷載效應的分析和比對，整體升降溫作用對不同梁橋的體系敏感性很強，而汽車荷載效應的體系敏感性低。

連續梁橋體系作為基準設計，在整體升降溫作用下，結構內的彎矩、軸力以及支反力等都有最好的表現。但是在地震荷載作用下，除了固定支座的橋墩，其他橋墩如果不參與分擔地震力，很難滿足結構抗震要求。

連續剛構體系，如果不進行特殊的橋墩抗推剛度優化，單是整體升降溫產生的軸力就會在截面內產生6 MPa的平均應力增量，同時最大水平推力可以達到汽車荷載豎向壓力的5倍以上。如果對橋墩抗推剛度進行優化設計，考慮到高架橋墩高不高，混凝土上部結構體量很大，綜合受力和美觀要求，優化的空間都非常有限。

連續半剛構體系是釋放部分剛構體系內部約束的一種方式。從受力表現來看，要優于連續剛構體系，但整體升降溫產生的軸力也會在截面內產生5.11 MPa的平均應力增量，同時最大水平推力可以達到汽車荷載豎向壓力的4倍左右，同樣也需要對橋墩抗推剛度進行優化。

多墩固定體系在地震荷載作用下，可以有多個固定支座墩參與分擔地震荷載，在承受整體升降溫荷載時，在彎矩和軸力等方面有相對較好的表現，但是最大水平推力也可達到汽車荷載豎向壓力的4倍左右，對基礎受力不利，優化后也將提高下部結構造價。

綜上，如果能有合適、經濟的抗震設計方案，同時伸縮縫等附屬構造設計合理的前提下，超長無縫高架橋采用連續梁橋結構體系將在結構受力性能上獲得最好的表現。

4 超長無縫高架橋的合理施工方案研究

4.1 多跨混凝土連續梁橋施工方法比較

雖然從工程實例來看，城市無縫高架橋聯長可以達到千米級以上，在結構體系上可行。但從工程建設來看，建設的難點主要在于要解決施工階段溫差效應產生的位移對長聯混凝土梁橋的施工影響，就需要對結構體系、施工方法、施工次序、支座設置等內容進行綜合分析。

英國A13高架橋采用的解決方案是平衡懸臂拼裝施工法，達到了1 750 m的建設長度。在7月份實測得到的合龍接縫的截面變形差達到100 mm，為此采用了勁性骨架合龍和低溫澆筑接縫混凝土等手段，來克服和避免施工縫的開裂。我國錢塘江二橋的標準跨徑80 m，采用懸臂澆筑施工法，連續長度達到1 340 m。據文獻檢索，已建的500 m以上的長聯混凝土連續梁橋，基本都為大跨徑連續梁橋，都采用平衡懸臂拼裝施工或平衡懸臂澆筑施工。

懸臂澆筑施工法特別適用于大跨徑多跨連續梁橋，作業期間無需搭設支架，對橋下交通無影響，且多墩可同時進行施工，施工前期產生的墩頂負彎矩符合連續梁橋受力特點，橋梁跨越能力得以提高。但是對于中小跨徑連續梁，該方法因需要多套掛籃系統而顯得不經濟，同時施工工序多，工期長。

就地澆筑一次落架施工法最為簡單，雖然有模板以及支架材料的大量消耗，但施工方式成熟，技術要求不高，且對變寬和曲線橋梁適應性強，是很多中小跨徑連續梁橋的重要施工方法。但是受混凝土澆筑條件制約，并不適用于250 m以上的混凝土梁橋。

逐孔澆筑施工法是目前中小跨徑連續梁橋中用的比較多的一種方法，對于多跨連續梁，從橋梁開始至建設結束依次逐跨施工。可以降低一次澆筑混凝土的數量，優化預應力鋼束的長度，并允許最大程度重復使用支架和模板系統，施工周期較長，施工費用也較少。但是在施工后期，因為后期橋面更長，溫度引起的位移會非常大，模架系統需要能適應這種日溫差位移來避免施工縫開裂，對設備的要求很高。

頂推施工法需要在橋梁附近設置預制場地，城市高架橋的建設一般難以滿足該建設條件。

轉體施工法多用于河流地形特殊或橋下交通不能中斷的大跨徑橋梁，先將橋梁分為兩部分，用支架先將各自半邊橋梁結構預制成型，然后以其自身支座為轉軸將半橋轉動到橋梁預設位置進行合龍，施工費用高。

綜上，多跨連續梁橋施工方法的長聯適用性匯總見表3，可見對于中等跨徑40 m～60 m范圍內800多米長的長聯混凝土梁橋，還缺乏好的施工解決方案。

表3 多跨連續梁橋施工方法的長聯適用性

4.2 中小跨長聯連續梁橋施工方案

對于中小跨長聯連續梁橋施工，前述現有成熟施工方法都不太適用。為此提出一種新的適用于中小跨長聯連續梁橋施工方案，即“分段現澆+勁性骨架合龍”方式。

分段段長選擇3跨～5跨，分段長度在連續梁橋一次現澆的合理長度100 m～200 m范圍內。分段位置可以選擇3個地方：1)彎矩和剪力均相對較小的近反彎點位置；2)跨中合龍；3)墩頂合龍。本課題研究分段位置位于彎矩和剪力均相對較小的近反彎點位置。因為施工縫選擇在彎矩和剪力均相對較小的1/4或1/3跨處，可以避開墩頂和跨中的高應力區域，有利于在臨時和永久工況下平衡梁上彎矩，可以優化整體的彎矩分布。

具體施工過程簡單表述為：3跨～5跨設置一個施工縫，首跨和尾跨分別伸出一個長懸臂和一個短懸臂，分段橋梁采用整體澆筑施工，形成一個獨立的連續單元。多個連續單元通過勁性骨架合龍，實現長聯混凝土梁橋的架設。

預應力鋼束的布置方式為：分段預應力鋼束錨固在分段梁端，合龍鋼束通過連接器接長張拉后錨固。

分段整體現澆施工方式為：分段箱梁可以采用滿堂支架或少支架澆筑，同時在長懸端架設支撐支架，澆筑完成后，張拉分段預應力鋼束，拆除支架，但是留下支撐支架。

施工方案設計時，需要詳細考慮以下兩個方面的設計內容：

1)勁性骨架和支撐支架的設計滿足施工階段受力要求；

2)為確保成橋后線形，進行梁體施工預拱度設計。

4.3 “分段合龍”標準施工模塊分析

4.3.1分析模型

以本次超長多跨連續高架橋標準跨為基準，以四跨為一個分段，兩個分段合龍后形成八跨連續體系，建立“分段現澆+勁性骨架合龍”的標準施工模塊。

4.3.2各施工階段

各施工階段施工內容及持續作業時間見表4。

表4 施工階段

4.3.3分析結果

分段合龍施工法可以采用標準施工模塊進行，通過對標準施工模塊的受力分析，可得出以下結論：

分段合龍施工法過程中，臨時支撐架需要重點設計，設計時不需要考慮抗拉，最大設計反力標準值為9 805.8 kN，可以采用鋼管和地梁設計，設計時需考慮足夠的安全系數，以及采取預壓等措施控制反力在橫向的不均勻分配。

拆除支架后，連續梁橋中間6個墩的支反力分布范圍在27 168.9 kN～29 057.4 kN，各墩支反力分布均勻，最大支反力在近合龍位置的支點。體系轉換過程中，這個支點反力從前一階段的20 539 kN增長為29 057.4 kN。

成橋三年后，恒載作用下，連續梁橋中間6個墩的支反力分布范圍在35 299.5 kN～36 518.3 kN，各墩支反力分布均勻。可見分段合龍的方式對成橋3年后恒載作用下的支反力分布影響很小，基本和一次落架施工的支反力分布一致。

施工過程中，截面正應力范圍在-0.3 MPa～-10.6 MPa，滿足施工階段應力要求。中間連續6跨的截面正應力范圍在-4.4 MPa～-8.4 MPa，滿足施工階段應力要求。

5 超長無縫高架橋研究結論

1)通過對不同體系的主要荷載效應的分析和比對，可以發現，整體升降溫作用對不同梁橋的體系敏感性很強，而汽車荷載效應的體系敏感性低。連續梁橋體系作為基準設計，由于具有相對最少的體系約束，在整體升降溫作用下，結構內的彎矩、軸力以及支反力等都有最好的表現。如果能有合適、經濟的抗震設計方案，同時伸縮縫等附屬構造設計合理的前提下，超長無縫高架橋采用連續梁橋結構體系將是最優的梁橋體系方案。

2)對于中小跨長聯連續梁橋施工，現有成熟施工方法都不太適用。為此提出一種新的適用于中小跨長聯連續梁橋施工方案，即“分段現澆+勁性骨架合龍”方式。分段合龍施工法可以采用標準施工模塊進行，通過對標準施工模塊的受力分析，可得出以下結論和建議：

a.分段合龍的方式，對成橋3年后恒載作用下的支反力分布影響很小，基本和一次落架施工的支反力分布一致。

b.施工過程中，截面正應力滿足施工階段應力要求。

c.施工方案設計時，需要詳細考慮以下兩個方面的設計內容：勁性骨架和支撐支架的設計滿足施工階段受力要求；為確保成橋后線形，進行梁體施工預拱度設計。

3)基于分段合龍施工法，對312國道無錫段(飛鳳路—金城東路)改擴建工程超長多跨連續高架橋進行了計算，計算結果滿足規范要求。