近期国内三座组合桥梁之技术创新

邵长宇，陈 亮

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

组合结构以其整体受力的经济性、发挥两种材料各自优势的合理性以及便于施工的突出优点，在欧美等发达国家得到广泛应用，建造了大量的各种形式的组合结构桥梁。由于理论与方法的进步，技术人员对结构可以更准确地把握，从设计与施工的各个环节全面考虑。设计与施工相互依存，紧密结合，使得材料更加节省，施工更加便捷，性能更优越。我国在钢-混凝土组合结构桥梁的应用方面虽然与发达国家相比还不够普遍，但近年来，相关研究与工程实践呈现快速发展的势头，其中，在上海长江大桥、杭州九堡大桥以及舟山市小干二桥工程分别大规模地应用了组合结构桥梁，在充分吸收国外先进经验的基础上，结合我国的具体建设条件，通过创新大力提高组合结构桥梁的技术与经济竞争能力。

1 上海长江大桥组合箱梁桥

1.1 方案与构思

上海长江大桥工程全长约16 km，越江桥梁长约10 km。主航道桥两侧高墩区非通航孔桥处于河道中间，为了减小建桥对水文环境的影响，需要采用较大跨度。经比选采用了钢与混凝土组合箱梁方案，主跨105 m，两联全长1 400 m。大桥按双向6车道公路与2线轨道交通标准设计，汽车荷载标准为公路Ⅰ级；列车荷载按每辆车满载48 t、长度16.5 m、10辆编组考虑，设计需要考虑6汽车加2线列车荷载作用。连续组合箱梁跨度布置为90 m+5×105 m+85 m，按照整孔预制吊装施工方法进行设计。大桥于2009年建成通车，实景照片见图1。上下行车道分成2幅桥，结构形式见图2。

图1 上海长江大桥建成后图片

图2 轨道交通铺轨前后路幅布置（单位：cm）

该桥高墩区连续组合箱梁在结构形式的确定过程中考虑了以下因素：采用整幅桥面时，由于桥面宽度达到35.3 m，单箱双室或单箱多室截面虽然下部结构更加紧凑合理，但该桥条件下，上部结构施工存在一定困难或不足，同时由于该段桥梁与主航道斜拉桥相衔接，受主航道桥采用分离钢箱截面影响，桥面最大需加宽10 m，显然采用整幅桥面不合理。该段桥梁处于江面之中，顶推法失去经济性，节段拼装法既不经济，也不利于保证质量；采用整孔吊装法施工，该桥选择分成双幅桥分开建设，单幅桥宽约17 m，采用单箱单室截面，截面组合后吊重需要1 900 t，起吊设备可以和70 m混凝土箱梁的吊装统筹考虑，同时可以利用东海大桥的预制场地及码头等设施，综合而言有其技术经济合理性，并有桥面整修时方便车辆转移等优势。跨度布置综合考虑了结构受力、桥梁景观等因素，边跨90 m介于105 m中跨和斜拉桥107 m边跨之间，既照顾到连续组合箱梁的受力合理性，又不致于对景观造成大的影响。采用梁高5 m的等高梁，既考虑方便加工制造与施工吊装，又不致于引起材料用量增加过大。

1.2 结构设计

组合箱梁采用单箱单室截面，由槽形钢梁与桥面板通过焊钉结合构成，梁高5.0 m，桥面板宽16.95 m。箱梁有轨道侧的悬臂板预留的钢管斜撑，正式铺轨时安装。中间支点附近钢梁下翼缘承受较大压力，为了减小钢板厚度，方便焊接，确保质量，在各中支点20 m范围采用了双层组合结构。

开口槽形钢梁由底板、腹板、上翼缘板以及间断设置的横隔系、加劲肋等组成。腹板上下各设1道纵向板式加劲肋。钢梁下翼缘全部采用板式加劲肋，在中支点附近下缘板式肋开孔兼作下层混凝土板的连接件。钢梁以大约5.1 m的间距设有横隔系，横隔系由腹板和底板横向T形加劲肋以及桁架杆件组成，在各墩支点处设置实腹钢横隔板。腹板为满足不同区域抗剪需要，在横隔系之间设置1～2道竖向加劲肋。该桥钢梁主体构件采用Q345qD钢，跨中下翼缘约20 m范围采用Q370qD钢。

混凝土桥面板箱中心处厚30 cm、腹板处厚50 cm，桥面板仅横向配有预应力束。由于在组合截面中配置纵向预应力束预防桥面板开裂的效率低下，确定不配纵向预应力束。相应采用多种手段改善桥面板受力，实现以适当配筋对裂缝宽度和发展的有效控制。桥面板的纵向配筋率是变化的，其中，跨中约80 m范围配筋率平均为1.25%，负弯矩区范围配筋率平均2.7%。

桥面板与钢梁连接选用φ22 mm的焊钉。对于横向剪力与拉拔力较大的横向加劲肋局部范围，通过增加焊钉数量并避免直接设在横向加劲肋顶部，达到减小焊钉拉拔力与防止桥面板剥离的双重目的。

1.3 施工方法

该桥采用整孔吊装法施工，一联7孔划分为7个大节段进行预制与吊装。在预制场分孔完成钢结构拼装，安装约80%的桥面板并形成组合截面，再整孔吊装简支于桥墩之上，钢梁连接后，最后施工负弯距区桥面板。这样支点处组合截面负弯距小，有利于桥面板的裂缝控制；跨中段由组合截面承受所有荷载，充分发挥了混凝土的承压性能，减小了钢梁受力。图3为整孔预制吊装实景。

图3 整孔预制吊装实景

采用整孔吊装并简支于桥墩的施工方法，虽然降低了中支点的负弯距，有利于负弯距区桥面板受力，但正弯距较大并控制跨中箱梁下翼缘钢板设计。钢梁拼装完成后纵向设定为4点支撑，安放预制桥面板并作为钢梁压重，通过调节内外支点高差，实现对钢梁反弯，使之上翼缘预拉、下翼缘预压，见图4。大部分桥面板在预制场完成与钢梁结合，可减小钢梁受力，发挥混凝土抗压性能。相应于中支点附近约15 m范围预制桥面板仅摆放到位，吊装后再浇筑结合混凝土。

图4 整孔组合箱梁制作时钢梁反弯示意（单位：m）

选用负弯矩区桥面板滞后结合与支点升降两种方法，分别对负弯矩区桥面板起到减小拉应力与施加压应力的作用。一联7孔全部吊装焊接完毕后，6个中间墩分3次，每次2墩，从中间向两侧依次完成下缘混凝土浇筑、主梁支点起顶、墩顶段桥面板结合、支点降落的工序，见图5。

图5 组合箱梁主要施工工序安排示意（单位：m）

2 杭州九堡大桥组合拱桥

2.1 方案与构思

杭州九堡大桥于2011年建成通车。大桥全长1 855 m，设双向6车道及两侧各宽3 m人行道，标准桥面总宽31.5 m，主航道桥因结构需要加宽至37.7 m。主航道桥采用主跨3×210 m的连续组合拱桥，实景照片见图6。

图6 杭州九堡大桥建成后图片

主航道桥采用主跨3×210 m的跨度布置，基本覆盖整个主槽摆动范围，并且能够满足1 000 t级内河货船通航水深要求。主航道桥的施工按照常规方案，将在水上搭设大量支架进行桥面系与拱肋结构安装。如此，在钱塘江涌潮及河床冲淤剧烈区域，不仅代价高而且现场工作量大，安全与质量风险高。基于对建设环境与结构特点的细致分析和判断，设计创新采用梁拱组合体系与结构方案，并推出顶推施工法。这一设计构思实现了变水上施工为岸上施工，不仅免除了江中大量临时墩和支架，减少施工对环境及航运的干扰，还避免了水上高空拼装拱肋的风险与困难；此外，钢结构全部在岸上施工，为提高工程质量创造了最佳条件。

2.2 结构设计

主航道桥主墩采用V形墩，V形墩与梁体实际是分开的，其间设置支座。上部结构采用梁-拱组合体系，由钢-混凝土组合结构桥面系和钢拱结构组成，上部结构的支承跨度为188 m+22 m+188 m+22 m+188 m，立面布置见图7。

图7 纵向立面布置(单位：m)

钢拱系统由主拱肋、副拱肋及横向连杆组成，拱桥横截面见图8。

图8 拱桥横截面（单位：m）

组合桥面系由混凝土桥面板和钢梁组成，截面中心处梁高4.5 m，一般截面如图9所示。钢梁的两侧主纵梁为2.25 m×3.96 m窄箱，箱顶面中心间距27.6 m，主纵梁之间设有间距4.25 m的I形横梁；人行道为全钢结构，置于主纵梁外侧；为便于桥面板分块预制，设2道小纵梁。桥面板厚26 cm，无预应力束，纵向按允许桥面板开裂、控制裂缝宽度的原则设计。

图9 拱桥组合桥面系截面示意（单位：m）

拱梁钢结构均采用Q345qD钢材，桥面板采用C50混凝土。吊杆纵向间距8.5 m，为平行钢丝索体系，均为121φ7 mm。

2.3 施工方法

基于对建设环境与结构特点的细致分析和判断，主航道桥设计推出了顶推施工法，210 m跨间仅设1座临时墩。主航道桥的顶推施工有别于常用的推动或拖动梁体在支点上滑移的方法。这一方法需要对钢梁进行特别加强，才能满足顶推时局部受力与稳定要求，这将导致对钢梁加强的费用远高于采用新顶推工艺与设备所增加的费用。鉴于此，设计时明确提出要以合理的顶推设备和工艺以及同步的平衡控制技术，保证结构受力安全可靠，顶推施工方案要实现无需对钢梁进行特别加强。其目的在于通过推动顶推施工技术进步，进而实现组合结构桥梁总造价最经济。施工总体上可分为钢结构和桥面板两部分。钢结构包括桥面系钢梁及钢拱，均在岸上拼装，在桥面系钢梁与拱肋之间设有临时杆件，以便在顶推过程共同受力。设置于桥面系钢梁与拱肋之间的临时杆件是非常重要和有效的，它使得梁与拱形成了类似桁架结构的受力体系，减小了桥面系钢梁在施工过程中的约束支承长度，成为实现大跨距顶推施工的关键，使得3个210 m大跨之间每跨仅设1座临时墩即可满足施工要求成为可能。多点同步顶推时，分散在各墩（含临时墩）的设备同步起升、推进。每拼装完成1孔顶出1孔，直至3孔全部顶推到位，图10为拱桥顶推实景图片。

图10 拱桥顶推实景图片

钢结构顶推完成之后，按照设计规定的顺序张拉吊杆并拆除临时拱梁间杆件，再铺设预制桥面板并浇筑接缝混凝土，完成后续施工。连续组合拱桥的桥面板后期施工降低了主体钢结构的施工难度。从受力角度看，只要钢结构部分完好，即使桥面板失效，整体结构仍然是安全的，这使桥面板的更换修补切实可行。

拱桥顶推施工且210 m跨间仅设置1座临时墩，无疑是一次新的尝试。组合拱桥除去桥面板之后，钢结构的承载能力与其自重相比具有较大的可利用空间。通过在钢拱肋与钢纵梁之间设置临时杆件，可以合理有效地发挥钢结构整体的承载能力，在技术与经济上均具有显著的优点和竞争力。

3 舟山小干二桥组合梁悬索桥

3.1 方案与构思

舟山市小干二桥工程全长1 246 m，图11为效果图。从经济性、建设条件、景观等方面综合比选后，通航孔桥采用150 m+370 m+150 m=670 m组合梁自锚式悬索桥，建成后将成为该类桥型的最大跨径，纵向立面布置见图12。主桥断面按近远期结合考虑，近期横向设双向4车道、两个各3.2 m的非机动车道及3 m人行道，远期横向设双向4车道、2线有轨电车及3 m人行道；标准桥面全宽32 m。近、远期横断面布置及结构形式见图13、图14。

图11 舟山市小干二桥效果图

图12 纵向立面布置（单位：m）

图13 主桥近期断面（单位：m）

图14 主桥远期断面（单位：m）

悬索桥是适合于大跨度的柔性结构体系，对于大跨度悬索桥，加劲梁及其桥面结构的重量是影响大缆的受力主要控制因素。随着桥面系重量的增加，将引起大缆、桥塔及锚碇受力的增加，因此，大跨度悬索桥通常采用自重较轻的钢箱梁，以求得总体方案的经济性。但是，对于该桥这样中小跨度的悬索桥情况则有所不同，采用组合结构加劲梁由于自重的增加，引起大缆、桥塔及锚碇受力增加，但加劲梁自身钢材用量将减少，同时混凝土桥面板之上的路面铺装费用也可显著降低。采用组合梁可以避免正交异性桥面板疲劳破坏的隐患，桥面铺装的长期维护和更换费用也可大大降低。此外，自锚式悬索桥产生于主梁的巨大轴向压力也为采用组合加劲梁提供了有利条件。因此，在对钢箱梁和组合梁进行全面比选后认为，采用组合梁的自锚式悬索桥方案在造价及耐久性等方面均具有优势。

3.2 工程设计

主桥主缆矢跨比为1/6，每根主缆含61股平行钢丝索股，每股含127丝直径为5.0 mm的1 770 MPa镀锌铝合金钢丝。每个吊点设双根吊索，顺桥向标准间距8 m。吊索与主缆连接采用销接连接，吊索与主梁连接采用锚箱式构造，锚于挑梁端部。索鞍、索夹及散索套均采用全铸结构。

桥塔采用门型索塔结构，塔柱为钢筋混凝土构件，横梁为预应力混凝土构件，均采用C50高性能混凝土。

主梁采用钢－混凝土组合梁结构，标准段长度622 m，锚固区长度共55.2 m。标准段全宽32 m，道路中心线处梁高3 m，断面详见图15。钢梁梁高2.74 m，材质为Q345qD，由主纵梁（闭口箱梁）、中横梁、端横梁、挑梁、小纵梁组成双主梁梁格体系。双纵梁中心间距20 m，纵梁标准节段为8 m，每间隔4 m设置一道横梁和挑梁，每两道横梁之间设置一道小纵梁。桥面板板厚26 cm，采用钢筋混凝土结构，强度等级为C60。钢梁与桥面板之间利用剪力钉连接。

图15 主梁标准断面示意(单位：m)

3.3 施工方法

该桥为自锚式悬索桥，采用先梁后缆的施工顺序。

鉴于自锚式悬索桥的结构特点，加劲梁一般采用满堂支架或者顶推法施工。满堂支架施工临时墩较多，临时费用较高，且对海洋环境影响较大；若采用顶推法施工，对于组合梁而言，顶推跨径过大会导致钢结构施工应力大幅增加。因此，该桥加劲梁采用少支架施工工艺，以实现大跨径组合结构悬索桥总造价最经济。

4 结语

随着我国综合国力的增长，材料与人力成本的变化以及制造与施工技术的提高，组合结构桥梁的竞争力将会日益提高。上述三座桥梁积极采用了新理念、新技术，以技术的合理性与经济性展现了组合结构桥梁的优势与竞争力。实践表明，只要跟踪相关技术的最新发展，采用先进的理论与方法，同时与具体工程建设条件紧密结合，相信我国也必定同欧美发达国家一样建造越来越多的组合结构桥梁，并为实现桥梁的全寿命经济性做出贡献。