滬杭高速公路橋改建工程總體設(shè)計特色與技術(shù)創(chuàng)新

湯岳飛

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

1 工程概況

杭申線（上海段）航道位于上海市西南部，起于上海市和浙江省省界，橫穿青浦、松江地區(qū)，至分水龍王廟，全長17.24 km。杭申線（上海段）跨航道橋梁改建工程包括滬杭高速公路大蒸港橋改建和三和橋、朱楓公路大蒸港橋、蒸浦大橋、滬杭高速公路橋四座橋梁防撞工程。

滬杭高速公路大蒸港橋位于上海市松江區(qū)，老橋建成于1997年，總長1570.64 m，由南向北依次上跨老滬昆鐵路、在建新滬昆鐵路、杭申線III級航道和下穿S32高速公路（見圖1）。老橋為分離式兩幅橋，單幅橋?qū)?5.75 m；上部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段為20～22 m空心板梁，跨滬昆鐵路和杭申線航道為35～40 m簡支T梁；下部結(jié)構(gòu)為框架式橋墩、預(yù)制打入方樁、輕型橋臺。

圖1 滬杭高速公路橋改建工程地理位置圖

由于杭申線航道通航凈高提高、新滬昆鐵路線位調(diào)整和鐵路通行凈高的提高，滬杭高速公路老橋已不能滿足航道和鐵路的通行要求，因此需將老橋主橋拆除重建、對引橋進行整體抬升；同時，橋梁斷面考慮近遠期結(jié)合，近期滿足上海市干線高速公路規(guī)劃雙向6車道規(guī)模要求，遠期滿足改為城市快速路雙向8車道標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，滬杭高速公路斷面布置上還需對老橋進行拼寬。

改建后滬杭高速公路橋平面線位與老橋相同，并在杭申線北側(cè)與S32預(yù)留匝道相接；改建橋梁長度為1730.58 m，分離式雙幅橋布置，標(biāo)準(zhǔn)段單幅橋?qū)?8.25 m，與S32匝道相接處單幅橋?qū)?2.25 m，橋梁總面積為65968.596 m2，橋梁工程建安費約3.2億。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 航道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

杭申線航道按Ⅲ級通航標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計最高通航水位3.90 m，設(shè)計最低通航水位1.75 m，有效的通航凈寬需不小于42.5 m，有效的通航凈寬范圍內(nèi)通航凈空高度需不小于7.0 m，各通航孔兩側(cè)的側(cè)高不小于6.0 m，如圖2所示。

圖2 杭申線III級航道通航尺度斷面圖（單位：m）

2.2 橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：高速公路。

（2）設(shè)計車速：120 km/h。

（3）荷載等級：

公路Ⅰ級（新標(biāo)準(zhǔn)，適用于新建橋梁部分）；

汽車—超20級，掛車—120標(biāo)準(zhǔn)（老標(biāo)準(zhǔn)，適用于老橋改建部分）。

（4）橋梁凈空：

橋梁通航孔凈高：7.0 m；

跨越老滬昆鐵路凈空：6.55 m；

跨越新滬昆鐵路凈空：7.96 m。

（5）橋梁設(shè)計安全等級：新建橋梁部分采用一級。

（6）橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)：新建橋梁部分γ0=1.1。

（7）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：

新建橋梁部分：抗震設(shè)防烈度7度，地震動峰值加速度0.10 g，橋梁抗震設(shè)防類別為B類，橋梁抗震設(shè)防措施等級為8度；

老橋改建部分：維持老標(biāo)準(zhǔn)。

3 總體設(shè)計

3.1 總體設(shè)計原則

3.1.1 保證交通

滬杭高速公路是連接上海和杭州的主要汽車通道，交通量大；其上跨的老滬昆鐵路為聯(lián)系上海-昆明方向重要鐵路干線，交通繁忙；杭申線航道是連接上海與杭州的主要內(nèi)河航道，船只眾多。針對以上限制條件，老橋改建必須保證施工期間滬杭高速公路、滬昆鐵路和杭申線航道的暢通。

3.1.2 環(huán)保節(jié)約

老橋建成于1997年，經(jīng)檢測，老橋結(jié)構(gòu)總體工作性能良好，本著可持續(xù)發(fā)展的理念，改建工程應(yīng)充分利用老橋結(jié)構(gòu)，避免大拆大建造成的環(huán)境影響和經(jīng)濟浪費。

3.1.3 施工可行

改建工程施工限制條件多，橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)便于施工，適當(dāng)減少施工難度，在施工中體現(xiàn)集中、方便、快速、文明的特點。

3.1.4 技術(shù)創(chuàng)新

在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，老橋改建應(yīng)盡量使用新技術(shù)、新工藝，體現(xiàn)橋梁建設(shè)的最新成果。

3.2 工程總體設(shè)計

滬杭高速公路橋改建工程總體上分為主橋和引橋兩個部分，其中主橋為2×75 m連續(xù)組合箱梁，分離式雙幅橋布置，單幅橋總寬22.25 m，主橋懸臂下方掛有人行通道，通過航道兩岸坡道與地面順接供附近居民過河；引橋按分離式雙幅橋布置，標(biāo)準(zhǔn)段單幅橋?qū)?8.25 m，共分為六部分（見圖3）。

第一為老橋引橋頂升利用段，全長524 m，分為三聯(lián)進行整體頂升；

第二為老橋引橋吊開接高利用段，全長718 m，將老橋板梁吊開后對橋墩進行接高利用；

第三為老橋拼寬段，標(biāo)準(zhǔn)段單幅橋外側(cè)拼寬2.5 m，A15立交主橋附近最大拼寬寬度為6.5 m；

第四為老滬昆鐵路兩側(cè)引橋廢棄板梁改建段，共兩聯(lián)異型現(xiàn)澆空心板梁；

第五為新建滬昆鐵路段，上跨新滬昆鐵路采用50 m現(xiàn)澆簡支箱梁，鄰跨配置T梁或空心板梁；

第六為老橋臺后新建段，老橋整體抬高后需新建一段引橋與現(xiàn)場道路順接。

為盡量減小施工期間對滬杭高速公路的影響，工程采取半幅通車、半幅封閉施工的方案改建，即先將一幅老橋改造成雙向4車道維持現(xiàn)狀交通，另一幅橋封閉進行改建施工，改建完成后再進行翻交（見圖4）。

圖3 滬杭高速公路橋改建工程總體構(gòu)成示意圖

圖4 施工期間交通組織設(shè)計示意圖（單位：m）

3.3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

老橋跨杭申線航道為（35+40+40+35）m四跨一聯(lián)簡支T梁，水中共設(shè)三個橋墩，梁底標(biāo)高不滿足III級航道通航要求。為滿足航道雙孔單向通行凈寬要求，新建主橋需拆除老橋兩個次邊墩，將老橋中墩改造為主橋主墩，跨徑調(diào)整為2×75 m；主橋分離式雙幅橋布置，因S32加減速匝道布置要求，單幅橋總寬增加至22.25 m。受杭申線通航凈高和已建S32相交匝道標(biāo)高控制，新建主橋應(yīng)采用梁高較小的結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)過比選，最終采用等高度單箱單室大懸臂鋼-混凝土組合箱梁，梁高4.0 m。為滿足杭申線兩側(cè)行人過河需求，主橋內(nèi)側(cè)懸臂下外掛1.25 m寬人行道。由于老橋主墩樁基礎(chǔ)采用450 mm截面方樁，通過鉆孔樁和鋼管樁成樁方案比選，主橋主墩推薦采用φ609 mm鋼管樁基礎(chǔ)，以方便水上基礎(chǔ)施工，橋墩為實體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并設(shè)有分離式防撞墩及橡膠緩沖墊。

大懸臂組合箱梁由槽型鋼主梁和混凝土橋面板兩部分組成，典型斷面如圖5所示。

圖5 組合箱梁典型斷面示意圖（單位：mm）

鋼主梁采用Q345qD鋼材。箱梁頂板寬1.2 m～1.5 m，板厚30 mm～46 mm；底板寬8.15 m，板厚26 mm～36 mm，設(shè)有 9道 20 mm×300 mm“T”肋；兩道腹板等高布置，板厚20 mm～36 mm，腹板受臨時墩及頂升回落施工影響，上緣及下緣各設(shè)一道6 mm厚“U”形縱向加勁肋，間距2 m左右布置一道14 mm×210 mm的T形橫向加勁肋。鋼主梁以4.0 m或4.3 m間距設(shè)置跨中空腹式橫梁和支點實腹式橫梁，橫向連結(jié)系對應(yīng)位置設(shè)φ299 mm×16 mm無縫鋼管作為懸臂部分斜撐。為保證槽型鋼主梁吊裝過程中的穩(wěn)定，邊支點、中支點、臨時吊點和臨時支撐點附近均設(shè)有由φ203×10 mm無縫鋼管組成的水平聯(lián)接撐。鋼主梁通過布置于鋼梁頂板的圓頭焊釘剪力釘與混凝土橋面板連接，剪力釘直徑22 mm，高度為200 mm，順橋向間距150 mm～300 mm。

混凝土橋面板現(xiàn)澆部分寬度22.05 m，板頂橫坡單向2.0%，板底與鋼箱梁頂板接觸部分為平坡，其余均為斜坡，橋面板板厚均為300 mm，采用C50復(fù)合纖維混凝土。橋面板按允許開裂、控制裂縫寬度的原則設(shè)計，縱向不設(shè)置預(yù)應(yīng)力，普通鋼筋適當(dāng)加強；橫向按0.45 m標(biāo)準(zhǔn)間距設(shè)置15-3型橫向預(yù)應(yīng)力以平衡大懸臂產(chǎn)生的較大負(fù)彎矩拉應(yīng)力。橋面板內(nèi)無縱向預(yù)應(yīng)力的設(shè)計既方便了施工，也為后期橋面板更換提供了可能性。

主橋在中支點前后12 m范圍內(nèi)采用雙層組合結(jié)構(gòu)，即除頂面混凝土橋面板外，在鋼梁底板上設(shè)置350 mm～500 mm厚的雙結(jié)合混凝土，通過剪力釘與鋼梁底板結(jié)合，通過混凝土參與中支點底緣受壓，達到減小鋼板厚度、調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的目的。

對組合結(jié)構(gòu)橋梁，通過合理的施工方案可以調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)分擔(dān)總體受力；該工程主橋主要采用分段澆筑混凝土橋面板和鋼梁頂升與回落調(diào)整內(nèi)力分配。

3.4 老橋改建設(shè)計

老橋跨現(xiàn)狀滬昆鐵路處為兩跨35 m簡支T梁，與鐵路逆交35°。為了施工時不能中斷鐵路運營，經(jīng)上海鐵路局論證通過，老橋頂升是鐵路局唯一認(rèn)可的改建方案?？紤]到減小頂升時的偏心荷載，頂升范圍確定為跨鐵路的兩跨T梁及其前后各一跨空心板梁，即（22 m空心板梁+2×35 mT梁+22 m空心板梁）共144 m一聯(lián)頂升，同時將該頂升聯(lián)前后的斜交轉(zhuǎn)正孔異型空心板梁予以拆除重建為現(xiàn)澆異型空心板梁。跨鐵路頂升聯(lián)最大頂升高度為4.641 m，頂升高度大（最大達4.641 m）、頂升后立柱高度高（最高達16.828 m）、同時頂升聯(lián)長大、頂升時橋面縱坡有調(diào)整、頂升同步要求高等特點。頂升難度、風(fēng)險大，為驗證頂升工藝的可靠性，開展了《長聯(lián)超大幅度橋梁頂升關(guān)鍵技術(shù)研究》科研項目，2010年獲得了專家評審?fù)ㄟ^，更具有施工操作可行性，大大降低了頂升風(fēng)險。

受航道和鐵路標(biāo)高控制，改建后橋梁標(biāo)高比老橋標(biāo)高增加最大7.399 m，改建后橋墩立柱高度最大達17.649 m，若采用頂升方案，則頂升高度和頂升支撐高度均過高，頂升風(fēng)險和難度過大，故對不受鐵路影響、抬升高度大的老橋部分選用吊開空心板梁接高橋墩方案進行改建，即先將老橋空心板梁吊開、拆除老橋蓋梁，對老橋基礎(chǔ)補打鉆孔灌注樁、對承臺進行幫寬加厚，對立柱進行加粗接高，再新建蓋梁，最后將經(jīng)檢驗合格的老橋板梁重新吊裝，涉及板梁利用率問題經(jīng)上海市建交委科技委專題會議確定為60%。

頂升和吊開接高兩種方案，與老橋下部結(jié)構(gòu)改造方法類似，均需按靜力和抗震計算結(jié)果，對老橋基礎(chǔ)進行補強、對承臺拼寬加厚并對立柱加粗接高?；A(chǔ)補強采用鉆孔灌注樁，以盡量減小樁基施工對老橋結(jié)構(gòu)的影響。承臺加寬加厚部分通過植筋與老承臺進行連接。頂升方案一般選擇在柱底位置切斷老橋立柱，將立柱上端和蓋梁及上部結(jié)構(gòu)一起頂升，老橋蓋梁直接利用；吊開利用方案則選擇在柱頂切斷立柱將老蓋梁拆除，立柱接高加粗后再按新規(guī)范新建蓋梁。立柱切斷后通過機械連接將原立柱內(nèi)鋼筋接長，通過植筋將立柱底部加粗，如圖6所示。頂升方案需在下部結(jié)構(gòu)改建完成后進行二次頂升更換老橋支座，吊開方案利用新建蓋梁直接換用新支座。

老橋頂升采用頂蓋梁方案，即將老橋立柱在柱底一定高度截斷，用液壓千斤頂同步頂升老橋蓋梁到設(shè)計標(biāo)高。液壓千斤頂分兩組布置在每個老橋立柱周圍，其中一組作為工作頂起抬升作用，另一組作為跟隨頂在頂升時同步跟隨蓋梁抬升，起到安全保證的作用。整個液壓千斤頂系統(tǒng)通過計算機自動控制技術(shù)保證頂升的同步性。

頂升支撐體系是頂升施工安全的關(guān)鍵所在。該工程頂升支撐體系高度較高，采用常規(guī)鋼管支撐風(fēng)險很大，設(shè)計采用了先搭設(shè)固定的混凝土頂升平臺、再在平臺上安裝可接高的鋼管體系組成的支撐體系；同時混凝土頂升平臺能約束截斷老橋立柱，起到頂升時的限位作用。

3.5 老橋拼寬設(shè)計

滬杭高速公路老橋為分離式兩幅橋，單幅橋?qū)?5.75 m；改建工程按遠期雙向8車道（不設(shè)應(yīng)急停車帶，車道寬3.75 m）一次辟筑，單幅橋?qū)?8.25 m，每幅橋外側(cè)需拼寬2.5 m。為了與S32高速公路預(yù)留的兩條匝道相接，分合流口拼寬寬度為6.5 m。

拼寬部分位于老橋外側(cè)，采用與老橋一致的橋跨布置?？紤]到拼寬部分與老橋結(jié)構(gòu)剛度應(yīng)盡量一致，標(biāo)準(zhǔn)段拼寬部分上部結(jié)構(gòu)與老橋相同，采用20 m～22 m簡支空心板梁；跨老滬昆鐵路老橋為35 m簡支T梁，拼寬寬度僅2.5 m，若采用T梁拼寬則自身穩(wěn)定性較差，故采用35 m跨簡支小箱梁拼寬；S32匝道分合流口拼寬部分為變寬異型結(jié)構(gòu)，采用簡支現(xiàn)澆箱梁以適應(yīng)復(fù)雜的平面線形變化。拼寬2.5 m部分下部結(jié)構(gòu)采用獨柱墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)接承臺；變寬部分下部結(jié)構(gòu)采用雙柱墩、鉆孔灌注樁接承臺。

圖6 老橋立柱改造方案（單位：mm）

老橋拼寬的關(guān)鍵在于新老結(jié)構(gòu)的連接，經(jīng)多方案比選，該工程采用“上連下不連”的連接方式（見圖7）。老橋外側(cè)防撞欄拆除后，鑿除老橋邊梁部分懸臂，露出原板梁內(nèi)鋼筋與拼寬板梁預(yù)留鋼筋一一對應(yīng)焊接，最后澆筑微膨脹碳纖維混凝土將新老梁體連接成一體，同時在拼縫位置設(shè)一凹槽并嵌入防水密封膠以釋放不均勻沉降可能造成的拉應(yīng)力。

圖7 拼寬結(jié)構(gòu)連接示意圖（單位:mm）

老橋基礎(chǔ)采用預(yù)制方樁，拼接下部結(jié)構(gòu)為減小樁基施工對老橋的影響，采用鉆孔灌注樁。設(shè)計選用較小樁徑、較多樁數(shù)、適當(dāng)樁長，輔以樁底后壓漿技術(shù)來控制沉降，在上部結(jié)構(gòu)施工前還要求基礎(chǔ)預(yù)壓進一步減少工后沉降。由于拼寬獨柱墩高度較大（最大18.628 m），橫向穩(wěn)定性較差，設(shè)計采用可限制橫向位移但允許豎向位移的裝置將新老蓋梁進行“弱連接”，以改善獨柱墩的橫向穩(wěn)定性（見圖8）。該裝置有錨栓和預(yù)埋鋼板組成，其螺栓孔呈長圓端形，可允許螺栓豎向位移但不可橫向位移，達到對拼寬蓋梁橫向限位同時允許其豎向沉降的目的。

圖8 新老蓋梁弱連接示意圖

4 設(shè)計特色及技術(shù)創(chuàng)新

該工程設(shè)計有如下特點及技術(shù)創(chuàng)新點：

（1）改建工程充分利用老橋結(jié)構(gòu)，通過頂升、板梁利用及拼寬等措施，最大限度地利用了既有資源，避免了完全拆除重建造成的大量廢棄物，節(jié)約資源、保護環(huán)境，體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計思路；利用分幅施工、分幅維持交通的方案，避免了臨時交通便橋工程，降低了工程造價。

（2）設(shè)計方案保證了交通暢通，通過分幅實施保證滬杭高速公路不中斷、利用頂升充分利用鐵路運行間隙施工減小對滬昆鐵路的影響、主橋鋼結(jié)構(gòu)采用大節(jié)段吊裝可維持杭申線航道現(xiàn)有通航狀態(tài)。

（3）主橋采用連續(xù)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)梁，并進行了精細(xì)化分析和施工方案優(yōu)化，其22.25 m橋?qū)挻髴冶劢孛嫘翁岣吡虽摿豪眯?、通過頂升回落等施工手段進一步優(yōu)化了結(jié)構(gòu)受力，充分利用了組合結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)受拉、混凝土受壓的結(jié)構(gòu)特性，實現(xiàn)了較好的全壽命經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)；同時，組合結(jié)構(gòu)橋梁的混凝土橋面板直接承受車輪荷載的作用，且橋面板處于橋梁結(jié)構(gòu)的頂層，各種有害物質(zhì)通過裂縫對橋面板中鋼筋產(chǎn)生侵蝕作用，降低橋面板的工作性能和承載能力，因此混凝土橋面板因為養(yǎng)護不當(dāng)或不到位，引起的損害問題不容忽視?；炷翗蛎姘瀹a(chǎn)生裂縫幾乎是不可避免的，如果要求混凝土橋面板設(shè)計壽命與鋼結(jié)構(gòu)相同，有可能大大提高橋梁建造成本。因此，從橋梁全壽命經(jīng)濟性設(shè)計觀點出發(fā)，該橋混凝土橋面板設(shè)計為可更換結(jié)構(gòu)，結(jié)合九堡大橋的有益設(shè)計經(jīng)驗，在橋梁設(shè)計時提出了混凝土橋面板更換修補預(yù)案。

（4）大規(guī)模采用頂升工藝進行老橋改造，具有頂升高度大、支撐體系高度大、頂升長度長等特點；設(shè)計采用的混凝土平臺加常規(guī)鋼管的頂升支撐體系具有整體性好、體系剛度大、可有效限位等優(yōu)點，很好地解決了施工難度、降低了施工風(fēng)險。

（5）老橋板梁吊開，既充分利用了老橋結(jié)構(gòu)、又避免了過大高度的頂升風(fēng)險，是高墩老橋改建的一種較好方案；承臺拼寬加厚、立柱接高加粗充分利用了植筋、新老混凝土連接等技術(shù)，體現(xiàn)了老橋改造的新技術(shù)。

（6）老橋拼寬結(jié)構(gòu)合理選型，保證了新老橋梁總體剛度一致；采用“上連下不連”的連接方式，減小了拼寬對老橋結(jié)構(gòu)的不利影響；蓋梁弱連接構(gòu)造有效地限制了拼寬獨柱墩橫向位移，保證了橋墩橫向穩(wěn)定；采取樁底后壓漿和預(yù)壓工藝，有效控制了拼寬結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降。

5 結(jié)語

滬杭高速公路橋改建工程集合了近年來迅猛發(fā)展的內(nèi)河航道整治跨航道橋梁改建、高速公路橋梁拓寬改建和跨鐵路橋梁改建等多種類型工程的特點，綜合采用了大跨徑鋼-混凝土連續(xù)組合梁橋、橋梁頂升、橋梁拼寬等手段，很好地解決了該工程的實際問題。隨著內(nèi)河航道整治工程的迅猛發(fā)展、高速公路改建工程的大量涌現(xiàn)，以及鐵路建設(shè)日新月異導(dǎo)致涉鐵工程顯著增多，將有更多類似工程出現(xiàn)。該工程的解決思路和設(shè)計方案可作為類似工程的參考。

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