装配式人行天桥设计方案及施工工艺研究

吴桐，李哲一，张博恒

（重庆市设计院有限公司，重庆 400015）

0 引言

政策和技术推动着桥梁产业的升级。国务院《关于大力发展装配式建筑的指导意见》印发实施以来，以装配式建筑为代表的建造模式快速推进，基础设施全面转型升级。美国联邦公路局提出的桥梁快速建造法ABC (Accelerated Bridge Construction)以高效、绿色、智能的标准化方式创新设计和施工技术，减少结构现场施工环节，受到工程界广泛关注。在新时期我国大力支持新型建造方式的政策背景下，国内各地也积极研究推动桥梁工业化高质量发展，积累了丰富的理论与技术应用经验。人行天桥作为城市公共空间的功能性载体，修建数量随城市交通建设发展与日俱增，成为装配式建造产业的重要组成部分。

国内早期建设的人行天桥上部结构多为钢筋混凝土梁，下部结构以现浇混凝土桥墩、人工挖孔（或机械钻孔）灌注桩基础为主。钢结构作为近年来广泛应用的人行天桥上部类型，众多学者对其开展了系统研究，包括结构强度、刚度、稳定性等静力承载能力和自振性能、动力反馈等动力响应特性。李德阳[1]通过建立钢箱型截面人行桥有限元模型，分析了此类桥各构件的受力特点和承载力，并对原有结构进行优化设计。南松霖[2]对中小跨径装配式钢板-混凝土组合梁桥部件的设计及构造细节进行了分析。高道文[3]以实际项目为背景，对钢桁架桥梁在人行荷载下的振动舒适度进行了相关的研究。秦岭[4]以舒适度为评价指标，给出了不同宽度的钢箱梁人行桥的跨度与高跨比的函数曲线。欧美国家最早开始桥梁下部结构预制拼装技术的应用。1955 年，美国Lake Pontchartrain 桥首次采用预制混凝土桥墩和承台的建造方式[5]。国内于上世纪90 年代开展了预制桥墩理论和试验的研究。上海市嘉闵高架桥为我国首个大规模采用预制装配施工项目，桥梁上部及下部墩柱、盖梁等均为全预制。成都市羊犀立交改造工程在国内首次采用“自锁式预应力+灌浆套筒”连接的圆形截面花瓶墩预制拼装，兼具景观效果和标准性，如图1 所示。

图1 成都羊犀立交预制桥墩

目前，人行天桥上部结构和梯道梁尺寸和形式均不相同，下部桥墩仍采用传统现浇方式，附属设施的标准化程度不高。其施工期间对项目周边环境、交通仍有较大影响，全生命周期碳排放量高，不符合桥梁工业化、绿色化等转型升级的高质量要求。鉴于此，本文从装配式人行天桥的基本性能、使用功能等方面出发，参考相关研究成果，研究了全过程标准化设计、施工解决方案。

1 设计方案

1.1 总体要求

装配式人行天桥在选址和平面布置时应结合城镇街区现有或规划的慢行系统，统筹考虑人、车通行能力和景观效果等因素，力求兼顾结构的功能性、美观性和在地性。譬如山地城市存在地形高差大、视觉空间狭窄等问题，人行天桥设置点宜尽量与周边步道连接，减少行人绕行距离。

人行天桥按结构受力体系主要分为梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥和刚构桥等五种桥型。为推进标准化设计、简化施工工艺、便于后期养护，并充分考虑经济性，装配式人行天桥宜采用受力简单且施工便捷的简支和连续梁桥，跨度较大时可采用桁架桥。材料方面，混凝土结构效率较低且现场预制工序较多，质量较难控制，宜选择钢材及铝合金、UHPC 等新材料。铝合金结构具有耐腐蚀、自重轻、强度高、可塑性强等优点，用于人行天桥主梁易于施工吊装，且可减少基础尺寸[6]。超高性能混凝土(UHPC)作为一种轻质、高强、耐久性好的水泥基材料，能显著减小截面几何尺寸及钢筋用量，提高受力性能，并降低后期维护费用[7]。

装配式人行天桥主体结构的计算应符合现行《城市人行天桥与人行地道技术规范》CJJ69、《装配式城市桥梁工程技术规程》T-CECS 728、《公路钢结构桥梁设计规范》JTG D64、《公路桥涵设计通用规范》JTG D60 等相关国家或行业标准的规定。

人行桥固有频率应处于结构敏感频率范围外，表1 总结了国内外人行桥规范中的频率要求。当固有频率处于敏感频率范围内时，应通过计算最大加速度对结构进行振动舒适度评价，确定舒适度级别。

表1 人行桥舒适度频率指标

1.2 上部结构

装配式人行天桥宜采用标准宽度、标准跨径布置和标准截面。主梁标准宽度为3.3 m、4.3 m 时对应的梯道标准宽为2.5 m 和3 m。简支梁和两跨连续梁桥跨径可分为：15～20 m、20～25 m、25～30 m，相应的梁高分别为：0.8 m、1.0 m、1.2 m。主梁的常见截面形式有钢箱梁（斜腹板、直腹板和鱼腹式）、钢桁架（上承式和下承式桁架）、钢混组合梁等。考虑全寿命成本和低碳性、可推广性，推荐钢箱梁。钢箱梁人行天桥宜采用单箱单室截面，均为工厂预制后现场吊装拼接而成，如图2 所示。装配式人行天桥桥面板可采用正交异性钢桥面板或混凝土桥面板。

图2 典型钢箱梁截面（斜腹板、直腹板和鱼腹式）

钢材宜使用Q355C 强度等级的钢材，钢材质量应符合现行《低合金高强度结构钢》GB/T 1591 和《公路钢结构桥梁设计规范》JTG D64 等规范的要求。

1.3 下部结构

人行天桥桥墩可置于中央分隔带、绿化带、渠化岛以及人行道，预制桥墩可采用预制混凝土实心墩、钢管墩、预制混凝土管墩等，如图3 所示。常见墩柱截面形状有圆形、矩形、花瓶墩或空心墩。

预制混凝土实心墩需符合下列要求：

1）预制桥墩混凝土宜采用自密实高性能混凝土，且强度等级不宜低于C40。自密实混凝土制备后易出现微裂缝、气孔等表观缺陷。周杰等[8]通过比较不同原材料配比下成型的自密实清水混凝土桥墩，总结了其表观效果的影响因素主要有脱模剂、外加剂等材料。尹轶[9]研究了胶凝材料对自密实混凝土桥墩抗裂性能的影响，提出了最佳生产配合比。

2）预制墩柱采用灌浆套筒连接和灌浆金属波纹管连接时,应考虑连接件对墩柱刚度及相关构造的影响。

3）预制墩柱抗震分析和延性构造应满足现行规范的要求。

钢管墩包括完全填充混凝土、部分填充混凝土墩和空心管墩，具备承载力高、塑性韧性好、自重小等优点。钟陈志[10]针对方钢管混凝土墩开展了设计和数值模拟，结果表明，桥墩抗弯、抗震和滞回性能均优于原混凝土墩柱。徐艳等[11]对圆形钢管混凝土墩的力学性能进行了数值模拟和理论分析，并给出了最小混凝土充填率。陈光明等[12]通过实际人行廊桥工程设计，深入研究了双壁空心墩（FRP-混凝土-钢截面）的设计方法。

预制混凝土管墩包括离心预制混凝土空心管墩和组合管墩。离心预制混凝土空心管墩由预制管、管壁内钢筋组成，内部中空，目前工程常采用C70 及以上高强混凝土。组合管墩由预制管、管壁内钢筋、核心现浇混凝土组成，预制管有效约束内部混凝土，内部混凝土提高了节点连接的整体性，两者共同作用可提高构件的承载力、延性等性能。王广勇等[13]研究了高强混凝土管柱轴心受力下的性能，发现其承载力主要受长细比和混凝土强度影响。支正东等[14]研究了外壳预制核心现浇的组合管柱的抗弯性能，试验表明，其承载力、破坏模式等与现浇混凝土柱基本相同。

1.4 连接方式

预制构件间接缝的处理是设计和施工的关键，连接部位应构造可靠、受力明确。

预制桥墩与人行天桥主梁可采用墩梁固结方式以提高桥梁自振频率。主梁与预制混凝土墩柱固结的构造方式可如图4 所示，将桥墩外侧钢板嵌入箱梁内部，并将该钢板与钢箱梁底板焊接形成整体，采用“无收缩混凝土”灌注钢箱梁内部，最终在混凝土、钢板、剪力钉以及钢筋的共同作用下墩梁形成整体。主梁与钢管混凝土墩柱固结的构造方式可如图5 所示，墩顶设置法兰盘，通过高强螺栓与钢箱梁底板连接，并在钢管混凝土桥墩顶部四周设置加劲钢板与钢箱梁底板焊接，使得墩梁固结更加牢固。钢管混凝土桥墩最后采用“无收缩混凝土”进行填充形成“钢管混凝土”结构。

图4 主梁与预制桥墩墩梁固结图

图5 主梁与钢管混凝土桥墩墩梁固结图

预制桥墩与承台的连接形式主要可分为：灌浆套筒、灌浆波纹管、构件承插式、超高性能混凝土、预应力、螺栓法兰连接等。魏红一[15]、包龙生[16]、Haraldsson[17]、贾俊峰[18]等众多学者分别对采用灌浆套筒、灌浆波纹管、承插式、预应力等连接的预制桥墩力学性能进行了详细的试验研究和理论分析。王景全等[19]根据抗震性能将预制桥墩连接体系分类为“等同现浇”和“非等同现浇”，并对各连接的研究成果进行了系统梳理。

灌浆套筒连接在我国使用最为广泛，其构造由连接套筒、螺纹钢筋、高强无收缩水泥灌浆料及配件组成，如图6 所示，推荐采用全灌浆套筒。预制墩身与承台通过灌浆套筒连接伸出的钢筋，其接触面往往采用砂浆垫层，可靠性主要取决于灌浆料、套筒及钢筋三者间的粘结强度。灌浆套筒连接属于干接头的形式，现场施工工期短、作业量小、无需模板，其受力状态与传统现浇桥墩相似，受力可靠，满足低烈度地区使用，因此具有一定的经济优越性，但套筒内浆料密实度难以检测，施工质量要求较高。

图6 灌浆套筒示意图

灌浆波纹管连接是通过灌浆预埋于承台内的波纹管进行构件的相连，如图7 所示。贾俊峰等[20]通过预制RC 墩抗震试验证实灌浆波纹管连接可用于强震区。传统金属波纹管壁厚较薄，与灌、排浆管焊接时不够牢固，且在混凝土浇筑振捣过程中易产生弯曲变形，故推荐采用由直缝或无缝钢管轧制而成的波纹钢管。承插式连接是将墩柱插入承台预留孔内后浇筑混凝土相连，其施工工序简单、现场作业量少，但其通常插入承台较深，导致承台尺寸较大，如图8 所示。徐艳等[21]研究了不同承插深度的墩柱力学特性后提出了最小承插深度值。UHPC 连接采用超高性能混凝土优秀的力学性能实现构件的连接。预应力连接是采用预应力筋连接墩身和承台，此方式造价高、施工工艺较复杂且施工时间较长。

图7 灌浆金属波纹管连接图

图8 承插式连接图

2 关键施工技术

2.1 天桥预制

预制厂场地规划和布置应进行专项设计，充分考虑装配式构件的全流程工艺。智能化建造基地应设置数字化管理中心、钢筋加工间、钢料库、下料区、箱梁智能生产线、混凝土拌合浇筑区、自动除锈涂装及成品堆放区等，如图9 所示。

图9 建造基地图

装配式人行天桥的预制构件主要有钢梁和桥墩。

1）预制钢梁

钢梁应按以下工艺流程制作：材料验收→下料→板单元制作→焊接组装→梁段涂装。

钢梁钢板制作时，先经过板材辊平机校平，消除钢板残余应力，以减少制造过程中的变形。板单元制造完成后进行多梁段连续匹配组焊和预拼装，此过程在胎架上一次完成。为保证钢箱梁节段制作精度及节段的连续性，节段制作需在长度方向加预留量，梁段组拼过程中，对梁段的长度方向进行二次配切，保证钢箱梁的组装精度满足设计要求。为延长结构的使用寿命并提升天桥景观效果，梁段拼接完后按要求进行防锈防腐涂装，钢结构涂装需符合现行《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》的要求。

跨径较小的简支人行天桥可整体预制钢梁后运至现场；跨径较大的人行天桥应分段预制，接缝位置宜根据构造相关要求和场地实施条件等设在受力较小部位，严禁设置在跨中和墩顶处。

2）预制混凝土桥墩

混凝土矩形和花瓶墩应按以下工艺流程预制：预制台座布置→钢筋加工及绑扎→模板定位安装→混凝土浇筑→拆模及养护，如图10 所示。

图10 立柱施工工艺

桥墩钢筋笼安装时应满足吊装需要，考虑固定的预埋件、保护层垫块等。钢筋笼中灌浆连接套筒安装相关施工技术应符合相关规定。灌浆连接套筒工厂内安装前应按厂家出具的有效型式检验报告和产品说明书对套筒的尺寸、配件和表观质量等进行检查。

3）钢管墩

钢管墩应按以下工艺流程预制：材料验收→钢管制作→附件焊接→钢管涂装。

进场的钢管、钢板等材料进行打磨除锈、喷涂底漆后，采用埋弧焊、CO2保护焊、手工电弧焊等形式进行钢管墩和附件的焊接，焊接完成后对钢管表面进行防腐防锈涂装。

2.2 天桥运输

施工单位应根据墩柱、钢箱梁的尺寸规格和现场情况等合理选择运输车辆种类和构件吊运设备。桥墩普遍采用平躺运输形式，采用枕木等柔性材料支垫，如图11 所示。人行天桥的预制墩柱尺寸小、重量较轻，可较好地实现一座天桥多个墩柱的一次性运输。钢箱梁可能存在超宽等运输情况，运输前应按照计划路线实地考察，确保路线复核要求。运输时，可采取安全有效的固定、减震措施，防止装卸和运输期间构件发生碰撞变形、损失和倾覆。施工单位应按照现行规范编制吊装运输全流程方案并上报有关单位，方案实施前需获得相关批复。

图11 预制桥墩运输示意图

2.3 天桥安装

1）钢箱梁安装

钢箱梁应按以下工艺流程安装：施工准备→临时支架搭设→临时和永久支座安装→钢箱梁节段吊装定位→钢箱梁焊接成型。

各类构件的吊装方案应进行专项设计。钢箱梁现场吊装应在人流、车流量少的夜间进行。钢箱梁在施工现场临时就位后，在钢箱梁两侧设置挡块，防止其滑移、倾覆，并在钢箱梁分段接口位置利用码板和匹配件对就位的梁段进行临时固定，防止其梁段位移。待吊装完毕焊接完成并达到质量验收要求后对临时固定措施进行拆除。

2）预制桥墩拼装

桥墩应按以下工艺流程拼装：基础处理→构件试吊装→座浆施工→墩柱吊装就位→调节设备→调节垂直度→灌浆套筒连接。

灌浆前应再次检查套筒，确保内腔通畅无杂物。灌浆连接应按以下工艺流程：高强度微膨胀浆料倒入设备搅拌→浆料倒入储浆装置→浆料倒入灌浆设备后接入压浆口→出浆口出浆→保持灌注→检查浆料饱满度→其余套筒压浆。

3）钢管墩安装

钢管墩应按以下工艺流程安装：墩柱钢筋笼施工→钢管吊装施工→混凝土施工。

3 附属构件标准化设计

装配式人行天桥附属构件标准化设计旨在通过统一设计和规范化生产，提高附属构件的质量、减少成本、缩短工期，并为不同项目提供通用、可替换的构件。对于每种附属构件，应制定标准的设计参数，包括尺寸、材料要求、承载能力等，方便构件的互换和替换。

3.1 天桥铺装

桥面铺装的样式和色调应结合周边环境进行合理设计。从环保、美观、舒适度、耐久性、防滑性等角度出发，推荐选用彩色陶瓷颗粒、花岗岩面砖等材料，如图12 所示。

图12 花岗石面砖路面和薄层彩色防滑路面

3.2 排水

桥面可采用自然排水的方式，在标高最低的桥墩处两侧布置雨水口，排水管沿桥墩垂直向下，接入就近市政排水管道。梯道栏杆底部宜设置挡水檐。

3.3 栏杆

栏杆宜采用装配式，通过螺栓或螺钉将各节段拼装相连后全桥布置，分布在桥面及梯道的两侧，高度不应小于1.1 m，竖向构件净距不小于110 mm。栏杆可采用预制不锈钢、铝合金、钢化玻璃等材质，样式应体现地域文化和景观特色。

3.4 绿化

桥面可设置模块化可移动种植池。主梁梁体外侧可通过支架承托将花架或花槽与钢板一体化牢固焊接方式进行绿化，在设计时应考虑花池对桥梁结构受力产生的不利影响。桥墩可利用固定支架达到垂直绿化效果。

3.5 外部装饰

天桥的外部装饰含顶棚、主体涂装或外挂装饰板、照明装置。

夏季暴晒多雨地区或有特殊景观要求的重要节点位置宜设置顶棚。顶棚应选用轻质材料如合金板材、不锈钢等，并保证可装配性，如图13 所示。外挂装饰板可首选预制混凝土挂板、预制铝板等，但其设置不能影响天桥日常的养护检修。功能性和景观性照明设计均应简约和谐，考虑炫光影响，相关灯具设施应与桥体结合，做到隐匿性。

图13 外部装饰示意图

3.6 无障碍设计

天桥设计时应秉持“以人为本”理念，考虑无障碍设计以满足特殊人群的需要。无障碍设施主要包含坡道、垂直电梯、自动扶梯、升降平台、盲道、标识和引导系统等。应注意天桥与路面人行道和公共交通的顺接。

4 结语

本文以装配式人行天桥的设计、施工为主线，对预制主梁、预制桥墩、节点间连接形式、附属构件的设计方法和相关理论研究进行了归纳总结，并梳理了各构件制作、运输和安装的施工工艺流程。主要结论如下：

1）高性能材料和新结构形式是装配式人行天桥在多样化美学标准下推广应用的重要保障。UHPC 箱梁、铝合金桁架桥、预应力混凝土Π 型梁、预制钢-混凝土组合梁（槽型、工字型）等不同构造均可用于后续标准化截面设计研究中，丰富天桥的造型。

2）构件的轻量化和全预制化是影响装配式人行天桥建造技术发展的重要因素。预制空心钢管墩、高强混凝土管墩等轻型结构的研发势必能满足山区等复杂环境条件下人行桥的应用。预制承台和PHC 管桩基础也可用于下部结构，实现全预制体系。

3）连接构造的设计是装配式人行天桥受力性能研究的关键。各连接方式桥墩在薄弱接缝处的耐久性、在高震区的抗震性能等主要技术问题亟需进一步研究。