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計與施工
馮愛軍 王征宇
(北京市城建設計研究院)
摘 要：介紹了上海城市軌道交通明珠線特殊大橋-中山北路橋設計與施工概況及主要技術要點和創新點。中山北路橋上跨道路主要干道環線中山北路高架橋，為三跨30m+55m+30m預應力混凝土與鋼組合連續梁橋，即邊跨為預應力混凝土箱梁，并自中墩支點向跨中伸出2.5m與預制箱梁縱向連接，經體系轉換形成連續梁，鋼梁上橋面板為鋼筋混凝土結構，采用剪力釘連接技術形成組合梁。目前該橋已施工完畢，經驗收，質量被評為優良。
關鍵詞：組合梁; 連接技術；設計與施工技術；
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°。橋梁上部結構為三跨（30+55+30米）連續梁結構，其兩邊跨為預應力混凝土現澆箱梁，梁高為1.90～2.35米。中跨為鋼－混凝土結合梁，梁高2.35米，全橋寬8.9～8.92米。橋梁中墩采用圓形獨柱結構，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構，墩高18.301米(0#墩)，15.591米(3#墩) 。基礎均為鉆孔灌注樁、承臺結構。
二、橋型選擇
(一)方案選擇
由于城市交通的發展，城市立交橋跨越主要交通干道時有發生，針對這種跨度大、曲線斜交的橋梁，常采用的橋梁型式有預應力混凝土梁或鋼與混凝土結合梁。預應力混凝土梁常用的施工方法有支架現澆和懸臂澆注法，支架施工嚴重影響相交主路交通，而懸臂澆注時由于采用的掛籃等施工設備需占用一定空間，增加了橋梁高度，而造成不必要的浪費。連續結合梁施工時常采用分段制作現場拼裝，主跨接頭一般設在彎距零點附近，拼裝時須在接頭處搭設臨時支架，仍會局部影響主路交通。而簡支結合梁梁高較高，跨度受到限制。因此，尋找一種跨度大、重量輕、能預制安裝的橋梁結構形式非常必要，預應力混凝土箱梁與結合梁的縱向連接結構，是一種非常有效且有競爭力的方案。目前世界上已建成一批混合結構的橋，如：法國Namandi斜拉橋，德國Kurt-Schumacher斜拉橋，日本生口橋、多多羅大橋及國內的徐浦斜拉橋等(2)。
軌道交通明珠線中山北路橋橋位處交通狀況復雜，需上跨道路內環線的中山北路高架橋，為不影響交通，預制梁的最小跨度為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，曾考慮過全鋼梁方案，但造價比原造價增加181萬元，約40%。最后，經研究分析、結構優化及評估論證，此橋采用30+55+30米的連續體系縱向牛腿連接的混合結構，此橋型成功地解決了跨越主干道而不中斷交通的難題，橋梁外型簡潔明快，造價低，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）邊跨懸臂長度探討
本橋在施工過程中存在著體系轉換問題，在開口鋼梁吊裝時是懸臂梁加簡支掛梁體系，所受荷載為開口鋼梁及預應力混凝土梁自重，鋼梁與混凝土梁連接后轉換為連續梁。
連接截面一般比較薄弱，應設置在內力較小的地方，如彎距零點附近，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，中墩必須設置于快慢車道的分隔帶中，而現澆懸臂采用支架施工，不能侵入所跨的道路環線高架橋凈空，經實測，橋梁的懸臂長度只有2.5m，僅為中跨的0.05l 。為保證此種結構體系在初次使用時安全、可靠，設計時進行了各種工況的比較分析，經計算得知，中墩支點彎距與中跨跨中彎距基本平衡，說明結構體系是合理的，但由于連接點位置距中墩支點太近，使得該處頂板彎距達到11382kN-M，所以連接點結構是否安全可靠，是此橋設計成功的關鍵。
三、結構設計概述
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、斷軌力和制動力。以上這些力作用在梁軌接觸面上，但對一般的橋梁上部結構影響不大，驗算墩臺時作用點移至支座中心處，上述各力依照下列原則組合：伸縮力與撓曲力不疊加，選取較大者和制動力疊加；如斷軌時鋼軌產生的斷軌力大時，則按一股鋼軌斷軌，另一股鋼軌內存在伸縮力或撓曲力計算；不論如何疊加，其最終作用力的量值不應超過全橋扣件總阻力。
2、橋梁縱斷面設計
本橋位于設計縱斷坡度為1.6%的坡道上。邊跨30米為變截面，為保持本橋與區間橋梁的協調一致，梁高由邊跨端部1.9米按直線漸變至中墩支點2.35米，邊跨采用預應力混凝土箱形梁，并在中支點處向中跨懸臂2.5米，做成牛腿與中段結合梁相接。中段為鋼－混凝土結合梁，梁高2.35米，結合梁長50米。
3、橫斷面設計
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。中跨結合梁為雙箱單室，結合梁全高2.35米，鋼梁高2.0米，考慮施工吊裝能力700kN左右，因此，橫斷面設計為雙箱，每箱單獨重約700kN，吊裝之后在兩鋼箱梁之間用型鋼橫向連接。
4、鋼梁設計
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、預應力混凝土梁與結合梁的連接
預應力混凝土梁與結合梁的縱向連接是本橋設計的關鍵點。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，質量易于保證，而鋼板連接，構件加工、吊裝及予埋鋼板的位置等各個工序的精度要求都較高，施工質量難于控制。
本次設計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）通過接頭混凝土傳遞給鋼梁內臂上的剪力連接器和端頭承壓鋼板，經他們傳遞到鋼梁。橋面混凝土連續。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米范圍內澆筑混凝土并張拉連接預應力束，混凝土牛腿端面預留錨筋伸入鋼梁端頭混凝土中。鋼梁端頭內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、上部結構計算
主橋計算采用同濟大學李國平的《橋梁結構分析綜合系統》程序，并用《預應力混凝土橋梁通用計算程序》予以校核。
⑴計算模式
鋼梁與兩邊跨固接前，主梁為簡支梁加掛孔結構，澆注連接混凝土后形成三跨連續梁。
⑵計算階段劃分
第一階段：現澆邊跨混凝土箱梁，張拉腹板預應力束；
第二階段：吊裝鋼梁，加施工荷載；
第三階段：現澆鋼梁端頭連接混凝土及對應頂板混凝土；
第四階段：張拉連接預應力束，形成三跨連續梁；
第五階段：現澆鋼梁兩端7.5m范圍頂板混凝土；
第六階段：張拉部分頂板預應力束；
第七階段：現澆鋼梁中間橋面混凝土；
第八階段：張拉其余頂板預應力束；
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：運營階段。
7．橋墩
由于本橋橋墩較高，最高達18.3m，同時該橋跨度與相鄰標準區間跨度相差較大，故在橋墩設計時，對于縱向力采用剛度分配法，剛度考慮支座、橋墩及基礎的組合剛度，根據剛度分配一孔或一聯的縱向水平力。
經計算分析，中墩采用直徑2.0米的鋼筋混凝土圓柱形獨墩。邊墩采用雙矩形墩加系梁結構，墩柱截面尺寸1.2X2.0米，高18.301(15.591)米。每個墩頂面放置一塊QGBZ350×600×57－CR毫米板式橡膠支座，以抵抗箱梁扭轉引起的反力。
8．基礎
方案設計時曾對鉆孔灌注樁、鋼筋混凝土打入樁和預應力混凝土管樁進行了比選，由于沉降控制的原因，同時由于該橋位限制，不能擴大承臺范圍，最后決定采用采用鉆孔灌注樁，每個基礎有6根直徑1.0米，長73米的鉆孔灌注樁，樁尖持力層選擇⑨層粉細砂層。
樁基設計從三方面控制：
⑶.沉降控制：滿足軌道變形的要求，控制在2cm。
設計時對樁基的沉降量進行了詳細的計算，計算結果如表1。
沉降計算結果 表1
四、施工
（一）施工順序
1.進行基礎及墩柱施工，后安放支座；
2.支排架澆筑兩邊跨及邊跨的懸臂、牛腿，混凝土達到設計強度的90％后張拉腹板預應力鋼筋；
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.澆筑鋼箱內兩端頭連接混凝土及對應的橋面板混凝土，混凝土達到設計強度的90％后張拉橫梁預應力鋼筋；
6.支鋼箱梁的鋼筋混凝土橋面板底模，澆筑7.5米長橋面板，待混凝土達到設計強度90％后張拉橋面預應力筋；
7.澆筑其余30米長橋面板，待混凝土達到設計強度90％后張拉其余橋面預應力筋；
8.恢復橋面人孔。進行橋面系施工。
（二）深基礎施工
上海地區的地層屬淤泥質軟土層，本橋設計的73米長直徑1米的鉆孔灌注樁是施工中的一個難題。施工單位對此進行了詳細的施工組織設計，制定了工期、質量、安全的目標，作好充分的現場和技術準備。施工工藝采用正循環泥漿護壁鉆進，二次正循環清孔，游輪式導管灌注水下混凝土的“目打目灌”式施工方法。針對淤泥質軟土層，設計要求在樁頭埋設2米的鋼護筒，以避免塌孔。進行二次清孔，清孔后沉渣必須保證小于100mm。在施工過程中實施全面質量管理，采取質量保證措施，確保鉆孔樁的施工質量。
（三）50m鋼梁吊裝
50m鋼梁跨越中山北路內環高架道路，安裝標高23.1 m。針對高架道路及西體育會路南側高壓線及其它地面不利因素，鋼梁吊裝時制定了如下相應對策：
1、盡量減少占用地面公交道路，吊裝進場安排在夜間進行。
2、吊裝期間，考慮必須的臨時停電。
3、與相關部門加強協商、協調，在吊裝區域，設置好安全警戒線。
4、吊裝方法：250T吊機停在西體育會路中山北路口，136T吊機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至現場。采用250T吊機單機起吊，起升高度超過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，鋼梁由兩臺吊機雙機抬吊轉向就位。
鋼梁于1998年12月25日由工廠運至工地，25日夜開始吊裝至26日凌晨完成，早六時恢復中山北路內環高架道路通車。
五、經濟技術指標
該橋全長115米，寬8.9 米，橋梁面積1024m2，橋梁總概算546萬元，綜合經濟指標為5332元/ m2。
六、綜合分析
上海市城市軌道交通明珠線是國內第一條全高架軌道交通線路，中山北路橋首次將預應力混凝土與鋼的組合梁結構應用于軌道交通橋梁中，發明了縱向牛腿連接技術，并取得了成功，為軌道交通橋梁的發展做出了貢獻。它主要解決了以下問題：
1.針對軌道交通高架橋的特殊荷載方式，提出了組合方法；
2.發明了預應力混凝土梁與鋼梁的縱向牛腿連接技術；
3.設計計算時根據施工階段劃分，模擬每個施工步驟；
4.采用剛度分配法解決高墩設計；
5.位于主要交通交叉口特殊地段的深基礎設計與施工技術及基礎沉降控制；
6.解決50m鋼梁的運輸及吊裝問題，將對交通的干擾降低到最小；
7.進行軌道交通高架橋梁的徐變分析及量測，為今后高架橋的設計提供了可供借鑒的資料。
8.在綜合經濟效益方面，比鋼梁和懸臂拼裝的預應力混凝土梁有較大優勢。
總之，本橋結構新穎、技術先進、造價經濟、施工方便，是今后橋梁設計中較有競爭力一種新橋型。
參考文獻：
1．上海城市軌道交通明珠線中山北路橋施工設計總說明，北京市城建設計研究院，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”，嚴國敏，國外橋梁，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計，上海市冶金建設有限公司，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
