两港大道中段工程桥梁预制拼装设计

袁慧玉

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092]

1 工程概况

两港大道（新四平公路—S2）快速化工程（以下简称两港大道中段工程）是临港新片区重要的内、外连接快速路，是区域高快路网的重要组成部分，也是新片区的第一个市政大工程。

该工程位于上海市东南部，西起两港大道的新四平公路，东至S2 沪芦高速，路线全长13.1 km，采用高架快速路+地面道路形式敷设，近期高架全长8.45 km，新杨公路至妙香路以西为地面道路。主线高架沿线由西往东共跨越了11 条横向道路及7 条现状河道，设置了4 对上下行匝道，见图1。

图1 全线方案示意图

两港大道中段工程主要技术标准：主线高架及主线地面道路为城市快速路，双向六车道，设计车速为80 km/h，标准段桥宽26.1 m；匝道为单向两车道，设计车速为40 km/h，桥宽8.5 m。全线采用预制拼装法施工，共有预制小箱梁1 562 片、预制盖梁361 榀、预制立柱627 节、钢-混凝土组合梁13 联（主跨跨径从4～75 m 不等），预制装配率达90%，工期1.5 a。

在确定设计施工方案之前，设计与施工单位对预制场的生产能力、运输线路以及起吊、装配能力进行了调研，并对运输线路沿途的道路、桥梁进行排查，确保预制构件运输安全、可靠。

2 预制小箱梁

两港大道中段工程简支转连续预制小箱梁一般2～5 跨一联，顶、底板平行，横坡由梁底支座垫块形成。主线标准段桥面宽26.1 m，横断面采用6 片预制小箱梁，梁间距4.44 m，每片梁运营阶段采用单支点支撑。2 片边梁（带预制防撞护栏混凝土底座），单片梁最大吊重约165 t；4 片中梁，单片梁最大吊重约140 t。标准段预制小箱梁横断面布置见图2。

图2 标准段预制小箱梁设计横断面图（单位：mm）

本工程中30 m 标准跨径预制小箱梁相较于上海市标准设计的简支小箱梁，保留了标准图中预制小箱梁的截面外形尺寸，但是，对于小箱梁之间的湿接缝、挑臂构造、支承以及配束配筋进行了调整及优化。

2.1 湿接缝

原上海市标准设计预制小箱梁采用较宽的湿接缝，缝宽尺寸一般为0.5～1.6 m。湿接缝内预留的是直线型连接钢筋，需要在现场进行焊接，导致现场的钢筋焊接工作量很大、焊接质量不易保证，现场混凝土浇筑量也大，施工速度慢，不利于预制拼装快速化施工的推广。

因此，上海市政总院与同济大学依托上海龙东大道（罗山路—G 1503）改建工程针对钢筋现浇湿接缝以钢筋形状、接缝材料、接缝宽度、钢筋横向布置、横向钢筋数量等构造参数为变量，研究接缝受力过程中开裂特性、应力重分布过程，揭示接缝破坏模态及传力机理[1]。结合该研究结果，龙东大道改建工程初期预制小箱梁桥面板湿接缝采用C 80 钢纤维混凝土，湿接缝上口宽400 mm、下口宽300 mm，预留U形钢筋等间距交错布置不焊接，间距为10 cm。U 形钢筋在湿接缝内形成环形搭接，搭接长度240 mm，形成核心混凝土。具体构造见图3。

图3 C80 钢纤维混凝土湿接缝连接图（单位：mm）

后经现场实际施工操作，发现C 80 钢纤维混凝土存在现场泵送时易堵管的情况，混凝土浇筑质量不易控制的缺陷，故后期改用现场施工质量可控的C 60 钢纤维混凝土，并加宽了湿接缝尺寸。湿接缝上口宽450 mm、下口宽350 mm，核心混凝土U 型钢筋搭接长度290 mm。具体构造见图4。该构造形式减少了大量现场焊接钢筋的工作量，大大提高了施工效率。故，两港大道中段工程根据龙东大道改建工程的经验，预制小箱梁桥面板也采用了与图4 一样的构造形式。

图4 C60 钢纤维混凝土湿接缝连接图（单位：mm）

湿接缝内预留的U 型钢筋按桥面板构件设计。核心混凝土内加强钢筋按《桥梁预制拼装技术》[1]第2.6.2.4 节公式2.6-32～2.6-34 验算核心截面承载力。具体公式如下：

U 形钢筋屈服条件[1]

U 形钢筋所围核心混凝土加强钢筋计算取值条件[1]

式中：fsu，d为U 形钢筋的抗拉强度设计值，MPa；Asv为一个U 形钢筋双肢总截面面积，mm2；c 为混凝土的黏结强度，MPa，取2.8 MPa；Acv为U 形钢筋交错重叠部分所围核心混凝土投影平面的净面积，mm2；fsv，k为核心混凝土加强钢筋的抗拉强度标准值，MPa，当fsv，k＞400 MPa 时取400 MPa；Asv为核心混凝土加强钢筋的截面面积，mm2，当实际持有的截面面积超过式（2.6-33）或式（2.6-34）限值时，则将其中较小的限值代入式（2.6-32）计算；α 为接缝两侧相邻U 形钢筋圆端头连线与U 形钢筋轴线的夹角，（°）；fck为接缝混凝土的抗压强度标准值（MPa）；K 为混凝土界面的极限剪切强度，MPa，取10.3 MPa。

经计算，两港大道中段工程预制小箱梁箱室间桥面板厚需要250 mm，预留U 型HR B 400 钢筋直径取22 mm 时，桥面板极限承载能力及裂缝宽度均能满足现行规范的要求。

工程实际中核心混凝土内设置了8 根直径10 mm HR B 400 加强钢筋，按公式2.6-32 验算，公式左边一根U 型钢筋的屈服力为250.9 kN，公式右边核心截面承载力为410.9 kN，满足要求。

2.2 优化挑臂构造

城市高架因上下匝道的设计需要，免不了使桥梁结构存在变宽段。两港大道中段工程将预制小箱梁的箱室部分、边梁外侧挑臂及现浇湿接缝缝宽做成标准等宽，以边梁内侧挑臂及中梁挑臂长度来进行调整。为了方便施工、提高模板的适用性，方便挑臂长度的变化，预制小箱梁挑臂由原来标准图的变高度优化为等高度形式。优化后减少了现场的施工工作量，方便了施工，缩短了施工工期。

2.3 优化支承设计

为了提供较好的行车舒适度，两港大道中段工程标准段采用结构先简支后连续的预应力混凝土小箱梁。每片预制小箱梁在中墩处设一个永久支座及两个临时支座，边墩设一个永久支座。预制小箱梁在架设时中墩处先使用临时支座支承，每片梁由三个支座支承，确保施工阶段支座不出现脱空现象。等桥面板湿接缝及横隔板混凝土浇筑完成并到达强度，形成整体后，进行体系转换，中墩处临时支座转换成永久支座。

3 下部结构预制构件连接

预制拼装的下部结构主要包括了立柱与承台、立柱之间、立柱与盖梁之间以及盖梁之间的拼装。目前国内外预制拼装技术大致有以下几种：（1）采用有粘结后张预应力筋连接；（2）灌浆套筒连接；（3）灌浆金属波纹管连接；d、插槽式联结；（4）混凝土湿接缝连结（钢筋焊接或搭接）；（5）承插式联结；（6）超高性能混凝土UHPC 连结。这几种方法从接缝处力学性能及其抗震性能、施工难易性、复杂性、工期长短、现场浇筑混凝土工作量等方面都各有特点和利弊。目前，上海市采用较多的是灌浆套筒连接及部分采用灌浆金属波纹管连接的方法。其连接构造及力学性能类似，在正常使用条件下的力学性能与传统现浇混凝土构件均相近，都具有现场工作量较小、施工所需时间较短的优点。相对于金属波纹管连接，连接套筒施工精度要求较高，而经济性稍优于连接套筒。下面是承台、立柱与盖梁现场拼装图，见图5、图6。

图5 预制立柱与现浇承台的拼装连接图

图6 预制盖梁吊装图

两港大道中段工程预制桥墩主要有两种结构形式：大挑臂盖梁双柱式桥墩及三柱和四柱门架墩。由于受到预制盖梁吊装运输重量小于250 t的限制。经计算，当大挑臂盖梁采用C 60 混凝土，长25 m，截面尺寸为高2.6 m、宽2.0 m 的T 型截面时，吊重为248 t，小于250 t的限值，满足吊装运输的要求及受力需要。本工程为了提高预制装配率，将三柱和四柱门架墩进行分段，使分段后的构件吊重小于250 t。为此，四门墩分成两个双柱墩，中间设2 cm 变形缝，运输至现场后直接拼接在立柱上，形成门架。三门墩分成一个大挑臂双柱墩和一个独柱墩，之间用1.6 m 长的湿接段连接。分缝位置需要避开上部结构支座，湿接段选取盖梁受力较小的区域。详见图7、图8。

图7 四门墩分缝示意图

图8 三门墩分缝示意图

本工程预制立柱与预制盖梁的拼装采用钢筋锚固用灌浆波纹钢管的连接方式。该连接节点构造细节设计应按现行《城市桥梁抗震设计规范》[2]第8 章进行设计。如，墩柱纵筋的锚固和搭接长度应按第8.1.6 条[2]设计；节点横向和竖向箍筋配置应按第8.2.2 或8.2.3 条[2]设计。

针对门架墩端节点除以上所述构造细节外，尚需将盖梁内上下缘受拉钢筋在端节点侧面下弯或上弯后焊接连接，以确保钢筋在节点范围内传力可靠，见图9。

图9 门架墩端节点构造设计示意图

4 钢-混凝土组合连续梁

多跨变高度钢-混凝土组合梁，既可以避免钢梁正交异性桥面板的疲劳和铺装问题，又具有良好的受力性能、综合了钢结构和混凝土结构各自在施工性能、耐久性、经济性等方面优点。随着我国经济以及建筑材料的发展，近年来，在大跨桥梁中越来越多地替代了预应力混凝土连续梁，被较多采用。因变高度连续梁在路口处，梁高相对较低，故，下穿车辆没有压抑感，而且，梁底为弧线，线条顺畅，桥梁外观较美观。

两港大道中段工程在跨越路口时，均采用较大跨径跨越，全线共有12 联钢-混凝土组合梁，跨径组合详见表1（边中跨比例一般控制在0.65～0.75之间）。

表1 钢-混凝土组合梁汇总表

对于大跨度连续组合梁来讲，中墩支点负弯矩区桥面板混凝土受拉的设计是重点。本工程中支点负弯矩区桥面板纵向采用钢筋混凝土构件限制裂缝宽度的设计方法，按公规[3]验算的裂缝宽度控制在不大于0.13 mm。该方法取消了预应力布置，简化了构造、方便了施工。

通过设置临时支墩，对桥面板进行分段施工，控制其施工顺序，以减少中墩支点处的负弯矩内力。桥面板施工分段见图10。图11 为组合梁混凝土浇筑顺序：搭设临时支撑，浇筑正弯矩区混凝土；拆除临时支撑；浇筑负弯矩区混凝土；连接后浇带区域正、负弯矩区钢筋，浇筑1.5 m 后浇带混凝土。

图10 组合梁临时支墩及桥面板分段示意图

图11 组合梁主要施工顺序示意图

6 结语

目前，我国正在进行城镇化建设，产城融合需要有与之匹配的城市基础设施，预制装配式施工是实现低碳化建设、绿色施工的有效手段。近年来上海市的预制装配化施工工程较多，在全国属于较领先的地位。两港大道（新四平公路～S2）快速化工程在高架桥梁总体布置、预制结构设计、预制拼装细节处理及施工工艺等方面都继承了以往工程的成功经验，并在此基础上根据工程自身特点有所创新。本项目的工程经验可以为其它类似工程做参考。