裝配式人行天橋設計方案及施工工藝研究

吳桐，李哲一，張博恒

（重慶市設計院有限公司，重慶 400015）

0 引言

政策和技術推動著橋梁產業的升級。國務院《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》印發實施以來，以裝配式建筑為代表的建造模式快速推進，基礎設施全面轉型升級。美國聯邦公路局提出的橋梁快速建造法ABC (Accelerated Bridge Construction)以高效、綠色、智能的標準化方式創新設計和施工技術，減少結構現場施工環節，受到工程界廣泛關注。在新時期我國大力支持新型建造方式的政策背景下，國內各地也積極研究推動橋梁工業化高質量發展，積累了豐富的理論與技術應用經驗。人行天橋作為城市公共空間的功能性載體，修建數量隨城市交通建設發展與日俱增，成為裝配式建造產業的重要組成部分。

國內早期建設的人行天橋上部結構多為鋼筋混凝土梁，下部結構以現澆混凝土橋墩、人工挖孔（或機械鉆孔）灌注樁基礎為主。鋼結構作為近年來廣泛應用的人行天橋上部類型，眾多學者對其開展了系統研究，包括結構強度、剛度、穩定性等靜力承載能力和自振性能、動力反饋等動力響應特性。李德陽[1]通過建立鋼箱型截面人行橋有限元模型，分析了此類橋各構件的受力特點和承載力，并對原有結構進行優化設計。南松霖[2]對中小跨徑裝配式鋼板-混凝土組合梁橋部件的設計及構造細節進行了分析。高道文[3]以實際項目為背景，對鋼桁架橋梁在人行荷載下的振動舒適度進行了相關的研究。秦嶺[4]以舒適度為評價指標，給出了不同寬度的鋼箱梁人行橋的跨度與高跨比的函數曲線。歐美國家最早開始橋梁下部結構預制拼裝技術的應用。1955 年，美國Lake Pontchartrain 橋首次采用預制混凝土橋墩和承臺的建造方式[5]。國內于上世紀90 年代開展了預制橋墩理論和試驗的研究。上海市嘉閔高架橋為我國首個大規模采用預制裝配施工項目，橋梁上部及下部墩柱、蓋梁等均為全預制。成都市羊犀立交改造工程在國內首次采用“自鎖式預應力+灌漿套筒”連接的圓形截面花瓶墩預制拼裝，兼具景觀效果和標準性，如圖1 所示。

圖1 成都羊犀立交預制橋墩

目前，人行天橋上部結構和梯道梁尺寸和形式均不相同，下部橋墩仍采用傳統現澆方式，附屬設施的標準化程度不高。其施工期間對項目周邊環境、交通仍有較大影響，全生命周期碳排放量高，不符合橋梁工業化、綠色化等轉型升級的高質量要求。鑒于此，本文從裝配式人行天橋的基本性能、使用功能等方面出發，參考相關研究成果，研究了全過程標準化設計、施工解決方案。

1 設計方案

1.1 總體要求

裝配式人行天橋在選址和平面布置時應結合城鎮街區現有或規劃的慢行系統，統籌考慮人、車通行能力和景觀效果等因素，力求兼顧結構的功能性、美觀性和在地性。譬如山地城市存在地形高差大、視覺空間狹窄等問題，人行天橋設置點宜盡量與周邊步道連接，減少行人繞行距離。

人行天橋按結構受力體系主要分為梁橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋和剛構橋等五種橋型。為推進標準化設計、簡化施工工藝、便于后期養護，并充分考慮經濟性，裝配式人行天橋宜采用受力簡單且施工便捷的簡支和連續梁橋，跨度較大時可采用桁架橋。材料方面，混凝土結構效率較低且現場預制工序較多，質量較難控制，宜選擇鋼材及鋁合金、UHPC 等新材料。鋁合金結構具有耐腐蝕、自重輕、強度高、可塑性強等優點，用于人行天橋主梁易于施工吊裝，且可減少基礎尺寸[6]。超高性能混凝土(UHPC)作為一種輕質、高強、耐久性好的水泥基材料，能顯著減小截面幾何尺寸及鋼筋用量，提高受力性能，并降低后期維護費用[7]。

裝配式人行天橋主體結構的計算應符合現行《城市人行天橋與人行地道技術規范》CJJ69、《裝配式城市橋梁工程技術規程》T-CECS 728、《公路鋼結構橋梁設計規范》JTG D64、《公路橋涵設計通用規范》JTG D60 等相關國家或行業標準的規定。

人行橋固有頻率應處于結構敏感頻率范圍外，表1 總結了國內外人行橋規范中的頻率要求。當固有頻率處于敏感頻率范圍內時，應通過計算最大加速度對結構進行振動舒適度評價，確定舒適度級別。

表1 人行橋舒適度頻率指標

1.2 上部結構

裝配式人行天橋宜采用標準寬度、標準跨徑布置和標準截面。主梁標準寬度為3.3 m、4.3 m 時對應的梯道標準寬為2.5 m 和3 m。簡支梁和兩跨連續梁橋跨徑可分為：15～20 m、20～25 m、25～30 m，相應的梁高分別為：0.8 m、1.0 m、1.2 m。主梁的常見截面形式有鋼箱梁（斜腹板、直腹板和魚腹式）、鋼桁架（上承式和下承式桁架）、鋼混組合梁等?？紤]全壽命成本和低碳性、可推廣性，推薦鋼箱梁。鋼箱梁人行天橋宜采用單箱單室截面，均為工廠預制后現場吊裝拼接而成，如圖2 所示。裝配式人行天橋橋面板可采用正交異性鋼橋面板或混凝土橋面板。

圖2 典型鋼箱梁截面（斜腹板、直腹板和魚腹式）

鋼材宜使用Q355C 強度等級的鋼材，鋼材質量應符合現行《低合金高強度結構鋼》GB/T 1591 和《公路鋼結構橋梁設計規范》JTG D64 等規范的要求。

1.3 下部結構

人行天橋橋墩可置于中央分隔帶、綠化帶、渠化島以及人行道，預制橋墩可采用預制混凝土實心墩、鋼管墩、預制混凝土管墩等，如圖3 所示。常見墩柱截面形狀有圓形、矩形、花瓶墩或空心墩。

預制混凝土實心墩需符合下列要求：

1）預制橋墩混凝土宜采用自密實高性能混凝土，且強度等級不宜低于C40。自密實混凝土制備后易出現微裂縫、氣孔等表觀缺陷。周杰等[8]通過比較不同原材料配比下成型的自密實清水混凝土橋墩，總結了其表觀效果的影響因素主要有脫模劑、外加劑等材料。尹軼[9]研究了膠凝材料對自密實混凝土橋墩抗裂性能的影響，提出了最佳生產配合比。

2）預制墩柱采用灌漿套筒連接和灌漿金屬波紋管連接時,應考慮連接件對墩柱剛度及相關構造的影響。

3）預制墩柱抗震分析和延性構造應滿足現行規范的要求。

鋼管墩包括完全填充混凝土、部分填充混凝土墩和空心管墩，具備承載力高、塑性韌性好、自重小等優點。鐘陳志[10]針對方鋼管混凝土墩開展了設計和數值模擬，結果表明，橋墩抗彎、抗震和滯回性能均優于原混凝土墩柱。徐艷等[11]對圓形鋼管混凝土墩的力學性能進行了數值模擬和理論分析，并給出了最小混凝土充填率。陳光明等[12]通過實際人行廊橋工程設計，深入研究了雙壁空心墩（FRP-混凝土-鋼截面）的設計方法。

預制混凝土管墩包括離心預制混凝土空心管墩和組合管墩。離心預制混凝土空心管墩由預制管、管壁內鋼筋組成，內部中空，目前工程常采用C70 及以上高強混凝土。組合管墩由預制管、管壁內鋼筋、核心現澆混凝土組成，預制管有效約束內部混凝土，內部混凝土提高了節點連接的整體性，兩者共同作用可提高構件的承載力、延性等性能。王廣勇等[13]研究了高強混凝土管柱軸心受力下的性能，發現其承載力主要受長細比和混凝土強度影響。支正東等[14]研究了外殼預制核心現澆的組合管柱的抗彎性能，試驗表明，其承載力、破壞模式等與現澆混凝土柱基本相同。

1.4 連接方式

預制構件間接縫的處理是設計和施工的關鍵，連接部位應構造可靠、受力明確。

預制橋墩與人行天橋主梁可采用墩梁固結方式以提高橋梁自振頻率。主梁與預制混凝土墩柱固結的構造方式可如圖4 所示，將橋墩外側鋼板嵌入箱梁內部，并將該鋼板與鋼箱梁底板焊接形成整體，采用“無收縮混凝土”灌注鋼箱梁內部，最終在混凝土、鋼板、剪力釘以及鋼筋的共同作用下墩梁形成整體。主梁與鋼管混凝土墩柱固結的構造方式可如圖5 所示，墩頂設置法蘭盤，通過高強螺栓與鋼箱梁底板連接，并在鋼管混凝土橋墩頂部四周設置加勁鋼板與鋼箱梁底板焊接，使得墩梁固結更加牢固。鋼管混凝土橋墩最后采用“無收縮混凝土”進行填充形成“鋼管混凝土”結構。

圖4 主梁與預制橋墩墩梁固結圖

圖5 主梁與鋼管混凝土橋墩墩梁固結圖

預制橋墩與承臺的連接形式主要可分為：灌漿套筒、灌漿波紋管、構件承插式、超高性能混凝土、預應力、螺栓法蘭連接等。魏紅一[15]、包龍生[16]、Haraldsson[17]、賈俊峰[18]等眾多學者分別對采用灌漿套筒、灌漿波紋管、承插式、預應力等連接的預制橋墩力學性能進行了詳細的試驗研究和理論分析。王景全等[19]根據抗震性能將預制橋墩連接體系分類為“等同現澆”和“非等同現澆”，并對各連接的研究成果進行了系統梳理。

灌漿套筒連接在我國使用最為廣泛，其構造由連接套筒、螺紋鋼筋、高強無收縮水泥灌漿料及配件組成，如圖6 所示，推薦采用全灌漿套筒。預制墩身與承臺通過灌漿套筒連接伸出的鋼筋，其接觸面往往采用砂漿墊層，可靠性主要取決于灌漿料、套筒及鋼筋三者間的粘結強度。灌漿套筒連接屬于干接頭的形式，現場施工工期短、作業量小、無需模板，其受力狀態與傳統現澆橋墩相似，受力可靠，滿足低烈度地區使用，因此具有一定的經濟優越性，但套筒內漿料密實度難以檢測，施工質量要求較高。

圖6 灌漿套筒示意圖

灌漿波紋管連接是通過灌漿預埋于承臺內的波紋管進行構件的相連，如圖7 所示。賈俊峰等[20]通過預制RC 墩抗震試驗證實灌漿波紋管連接可用于強震區。傳統金屬波紋管壁厚較薄，與灌、排漿管焊接時不夠牢固，且在混凝土澆筑振搗過程中易產生彎曲變形，故推薦采用由直縫或無縫鋼管軋制而成的波紋鋼管。承插式連接是將墩柱插入承臺預留孔內后澆筑混凝土相連，其施工工序簡單、現場作業量少，但其通常插入承臺較深，導致承臺尺寸較大，如圖8 所示。徐艷等[21]研究了不同承插深度的墩柱力學特性后提出了最小承插深度值。UHPC 連接采用超高性能混凝土優秀的力學性能實現構件的連接。預應力連接是采用預應力筋連接墩身和承臺，此方式造價高、施工工藝較復雜且施工時間較長。

圖7 灌漿金屬波紋管連接圖

圖8 承插式連接圖

2 關鍵施工技術

2.1 天橋預制

預制廠場地規劃和布置應進行專項設計，充分考慮裝配式構件的全流程工藝。智能化建造基地應設置數字化管理中心、鋼筋加工間、鋼料庫、下料區、箱梁智能生產線、混凝土拌合澆筑區、自動除銹涂裝及成品堆放區等，如圖9 所示。

圖9 建造基地圖

裝配式人行天橋的預制構件主要有鋼梁和橋墩。

1）預制鋼梁

鋼梁應按以下工藝流程制作：材料驗收→下料→板單元制作→焊接組裝→梁段涂裝。

鋼梁鋼板制作時，先經過板材輥平機校平，消除鋼板殘余應力，以減少制造過程中的變形。板單元制造完成后進行多梁段連續匹配組焊和預拼裝，此過程在胎架上一次完成。為保證鋼箱梁節段制作精度及節段的連續性，節段制作需在長度方向加預留量，梁段組拼過程中，對梁段的長度方向進行二次配切，保證鋼箱梁的組裝精度滿足設計要求。為延長結構的使用壽命并提升天橋景觀效果，梁段拼接完后按要求進行防銹防腐涂裝，鋼結構涂裝需符合現行《公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件》的要求。

跨徑較小的簡支人行天橋可整體預制鋼梁后運至現場；跨徑較大的人行天橋應分段預制，接縫位置宜根據構造相關要求和場地實施條件等設在受力較小部位，嚴禁設置在跨中和墩頂處。

2）預制混凝土橋墩

混凝土矩形和花瓶墩應按以下工藝流程預制：預制臺座布置→鋼筋加工及綁扎→模板定位安裝→混凝土澆筑→拆模及養護，如圖10 所示。

圖10 立柱施工工藝

橋墩鋼筋籠安裝時應滿足吊裝需要，考慮固定的預埋件、保護層墊塊等。鋼筋籠中灌漿連接套筒安裝相關施工技術應符合相關規定。灌漿連接套筒工廠內安裝前應按廠家出具的有效型式檢驗報告和產品說明書對套筒的尺寸、配件和表觀質量等進行檢查。

3）鋼管墩

鋼管墩應按以下工藝流程預制：材料驗收→鋼管制作→附件焊接→鋼管涂裝。

進場的鋼管、鋼板等材料進行打磨除銹、噴涂底漆后，采用埋弧焊、CO2保護焊、手工電弧焊等形式進行鋼管墩和附件的焊接，焊接完成后對鋼管表面進行防腐防銹涂裝。

2.2 天橋運輸

施工單位應根據墩柱、鋼箱梁的尺寸規格和現場情況等合理選擇運輸車輛種類和構件吊運設備。橋墩普遍采用平躺運輸形式，采用枕木等柔性材料支墊，如圖11 所示。人行天橋的預制墩柱尺寸小、重量較輕，可較好地實現一座天橋多個墩柱的一次性運輸。鋼箱梁可能存在超寬等運輸情況，運輸前應按照計劃路線實地考察，確保路線復核要求。運輸時，可采取安全有效的固定、減震措施，防止裝卸和運輸期間構件發生碰撞變形、損失和傾覆。施工單位應按照現行規范編制吊裝運輸全流程方案并上報有關單位，方案實施前需獲得相關批復。

圖11 預制橋墩運輸示意圖

2.3 天橋安裝

1）鋼箱梁安裝

鋼箱梁應按以下工藝流程安裝：施工準備→臨時支架搭設→臨時和永久支座安裝→鋼箱梁節段吊裝定位→鋼箱梁焊接成型。

各類構件的吊裝方案應進行專項設計。鋼箱梁現場吊裝應在人流、車流量少的夜間進行。鋼箱梁在施工現場臨時就位后，在鋼箱梁兩側設置擋塊，防止其滑移、傾覆，并在鋼箱梁分段接口位置利用碼板和匹配件對就位的梁段進行臨時固定，防止其梁段位移。待吊裝完畢焊接完成并達到質量驗收要求后對臨時固定措施進行拆除。

2）預制橋墩拼裝

橋墩應按以下工藝流程拼裝：基礎處理→構件試吊裝→座漿施工→墩柱吊裝就位→調節設備→調節垂直度→灌漿套筒連接。

灌漿前應再次檢查套筒，確保內腔通暢無雜物。灌漿連接應按以下工藝流程：高強度微膨脹漿料倒入設備攪拌→漿料倒入儲漿裝置→漿料倒入灌漿設備后接入壓漿口→出漿口出漿→保持灌注→檢查漿料飽滿度→其余套筒壓漿。

3）鋼管墩安裝

鋼管墩應按以下工藝流程安裝：墩柱鋼筋籠施工→鋼管吊裝施工→混凝土施工。

3 附屬構件標準化設計

裝配式人行天橋附屬構件標準化設計旨在通過統一設計和規范化生產，提高附屬構件的質量、減少成本、縮短工期，并為不同項目提供通用、可替換的構件。對于每種附屬構件，應制定標準的設計參數，包括尺寸、材料要求、承載能力等，方便構件的互換和替換。

3.1 天橋鋪裝

橋面鋪裝的樣式和色調應結合周邊環境進行合理設計。從環保、美觀、舒適度、耐久性、防滑性等角度出發，推薦選用彩色陶瓷顆粒、花崗巖面磚等材料，如圖12 所示。

圖12 花崗石面磚路面和薄層彩色防滑路面

3.2 排水

橋面可采用自然排水的方式，在標高最低的橋墩處兩側布置雨水口，排水管沿橋墩垂直向下，接入就近市政排水管道。梯道欄桿底部宜設置擋水檐。

3.3 欄桿

欄桿宜采用裝配式，通過螺栓或螺釘將各節段拼裝相連后全橋布置，分布在橋面及梯道的兩側，高度不應小于1.1 m，豎向構件凈距不小于110 mm。欄桿可采用預制不銹鋼、鋁合金、鋼化玻璃等材質，樣式應體現地域文化和景觀特色。

3.4 綠化

橋面可設置模塊化可移動種植池。主梁梁體外側可通過支架承托將花架或花槽與鋼板一體化牢固焊接方式進行綠化，在設計時應考慮花池對橋梁結構受力產生的不利影響。橋墩可利用固定支架達到垂直綠化效果。

3.5 外部裝飾

天橋的外部裝飾含頂棚、主體涂裝或外掛裝飾板、照明裝置。

夏季暴曬多雨地區或有特殊景觀要求的重要節點位置宜設置頂棚。頂棚應選用輕質材料如合金板材、不銹鋼等，并保證可裝配性，如圖13 所示。外掛裝飾板可首選預制混凝土掛板、預制鋁板等，但其設置不能影響天橋日常的養護檢修。功能性和景觀性照明設計均應簡約和諧，考慮炫光影響，相關燈具設施應與橋體結合，做到隱匿性。

圖13 外部裝飾示意圖

3.6 無障礙設計

天橋設計時應秉持“以人為本”理念，考慮無障礙設計以滿足特殊人群的需要。無障礙設施主要包含坡道、垂直電梯、自動扶梯、升降平臺、盲道、標識和引導系統等。應注意天橋與路面人行道和公共交通的順接。

4 結語

本文以裝配式人行天橋的設計、施工為主線，對預制主梁、預制橋墩、節點間連接形式、附屬構件的設計方法和相關理論研究進行了歸納總結，并梳理了各構件制作、運輸和安裝的施工工藝流程。主要結論如下：

1）高性能材料和新結構形式是裝配式人行天橋在多樣化美學標準下推廣應用的重要保障。UHPC 箱梁、鋁合金桁架橋、預應力混凝土Π 型梁、預制鋼-混凝土組合梁（槽型、工字型）等不同構造均可用于后續標準化截面設計研究中，豐富天橋的造型。

2）構件的輕量化和全預制化是影響裝配式人行天橋建造技術發展的重要因素。預制空心鋼管墩、高強混凝土管墩等輕型結構的研發勢必能滿足山區等復雜環境條件下人行橋的應用。預制承臺和PHC 管樁基礎也可用于下部結構，實現全預制體系。

3）連接構造的設計是裝配式人行天橋受力性能研究的關鍵。各連接方式橋墩在薄弱接縫處的耐久性、在高震區的抗震性能等主要技術問題亟需進一步研究。