淺談上海高架快速路橋梁結構設計的發(fā)展

王浩

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

橋梁結構

淺談上海高架快速路橋梁結構設計的發(fā)展

王浩

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

上海市快速路高架橋的建設經(jīng)歷近30 a，高架橋主體結構也從最初滿足功能要求、節(jié)省造價為主的類型，發(fā)展到現(xiàn)在在滿足功能前提下，更多地考慮施工快速、保護環(huán)境，提高工作效率等。為了順應發(fā)展的要求，設計從總體到細節(jié)，從每個構件著手，精心構思，不斷改進。

高架橋；結構更新；預制拼裝

0 引言

為了滿足日益繁忙的交通，上海市從1990年開始建設地面立體交通網(wǎng)。從最早的內環(huán)高架、南北高架、延安路高架，到以后的外環(huán)、中環(huán)、逸仙路高架、滬閔高架、嘉閔高架等周邊的多條快速路及各種大型的樞紐網(wǎng)等等，經(jīng)歷了近30 a的建設，隨著交通功能、環(huán)境保護等要求的不斷提高，橋梁結構從上到下、從總體到細節(jié)均發(fā)生了重大變革。

1 總體布置

隨著交通量的不斷增加，經(jīng)濟的不斷發(fā)展，道路的交通網(wǎng)越來越完善，高架橋線形越來越復雜，規(guī)模也越來越龐大。

（1）從總體布置上看，高架橋的長度在隨之增加；

（2）從局部的跨徑設置看，沿線需跨越的橫向道路、河道以及部分重要的商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)越來越多，地下管線錯綜復雜，給橋墩布置帶來很大困難，為此，設計逐步把標準跨徑從20 m左右優(yōu)化到30 m左右；

（3）從橫向看，由于在高架橋下還布置地面輔道系統(tǒng)，造成地面用地緊張，要求高架橋的橋墩盡量縮小橫向寬度，由此高架橋的橫向懸臂從7 m左右增加到10 m左右，而且在承臺的布置上，盡量將承臺寬度控制在地面分隔帶中，避免破壞地面道路的路基；

（4）從外觀上，設計力求整體結構的風格協(xié)調一致，梁高變化和橋寬變化處，設計盡量采用平緩過渡，避免視覺上的不和諧；

（5）從方便施工，節(jié)省工期考慮，橋梁的單體構件盡量標準化，提高工廠化預制構件的比例，減少現(xiàn)場工作量，提高工作效率、工程質量，從而也降低施工成本，節(jié)省工程造價。

2 上部結構

20世紀90年代的內環(huán)線、外環(huán)線、郊環(huán)線、滬杭高速、滬寧高速等高架橋，設計在滿足交通基本功能前提下，更多地考慮建設成本，施工方便，普遍采用當時上海地區(qū)非常流行的先張法簡支板梁，橋面連續(xù)結構。

上海地區(qū)位于軟土區(qū)域，以前的橋梁較多采用對控制沉降要求較低的簡支結構。對于跨徑大于或等于13 m但不超過22 m的跨徑可采用先張法預應力混凝土空心板梁(見圖1)。當時預應力空心板梁工廠預制工藝成熟、質量穩(wěn)定，運輸及安裝也較方便。當橋梁位于平曲線段，在彎曲半徑不小于1 000 m處，仍可用折線替代曲線做成直線形板梁，利用板梁的懸臂來調整曲線。且當時簡支空心板梁結構的最大優(yōu)勢在于施工快速、投資節(jié)省。

圖1 簡支板梁斷面

在內環(huán)線、外環(huán)線以及郊環(huán)線工程中大量使用該結構。隨著這些工程陸續(xù)建成通車，交通量增長快速，據(jù)養(yǎng)護部門及檢測部門反映，簡支板梁逐漸暴露出一些無法避免的缺陷：

（1）外形單一，景觀上造成視覺疲勞；

（2）當時簡支板梁的橫梁連接采用鉸接，鉸接構造在理論上可行，但往往施工難以達到完整鉸接效果，特別在重型車輛下鉸縫的耐久性非常差，造成大量鉸縫處漏水，運營階段的養(yǎng)護成本大。

在設計上，隨著交通量的增大，高架橋的車道從4車道提高到了6車道，橋寬在25～30 m，且需跨越眾多路口，20 m左右的跨徑相對于橋寬略顯偏小，且20 m左右跨徑的跨越能力較差。顯然鉸接板梁已無法適應高架橋的發(fā)展要求，故在南北高架、中環(huán)高架、嘉閔高架等設計中設計采用30 m作為標準跨徑，并在橫向采用剛性連接，增加了整體性，行車舒適性，減少養(yǎng)護工作量。適合30 m跨徑的橋梁結構有簡支T梁、簡支小箱梁和連續(xù)箱梁。

簡支T梁（見圖2）和簡支小箱梁（見圖3），施工便捷，對地面交通影響小，本身的剛度整體性較簡支板梁好，在墩頂處可以橋面連續(xù)也可結構先簡支后連續(xù)，缺點在于外形單一，景觀效果一般，且無法適應平面線形復雜處的布置。

圖2 簡支T梁斷面

圖3 簡支小箱梁斷面

大箱梁（見圖4～圖7）的整體剛度、耐久性、行車舒適性是其他構件無法比擬的，且外形多變、美觀，對于平面線形曲線復雜處也能完全適應，缺點在于施工時搭設的滿堂支架對地面交通影響較大，造價也略高。

圖4 直腹板大箱梁

圖5 魚腹形大箱梁

圖6 雙弧形大懸臂箱梁

圖7 弧形大懸臂箱梁

針對這些結構的不同特點，設計在標高較高、跨越河道、跨越重要路口以及景觀要求不高處基本采用簡支T梁和小箱梁，例如跨黃浦江大橋兩側的引橋、嘉閔高架等；在景觀要求高，平面線形復雜區(qū)域，以及施工場地允許情況下較多采用現(xiàn)澆箱梁或鋼箱梁，例如南北高架、延安路高架、虹橋樞紐、滬閔高架等。

3 下部結構

隨著上部結構的改變，高架橋的下部結構也隨之變化，除了滿足上部結構受力要求，更較多地考慮景觀效果，和節(jié)省土地的需要。

配合簡支結構的下部結構基本為立柱加蓋梁，對于外環(huán)線、郊環(huán)線或高速公路橋梁，地面不設輔道處，設計往往采用最經(jīng)濟的排架墩橋墩形式（見圖8），即鋼筋混凝土圓形立柱和矩形蓋梁。在要利用橋下凈空設地面輔道處，設計基本采用雙柱墩或獨柱墩加大懸臂預應力混凝土蓋梁（見圖9、圖10）。

圖8 排架墩

圖9 雙柱墩

圖10 獨柱墩

根據(jù)受力需要和景觀效果，蓋梁的橫斷面也形式多樣，如上部結構是先簡支后連續(xù)構造，則蓋梁斷面采用平頭蓋梁（見圖11），對于懸臂較大的蓋梁，為了增加蓋梁的高度則要采用T型蓋梁（見

圖11 平頭蓋梁

圖12 倒T蓋梁

圖13 T型蓋梁

配合連續(xù)梁結構的下部結構基本為鋼筋混凝土立柱加系梁，橋墩的整體外形與上部的箱梁外形要協(xié)調，立柱的間距要滿足地面分隔帶寬度要求，立柱上端根據(jù)箱梁支座間距的要求需設向兩側的弧度，增大立柱上端部橫向尺寸（見圖14），并根據(jù)受力要求設置上系梁。

圖14 連續(xù)梁橋墩

連續(xù)梁橋墩立柱的斷面形式也根據(jù)需要可以進行多種變化（見圖15）。

圖15 連續(xù)梁橋墩立柱斷面

4 樁基

在橋梁結構的選型中，樁基的類型向來是整個工程的重點，選用樁基的幾個因素：

第一，根據(jù)地質情況選用樁基；

第二，根據(jù)受力情況合理布置樁基；

第三，根據(jù)周邊的建筑物、地下管線等來選用樁基。

合理的樁基設計可以避免對地面輔道路面的破壞，降低承臺厚度，減少施工時的開挖工作量，也可節(jié)省工程造價。

早期更多地是考慮節(jié)省造價、節(jié)省工期，高架橋的樁基普遍采用預制打入樁，內環(huán)高架時期采用450 mm×450 mm預制鋼筋混凝土小方樁（見圖16），總長度在30 m左右，分2～3節(jié)樁，上下節(jié)樁采用角鋼焊接連接。

圖16 鋼筋混凝土方樁(單位：mm)

隨著高架橋建設規(guī)模的增加，以及施工過程中的經(jīng)驗，預制鋼筋混凝土小方樁的缺點也暴露無疑：

（1）截面尺寸小，承載力不高，特別是承受水平荷載能力差，使得墩臺下配置的樁根數(shù)較多，造成承臺較大；

（2）截面尺寸小，樁長有限，有些區(qū)域樁端到不了良好持力層；

（3）打樁時易樁頭破碎，樁身易歪。

為此在高架橋設計中逐步用PHC預應力管樁（見圖17）和鉆孔灌注樁替代鋼筋混凝土小方樁。

圖17 PHC預應力管樁

高架橋中常用的PHC預應力管樁樁徑在600 mm，截面為薄壁結構，內配預應力筋，樁長可以達到45 m左右，分3～4節(jié)樁，上下節(jié)樁通過法蘭焊接連接，樁端有開口的樁靴，在計算承載力時端承力可按全斷面計算，同樣長的600 mm直徑PHC預應力管樁承載能力與直徑800 mm的鉆孔灌注樁相當，但造價比鉆孔灌注樁要低許多，而與小方樁比垂直承載力和抗彎能力均有較大提高，故而可以大大減少樁基的根數(shù)，縮小承臺尺寸，加快施工工期，故設計在上海高架橋設計中大量采用PHC預應力管樁。

但由于打入樁在施工中對周邊的房屋建筑、管線均有不利影響，當需穿越一定厚度較密實的中密砂層時，沉樁有一定難度，且在有高壓線處樁架施工會有一定的危險，故遇到這些區(qū)域鉆孔灌注樁存在較大優(yōu)勢，施工時基本沒有擠土效應，對周邊的建筑、管線沒有破壞影響，只要控制施工質量，鉆孔灌注樁的沉樁沒有困難，且鉆孔灌注樁沒有樁上下節(jié)的連接，抵抗水平力和抗彎能力比較強。鉆孔灌注樁另一種優(yōu)勢即樁徑靈活，可以根據(jù)具體情況進行調整，適應性強。

5 預制拼裝在高架橋中的運用

2014 年上海市發(fā)布了《上海市綠色建筑發(fā)展三年行動計劃（2014-2016）》；2016年上海市交通委員會發(fā)布《上海市交通建設裝配式技術應用推廣方案（2016年-2018年）》，大力推廣全預制裝配式橋梁，預制裝配式技術具有構件生產(chǎn)標準、現(xiàn)場安裝快速便捷、施工節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。減少對大氣環(huán)境和道路交通的影響，提升工程品質和安全質量、文明施工水平。其生產(chǎn)手段要求：工廠化、專業(yè)化、裝配化、信息化。為了順應發(fā)展要求，在近期的上海高架橋設計中大量采用預制裝配構件（見圖18）。

圖18 橋梁預制配裝示意

目前在嘉閔高架部分路段中和S3先期實施段工程中，除樁基和承臺外，其他主體構件均采用預制配裝構件。上部結構采用預制的小箱梁，先簡支后連續(xù)，與以往小箱梁的設計相比，現(xiàn)在的設計最大程度上減少現(xiàn)場工作量，將復雜點在預制廠中解決，主要措施：

（1）減小小箱梁之間的濕接縫寬度到30 cm（見圖19），為了減少現(xiàn)場鋼筋焊接工作量，加快施工速度，設計引進了超高性能混凝土（UHPC），并利用超高性能混凝土延性好，收縮應變小的優(yōu)點，有效控制裂縫寬度，增加了結構耐久性；

圖19 小箱梁濕接縫示意(單位：m)

（2）在變寬段，將預制梁設計成變寬，現(xiàn)場施工的濕接縫仍保持30 cm。

在下部結構的設計中整體預制吊裝，或根據(jù)起吊荷載的限重將蓋梁和立柱構件進行合理分段或，在現(xiàn)場就位后再連接成整體（見圖20）。

圖20 蓋梁吊裝示意

蓋梁與立柱的連接、立柱與承臺的連接，設計采用套筒連接（見圖21）或金屬波紋管連接等連接方式（見圖22）。

圖21 套筒連接構造

圖22 金屬波紋管連接構造

并且在工程實施期間，設計配合業(yè)主和施工單位對新材料、新工藝進行多項試驗，為今后大規(guī)模地進行預制配裝橋梁提供了重要的可靠數(shù)據(jù)。

6 附屬結構的改進

在高架橋的不斷建設和實際運營過程中，管理人員將日常養(yǎng)護的經(jīng)驗及時反饋設計，設計也依次不斷在優(yōu)化設計，特別在高架橋的附屬結構中體現(xiàn)尤為明顯。具體體現(xiàn)在：

（1）在簡支梁橋的連續(xù)縫中增設止防塵、止水構造；

（2）優(yōu)化防撞欄桿上伸縮縫處處理，放棄原先簡單的嵌縫膠處理，采用帶止水效果的風琴式或異性鋼構造；

（3）橋面防水層也改進到采用纖維增強型防水層，并加強鋪設前混凝土面層的清理措施；

（4）連續(xù)梁支座處的擋塊也由原混凝土擋塊改為輕巧實用的預制鋼擋塊；

（5）橋墩的排水管曾經(jīng)有過外置式、內置式，目前結合排水性能、養(yǎng)護便捷以及景觀效果，采用立柱開槽式。

這些改進雖然不涉及橋梁的安全，但是對整個城市的市容、行車的舒適、結構的耐久性、養(yǎng)護管理帶來較大改善。

7 結語

作為城市的建設者，通過不斷地改進設計手段，更新設計構思，引進新材料，來優(yōu)化我們的作品，讓我們的作品跟上城市快速發(fā)展的節(jié)奏，讓我們的作品更加人性化，不斷向綠色環(huán)保、節(jié)能方向發(fā)展。

重慶市推進高速公路建設 年底通車里程將達3 000 km

從重慶到貴陽的渝黔高速公路重慶段，年內將啟動擴能建設，這將為當?shù)匦略鲆粭l雙向6車道的高速公路。

此次渝黔高速重慶段改擴建，總里程接近100 km，線路走向與現(xiàn)有的渝黔高速基本平行，但比現(xiàn)有的渝黔高速更寬，雙向增加了兩個車道。按照規(guī)劃，這個擴能項目預計在2021年開通運營，可以有力地緩解渝黔高速的擁堵現(xiàn)狀。

根據(jù)《重慶市高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2013～2030年）》，重慶市計劃的“三環(huán)十二射多聯(lián)線”總規(guī)模近5 000 km，對外出口通道達到28個。截至2016年底，重慶市高速公路通車里程為2 818 km，對外省際通道出口達16個。預計到今年底，該市將新增通車4個項目184 km，高速公路通車里程達到3 000 km，省際出口通道達到19個。

U448.28

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1009-7716（2017）08-0080-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.025

2017-04-06

王浩（1968-），男，上海人，高級工程師，從事橋梁設計與咨詢工作。