上海城市軌道交通明珠線跨中山北路
鋼與混凝土組合梁橋設(shè)計(jì)與施工
馮愛軍 王征宇
(北京市城建設(shè)計(jì)研究院)
摘 要：介紹了上海城市軌道交通明珠線特殊大橋-中山北路橋設(shè)計(jì)與施工概況及主要技術(shù)要點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)。中山北路橋上跨道路主要干道環(huán)線中山北路高架橋，為三跨30m+55m+30m預(yù)應(yīng)力混凝土與鋼組合連續(xù)梁橋，即邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，并自中墩支點(diǎn)向跨中伸出2.5m與預(yù)制箱梁縱向連接，經(jīng)體系轉(zhuǎn)換形成連續(xù)梁，鋼梁上橋面板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用剪力釘連接技術(shù)形成組合梁。目前該橋已施工完畢，經(jīng)驗(yàn)收，質(zhì)量被評(píng)為優(yōu)良。
關(guān)鍵詞：組合梁; 連接技術(shù)；設(shè)計(jì)與施工技術(shù)；
一、概述
中山北路橋位于軌道交通明珠線與上海市中山北路、西體育路、新市路、西江灣路的交匯處, 上跨道路中山北路高架橋，與其斜交角約為30°。橋梁上部結(jié)構(gòu)為三跨（30+55+30米）連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，其兩邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，梁高為1.90～2.35米。中跨為鋼－混凝土結(jié)合梁，梁高2.35米，全橋?qū)?.9～8.92米。橋梁中墩采用圓形獨(dú)柱結(jié)構(gòu)，直徑2.0米，墩高16.804米(1#墩)和15.604米(2#墩) 。兩邊墩為雙矩形柱加系梁結(jié)構(gòu)，墩高18.301米(0#墩)，15.591米(3#墩) 。基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁、承臺(tái)結(jié)構(gòu)。
二、橋型選擇
(一)方案選擇
由于城市交通的發(fā)展，城市立交橋跨越主要交通干道時(shí)有發(fā)生，針對(duì)這種跨度大、曲線斜交的橋梁，常采用的橋梁型式有預(yù)應(yīng)力混凝土梁或鋼與混凝土結(jié)合梁。預(yù)應(yīng)力混凝土梁常用的施工方法有支架現(xiàn)澆和懸臂澆注法，支架施工嚴(yán)重影響相交主路交通，而懸臂澆注時(shí)由于采用的掛籃等施工設(shè)備需占用一定空間，增加了橋梁高度，而造成不必要的浪費(fèi)。連續(xù)結(jié)合梁施工時(shí)常采用分段制作現(xiàn)場(chǎng)拼裝，主跨接頭一般設(shè)在彎距零點(diǎn)附近，拼裝時(shí)須在接頭處搭設(shè)臨時(shí)支架，仍會(huì)局部影響主路交通。而簡(jiǎn)支結(jié)合梁梁高較高，跨度受到限制。因此，尋找一種跨度大、重量輕、能預(yù)制安裝的橋梁結(jié)構(gòu)形式非常必要，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁與結(jié)合梁的縱向連接結(jié)構(gòu)，是一種非常有效且有競(jìng)爭(zhēng)力的方案。目前世界上已建成一批混合結(jié)構(gòu)的橋，如：法國(guó)Namandi斜拉橋，德國(guó)Kurt-Schumacher斜拉橋，日本生口橋、多多羅大橋及國(guó)內(nèi)的徐浦斜拉橋等(2)。
軌道交通明珠線中山北路橋橋位處交通狀況復(fù)雜，需上跨道路內(nèi)環(huán)線的中山北路高架橋，為不影響交通，預(yù)制梁的最小跨度為50米。而橋下又處于四條交通干道的交匯處，使得橋墩的位置也受到限制。
方案比選時(shí)，曾考慮過(guò)全鋼梁方案，但造價(jià)比原造價(jià)增加181萬(wàn)元，約40%。最后，經(jīng)研究分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及評(píng)估論證，此橋采用30+55+30米的連續(xù)體系縱向牛腿連接的混合結(jié)構(gòu)，此橋型成功地解決了跨越主干道而不中斷交通的難題，橋梁外型簡(jiǎn)潔明快，造價(jià)低，是明珠線橋梁的成功之處之一。
圖1 中山北路橋總布置圖
（二）邊跨懸臂長(zhǎng)度探討
本橋在施工過(guò)程中存在著體系轉(zhuǎn)換問(wèn)題，在開口鋼梁吊裝時(shí)是懸臂梁加簡(jiǎn)支掛梁體系，所受荷載為開口鋼梁及預(yù)應(yīng)力混凝土梁自重，鋼梁與混凝土梁連接后轉(zhuǎn)換為連續(xù)梁。
連接截面一般比較薄弱，應(yīng)設(shè)置在內(nèi)力較小的地方，如彎距零點(diǎn)附近，約l/4（中跨）處。但由于本橋所處的特殊位置，受地面道路和立交橋通行等條件的限制，中墩必須設(shè)置于快慢車道的分隔帶中，而現(xiàn)澆懸臂采用支架施工，不能侵入所跨的道路環(huán)線高架橋凈空，經(jīng)實(shí)測(cè)，橋梁的懸臂長(zhǎng)度只有2.5m，僅為中跨的0.05l 。為保證此種結(jié)構(gòu)體系在初次使用時(shí)安全、可靠，設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了各種工況的比較分析，經(jīng)計(jì)算得知，中墩支點(diǎn)彎距與中跨跨中彎距基本平衡，說(shuō)明結(jié)構(gòu)體系是合理的，但由于連接點(diǎn)位置距中墩支點(diǎn)太近，使得該處頂板彎距達(dá)到11382kN-M，所以連接點(diǎn)結(jié)構(gòu)是否安全可靠，是此橋設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。
三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述
1、特殊荷載及其組合
軌道交通高架橋不同于其他橋梁的特點(diǎn)之一即梁軌之間相互作用的縱向力，橋上縱向力考慮伸縮力、撓曲力、斷軌力和制動(dòng)力。以上這些力作用在梁軌接觸面上，但對(duì)一般的橋梁上部結(jié)構(gòu)影響不大，驗(yàn)算墩臺(tái)時(shí)作用點(diǎn)移至支座中心處，上述各力依照下列原則組合：伸縮力與撓曲力不疊加，選取較大者和制動(dòng)力疊加；如斷軌時(shí)鋼軌產(chǎn)生的斷軌力大時(shí)，則按一股鋼軌斷軌，另一股鋼軌內(nèi)存在伸縮力或撓曲力計(jì)算；不論如何疊加，其最終作用力的量值不應(yīng)超過(guò)全橋扣件總阻力。
2、橋梁縱斷面設(shè)計(jì)
本橋位于設(shè)計(jì)縱斷坡度為1.6%的坡道上。邊跨30米為變截面，為保持本橋與區(qū)間橋梁的協(xié)調(diào)一致，梁高由邊跨端部1.9米按直線漸變至中墩支點(diǎn)2.35米，邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁，并在中支點(diǎn)處向中跨懸臂2.5米，做成牛腿與中段結(jié)合梁相接。中段為鋼－混凝土結(jié)合梁，梁高2.35米，結(jié)合梁長(zhǎng)50米。
3、橫斷面設(shè)計(jì)
橋面全寬一般段為8.9米，漸變段為8.9～8.92米。邊跨混凝土箱梁采用單箱單室。滿堂支架施工。中跨結(jié)合梁為雙箱單室，結(jié)合梁全高2.35米，鋼梁高2.0米，考慮施工吊裝能力700kN左右，因此，橫斷面設(shè)計(jì)為雙箱，每箱單獨(dú)重約700kN，吊裝之后在兩鋼箱梁之間用型鋼橫向連接。
4、鋼梁設(shè)計(jì)
鋼梁采用箱形截面（鋼梁頂板為混凝土橋面板）。鋼材為16Mnq鋼。鋼梁與混凝土頂板用剪力釘連接。
5、預(yù)應(yīng)力混凝土梁與結(jié)合梁的連接
預(yù)應(yīng)力混凝土梁與結(jié)合梁的縱向連接是本橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。混合梁中鋼梁與混凝土的連接方式大致可分為三種，即填充混凝土前板式、填充混凝土后板式和鋼板式。混凝土連接施工操作容易控制，質(zhì)量易于保證，而鋼板連接，構(gòu)件加工、吊裝及予埋鋼板的位置等各個(gè)工序的精度要求都較高，施工質(zhì)量難于控制。
本次設(shè)計(jì)嘗試了一種新的連接方式：牛腿連接，即接口處的主力（主要是壓力、剪力）通過(guò)接頭混凝土傳遞給鋼梁內(nèi)臂上的剪力連接器和端頭承壓鋼板，經(jīng)他們傳遞到鋼梁。橋面混凝土連續(xù)。為使其在二期恒載及活載作用下的連接牢固可靠，鋼梁端頭2.5米范圍內(nèi)澆筑混凝土并張拉連接預(yù)應(yīng)力束，混凝土牛腿端面預(yù)留錨筋伸入鋼梁端頭混凝土中。鋼梁端頭內(nèi)混凝土與鋼梁連接采用剪力釘，詳見連接示意圖。
圖2：混凝土梁與鋼梁連接示意圖
6、上部結(jié)構(gòu)計(jì)算
主橋計(jì)算采用同濟(jì)大學(xué)李國(guó)平的《橋梁結(jié)構(gòu)分析綜合系統(tǒng)》程序，并用《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁通用計(jì)算程序》予以校核。
⑴計(jì)算模式
鋼梁與兩邊跨固接前，主梁為簡(jiǎn)支梁加掛孔結(jié)構(gòu)，澆注連接混凝土后形成三跨連續(xù)梁。
⑵計(jì)算階段劃分
第一階段：現(xiàn)澆邊跨混凝土箱梁，張拉腹板預(yù)應(yīng)力束；
第二階段：吊裝鋼梁，加施工荷載；
第三階段：現(xiàn)澆鋼梁端頭連接混凝土及對(duì)應(yīng)頂板混凝土；
第四階段：張拉連接預(yù)應(yīng)力束，形成三跨連續(xù)梁；
第五階段：現(xiàn)澆鋼梁兩端7.5m范圍頂板混凝土；
第六階段：張拉部分頂板預(yù)應(yīng)力束；
第七階段：現(xiàn)澆鋼梁中間橋面混凝土；
第八階段：張拉其余頂板預(yù)應(yīng)力束；
第九階段：徐變90天；
第十階段：施加二期恒載；
第十一階段：徐變120天；
第十二階段：徐變360天；
第十三階段：運(yùn)營(yíng)階段。
7．橋墩
由于本橋橋墩較高，最高達(dá)18.3m，同時(shí)該橋跨度與相鄰標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間跨度相差較大，故在橋墩設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于縱向力采用剛度分配法，剛度考慮支座、橋墩及基礎(chǔ)的組合剛度，根據(jù)剛度分配一孔或一聯(lián)的縱向水平力。
經(jīng)計(jì)算分析，中墩采用直徑2.0米的鋼筋混凝土圓柱形獨(dú)墩。邊墩采用雙矩形墩加系梁結(jié)構(gòu)，墩柱截面尺寸1.2X2.0米，高18.301(15.591)米。每個(gè)墩頂面放置一塊QGBZ350×600×57－CR毫米板式橡膠支座，以抵抗箱梁扭轉(zhuǎn)引起的反力。
8．基礎(chǔ)
方案設(shè)計(jì)時(shí)曾對(duì)鉆孔灌注樁、鋼筋混凝土打入樁和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)行了比選，由于沉降控制的原因，同時(shí)由于該橋位限制，不能擴(kuò)大承臺(tái)范圍，最后決定采用采用鉆孔灌注樁，每個(gè)基礎(chǔ)有6根直徑1.0米，長(zhǎng)73米的鉆孔灌注樁，樁尖持力層選擇⑨層粉細(xì)砂層。
樁基設(shè)計(jì)從三方面控制：
⑶.沉降控制：滿足軌道變形的要求，控制在2cm。
設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)樁基的沉降量進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1。
沉降計(jì)算結(jié)果 表1
四、施工
（一）施工順序
1.進(jìn)行基礎(chǔ)及墩柱施工，后安放支座；
2.支排架澆筑兩邊跨及邊跨的懸臂、牛腿，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90％后張拉腹板預(yù)應(yīng)力鋼筋；
3.吊裝中孔兩片裸鋼梁至邊跨懸出的牛腿上；鋼梁調(diào)整就位后焊接兩箱之間底板裝飾鋼板；
4. 拆除兩邊跨排架并用角鋼將兩片鋼箱梁橫向連接;
5.澆筑鋼箱內(nèi)兩端頭連接混凝土及對(duì)應(yīng)的橋面板混凝土，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90％后張拉橫梁預(yù)應(yīng)力鋼筋；
6.支鋼箱梁的鋼筋混凝土橋面板底模，澆筑7.5米長(zhǎng)橋面板，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90％后張拉橋面預(yù)應(yīng)力筋；
7.澆筑其余30米長(zhǎng)橋面板，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90％后張拉其余橋面預(yù)應(yīng)力筋；
8.恢復(fù)橋面人孔。進(jìn)行橋面系施工。
（二）深基礎(chǔ)施工
上海地區(qū)的地層屬淤泥質(zhì)軟土層，本橋設(shè)計(jì)的73米長(zhǎng)直徑1米的鉆孔灌注樁是施工中的一個(gè)難題。施工單位對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的施工組織設(shè)計(jì)，制定了工期、質(zhì)量、安全的目標(biāo)，作好充分的現(xiàn)場(chǎng)和技術(shù)準(zhǔn)備。施工工藝采用正循環(huán)泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，二次正循環(huán)清孔，游輪式導(dǎo)管灌注水下混凝土的“目打目灌”式施工方法。針對(duì)淤泥質(zhì)軟土層，設(shè)計(jì)要求在樁頭埋設(shè)2米的鋼護(hù)筒，以避免塌孔。進(jìn)行二次清孔，清孔后沉渣必須保證小于100mm。在施工過(guò)程中實(shí)施全面質(zhì)量管理，采取質(zhì)量保證措施，確保鉆孔樁的施工質(zhì)量。
（三）50m鋼梁吊裝
50m鋼梁跨越中山北路內(nèi)環(huán)高架道路，安裝標(biāo)高23.1 m。針對(duì)高架道路及西體育會(huì)路南側(cè)高壓線及其它地面不利因素，鋼梁吊裝時(shí)制定了如下相應(yīng)對(duì)策：
1、盡量減少占用地面公交道路，吊裝進(jìn)場(chǎng)安排在夜間進(jìn)行。
2、吊裝期間，考慮必須的臨時(shí)停電。
3、與相關(guān)部門加強(qiáng)協(xié)商、協(xié)調(diào)，在吊裝區(qū)域，設(shè)置好安全警戒線。
4、吊裝方法：250T吊機(jī)停在西體育會(huì)路中山北路口，136T吊機(jī)停在新市路中山北路口，50.5m鋼梁整體沿中山北路由西向東運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)。采用250T吊機(jī)單機(jī)起吊，起升高度超過(guò)1#墩后緩慢將鋼梁尾端放在1#墩上，136T汽車吊主鉤到位，將鋼梁的另端起吊，鋼梁由兩臺(tái)吊機(jī)雙機(jī)抬吊轉(zhuǎn)向就位。
鋼梁于1998年12月25日由工廠運(yùn)至工地，25日夜開始吊裝至26日凌晨完成，早六時(shí)恢復(fù)中山北路內(nèi)環(huán)高架道路通車。
五、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)
該橋全長(zhǎng)115米，寬8.9 米，橋梁面積1024m2，橋梁總概算546萬(wàn)元，綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為5332元/ m2。
六、綜合分析
上海市城市軌道交通明珠線是國(guó)內(nèi)第一條全高架軌道交通線路，中山北路橋首次將預(yù)應(yīng)力混凝土與鋼的組合梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于軌道交通橋梁中，發(fā)明了縱向牛腿連接技術(shù)，并取得了成功，為軌道交通橋梁的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。它主要解決了以下問(wèn)題：
1.針對(duì)軌道交通高架橋的特殊荷載方式，提出了組合方法；
2.發(fā)明了預(yù)應(yīng)力混凝土梁與鋼梁的縱向牛腿連接技術(shù)；
3.設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)根據(jù)施工階段劃分，模擬每個(gè)施工步驟；
4.采用剛度分配法解決高墩設(shè)計(jì)；
5.位于主要交通交叉口特殊地段的深基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)及基礎(chǔ)沉降控制；
6.解決50m鋼梁的運(yùn)輸及吊裝問(wèn)題，將對(duì)交通的干擾降低到最小；
7.進(jìn)行軌道交通高架橋梁的徐變分析及量測(cè)，為今后高架橋的設(shè)計(jì)提供了可供借鑒的資料。
8.在綜合經(jīng)濟(jì)效益方面，比鋼梁和懸臂拼裝的預(yù)應(yīng)力混凝土梁有較大優(yōu)勢(shì)。
總之，本橋結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)先進(jìn)、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工方便，是今后橋梁設(shè)計(jì)中較有競(jìng)爭(zhēng)力一種新橋型。
參考文獻(xiàn)：
1．上海城市軌道交通明珠線中山北路橋施工設(shè)計(jì)總說(shuō)明，北京市城建設(shè)計(jì)研究院，1997年11月。
2．“日本一座別具一格的斜拉橋-浜名湖混合梁斜拉橋”，嚴(yán)國(guó)敏，國(guó)外橋梁，1997年第一期。
3．上海城市軌道交通明珠線中山北路橋施工組織設(shè)計(jì)，上海市冶金建設(shè)有限公司，1997年12月。
Shanghai City Track Transportation Mingzhu line across ZhongShan north road
Design and Construction of Steel and Concrete combination bridge
ABSTRACT
This paper introduces the Design and Construction of the special great bridge of Shanghai City Track Transportation Mingzhu line-- ZhongShan north district bridge, along with it’s technique essentials and innovation features. The main annular line of ZhongShan north road bridge up span which named as ZhongShan north district viaduct, it is a three-spans beam with 30m+55m+30m long continuous bridge which combined pre-stressed concrete with steel .It’s side span is pre-stressed concrete box-beam which extended 2.5m to join prefabricated box-beam in vertical from the support of piers, and formed the continuous bridge after system transformation., the bridge deck of the steel-beam is structure of steel reinforced concrete which formed assemblage bridge through the shear-nail connection technique. The main feature of it’s design and construction is as follows:
1.Since it is track transportation viaduct, the load types and it’s combination forms are special ;
2.The vertical connection of pre-stressed concrete beam and steel beam ,adopt the bracket connected technique, thus though the bracket、joint concrete、shear-nail in steel beam inner arm、connected pre-stressed steel binds, on the end face of concrete bracket preset the anchor steel-bar stretch into the end of steel beam to transmit the internal force, so as to form the continuous beam;
3.Partition the design calculation according to construction phases, simulate the every construction procedure;
4.The design of high piers adopt the stiffness allocation method;
5.Control the design and construction technique of the great deep foundation which is located at the main traffic intersection and it’s settlement;
6.When to carriage and assemble prefabricated parts of the steel beam which is 50m long ,complete the erection only in one night so that avoid the traffic interruption of the main road.
At present this bridge has already complete the construction, it’s quality achieve the excellent degree after the control reception.
Key words:
Combination bridge; connection technique;
Design and construction technique
