開敞式鋼桁梁橋在橋梁改擴建工程中的應用

鮑宇文

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092))

隨著城市建設的快速發展，部分城市橋梁已不能滿足日益增長的交通規模需求，亟待改擴建。同時，復雜的城市綜合交通系統以及橋梁景觀的要求對橋梁改建設置了較嚴苛的邊界條件，增加了橋梁設計和施工的難度。

本文以蘇州新家橋改擴建工程為背景，針對工程的具體特點，對橋梁的總體方案設計、施工方法、交通組織方式等進行介紹，并闡述開敞式鋼桁梁橋主體結構設計。對城市橋梁建設中的新型結構和創新施工方法進行探索性研究。

1 工程概述

新家橋位于吳中區中心城區，跨越京杭大運河，是吳中中心城主干路“四縱三橫”路網結構的重要節點。現狀新家橋僅有雙向2車道，機非混行，擁堵嚴重，存在較大的安全隱患。橋下通航凈空不滿足運河需求的三級航道標準，新家橋亟待改擴建。

新建主橋采用開敞式鋼桁梁結構，跨徑布置為L=39.5 m+88 m+39.5 m。主橋標準寬度為41 m，雙向6車道，兩側布置人行道和非機動車道。主梁采用變高連續鋼桁架結構，橋面系采用新型組合橋面板，上弦桿橫向不設置風撐，下部結構一側利用老橋樁基，另一側新建樁基橋墩。

2 主橋總體方案設計

2.1 主橋橋位確定

現狀新家橋西側毗鄰軌交2號線，主橋樁基離地鐵盾構最近距離約為18 m，按交通規模要求，新建橋梁車道規模為雙向6車道+人行道+非機動車道，橋梁寬度約為41 m，橋梁需要橫向拓寬約27 m，按交通規劃要求，需要在老橋處改建并拓寬橋梁。為避免橋梁新建樁基施工對西側運營中軌交2號線盾構結構的影響，橋梁擴建方向為遠離軌交方向東側拓寬。

2.2 主橋跨徑確定

新建橋梁橋寬較大，兩岸每側主墩設置兩個分離式橋墩結構，為減少新建樁基施工對運營中軌交影響，在離軌交較近一側(西側)利用現狀樁基新建橋墩，在離軌交較遠一側(東側)新建樁基及橋墩。由于利用老橋樁基，新橋主橋擬采用與老橋相同跨徑：L=39.5m+88m+39.5m=167m。

由于京杭運河航道等級的提升，運河上橋梁需滿足“蘇南運河三級航道標準”：凈寬80 m，凈高7 m。現狀新家橋主橋跨徑為88 m，采用空腹式預應力混凝土連續梁結構，通航凈空不滿足要求。新建橋梁主跨雖與現狀橋梁跨徑相同為88 m，但新建橋梁采用下承式鋼桁梁結構，較大提升橋下凈空。因此主跨跨徑采用88 m能滿足通航凈空要求。

2.3 主橋總體布置

新家橋主橋采用開敞式鋼桁梁結構，跨徑布置為L=39.5 m+88 m+39.5 m，設置2個主墩、2個邊墩。主墩與邊墩橫向都設置兩個墩柱，西側墩柱利用老橋樁基，東側新建樁基墩柱。在節省造價的同時以減少對軌交影響。新家橋主橋立面布置圖如圖1所示。

橋梁總寬41 m，車行道為雙向6車道，主梁桁梁區外側設置挑臂，挑臂上布置非機動車道與人行道，并在運河兩岸橋梁兩側設置人行梯道，便于人行過河。主橋橫斷面圖布置圖如圖2所示。

3 主橋結構設計

新家橋主橋采用變高連續鋼桁架結構，跨徑布置為L=39.5+88+39.5=167 m，跨中處桁高4 m，中支點處桁高18.4 m，節間距從6 m變化到5 m，上弦桿節點處不設置橫撐。機動車行橋面系采用新型組合橋面板，非機動車行橋面系采用鋼橋面板，外挑在主桁外側，該部分后安裝。橫梁布置在主桁節點和節間，橫梁之間設置小縱梁。上弦鋼材采用Q370qD，腹桿下弦和橋面系縱橫梁均采用Q345qD。本橋受力特點不同于一般桁架橋，其在結構成橋后在兩側邊支點施加強制位移25 cm，以使得上弦桿件基本受拉，而下弦桿件基本受壓。

3.1 上弦桿設計

上弦桿采用箱形截面，寬1 200 mm，邊跨范圍內高1 400mm，中跨范圍內由中支點附近的1 400 mm變化到跨中的1 000 mm，板件均為內對齊。在中支點附近寬度由1 200 mm過渡到1 800 mm，以與豎腹桿對應。板厚分為四種，中支點近邊跨處翼板和腹板板厚為28 mm，中支點近中跨處翼板和腹板板厚為25 mm，中跨跨中、中跨支點過渡段和邊跨跨中附近翼板和腹板板厚為20 mm，中跨四分點及邊跨近支點翼板和腹板板厚為16 mm。節點處節點板厚取相連腹桿與弦桿腹板厚度的較大值，E0節點板厚度為20 mm。邊跨加勁肋高度均為190 mm，厚度從16 mm到20 mm，中跨加勁肋高度均為160 mm，厚度從16 mm到20 mm。

圖1 新家橋主橋立面布置(單位：mm)

圖2 新家橋主橋橫斷面布置(單位：mm)

3.2 下弦桿設計

下弦桿采用箱形截面，寬1 200 mm，高2 095 mm，腹板為內對齊，頂底板為外對齊；板厚分為三種，中支點處翼板板厚為30 mm，腹板(即節點板)板厚為35 mm，近中支點處翼板板厚為25 mm，腹板(即節點板)板厚為28 mm，其余部分翼板和腹板板厚為16 mm，節點處節點板板厚同相連腹桿板厚。加勁肋高度均為190 mm，厚度從16 mm到25 mm。橫隔板間距為3 m左右，隔板上設置400 mm×600 mm人孔，兩道橫隔板之間設置一道橫肋。

3.3 腹桿設計

腹桿采用箱形截面和王字型截面兩種形式。根據計算，壓應力較大的主墩和邊墩支座處腹桿以及部分負彎矩區域腹桿采用箱型截面，寬700 mm，高1 200 mm；其余腹桿采用王字型截面，翼板寬700 mm，腹板高1 200 mm，腹板加勁高300 mm。腹桿斷面如圖3所示。

圖3 橫梁處主梁橫斷面(單位：mm)

3.4 橋面系設計

車行道橋面系采用新型組合橋面板，鋪裝厚度僅5 cm，與傳統組合梁橋面板相比，提高了橋面板抗彎能力，減少了混凝土板厚；與正交異性鋼橋面板相比，延長了使用壽命。在節點處設置一道橫梁，節間設置一到兩道橫梁，均采用工字型截面，含混凝土橋面板在內跨中梁高2.6 m，底板水平。中支點處設置箱型橫梁，橫梁腹板與豎腹桿腹板對應。邊支點附近橫梁底板縱向連續形成封閉空間，以填充混凝土壓重。橫梁之間設置小縱梁，梁高0.4 m。混凝土橋面板變厚度，從15 cm變化到25 cm，橫梁和小縱梁處厚度為25 cm，其他部位混凝土板底部設置8 mm鋼底板以便于混凝土橋面板現澆。挑臂橋面系采用鋼橋面板。挑臂橫梁對應中橫梁設置，根部梁高約1.2 m。

3.5 下部結構設計

主墩和邊墩西側橋墩均在老橋樁基基礎上新建，東側新建樁基橋墩，主墩每個墩柱上設置一個30 000 kN變曲率摩擦擺減隔震支座。主墩采用矩形切角斷面，截面尺寸為3 m×3 m。主墩承臺尺寸為13.8 m×5.2 m，高2.8 m，布置8根直徑1.5 m的灌注樁，樁長約70 m。邊墩采用樁基+承臺+立柱+蓋梁形式，樁基采用6根1.2 m鉆孔灌注樁，邊墩立柱尺寸為3 m×2.5 m，立柱頂上同時設置主橋邊跨支座與架設引橋小箱梁的蓋梁。

3.6 主橋結構仿真計算分析

利用有限元軟件仿真分析計算：在標準組合作用下主橋支座反力與鋼結構應力如下圖所示。標準組合作用下主墩支座最大反力約為27 000 kN，主橋拉應力最大值位于靠近支點處上弦桿位置，最大拉應力約為178.8 MPa。壓應力最大值位于靠近支點處下弦桿位置，最大壓應力約為-153.6 MPa(圖4～圖6)。

圖4 新家橋主橋有限元計算模型

圖5 標準組合工況下支座反力

圖6 標準組合工況下主橋應力

4 主橋施工方案及交通組織

4.1 主橋縱向對稱頂推施工方案

常規的鋼桁梁橋施工方式主要有整體頂推施工、浮運拖拉施工、支架法施工等方法。由于京杭運河屬于三級航道水域，水上交通繁忙，運河水域屬于水源保護地，因此不適合在河道上方架設支架以及浮運拖拉，綜上所述本工程主橋推薦采用整體頂推施工方法。

新家橋主橋中跨跨徑較大，施工時水中禁止設置臨時墩的要求，主橋若采用從一側整體頂推施工方法，對施工控制要求較高，對橋梁整體受力不利。因此本工程在主橋安裝時采用兩岸半跨對稱頂推施工，到位后對跨中合龍段進行拼裝焊接的施工方法，縱向頂推施工主要分為以下3個步驟(圖7)。

圖7 主橋縱向對稱頂推施工

(1)步驟一：在南北兩岸搭建施工平臺，對半跨橋梁整體拼裝到位。

(2)步驟二：兩岸分別對稱頂推施工，并在步驟二對應位置對邊跨壓重。

(3)步驟三：整體頂推到位后對跨中合龍段拼裝焊接，縱向頂推施工完成。

4.2 主橋橫向頂推施工及交通組織

新家橋規劃為城市主干路，交通地位重要，施工期間保證其交通通行對城市交通和經濟發展具有重要的意義。因此本工程施工時，為保障交通通行，在縱向對稱頂推到位合龍段焊接完成后還需橫向頂推。新家橋主橋橫向頂推施工及交通組織主要分為以下4個步驟(圖8)。

圖8 主橋橫向頂推施工步驟及交通組織

(1)步驟一：新建東側橋墩，搭建臨時墩；老橋保持交通通行；

(2)步驟二：南岸搭建施工平臺新建整幅橋梁并縱向對稱頂推至橋位處；

(3)步驟三：拆除老橋，老橋樁基基礎上新建橋墩；翻交至新橋上；

(4)步驟四：橫向平移橋梁至橋墩處，拼接鋼梁挑臂，恢復交通。

5 結束語

本文以蘇州新家橋改建工程為背景，闡述了在復雜邊界條件和嚴苛通行保證要求的前提下，應對不同限制條件的橋梁總體設計思路與原則。創新性地提出了較新穎的橋梁結構和較合理的施工方法，系統性解決了老橋改建時橋上交通擁堵、橋下通航凈空不足、樁基建設對軌交影響較大、施工交通組織困難等問題。綜上所述本文橋梁總體設計方案主要有以下幾點技術創新：

(1)部分利用老橋樁基新建橋墩，在地鐵控制保護區范圍內最大限度降低樁基施工對運行中軌交安全性的影響，同時也節省工程造價。

(2)創新性的設計了開敞式鋼桁梁結構，利用了上承式鋼桁梁結構跨度大、梁高小的特點，在滿足通航跨徑同時，又有效降低了主梁結構高度，減小了接坡長度，同時無橫向連接桿件的設計也提升了橋梁景觀品質。

(3)橋梁施工采用主橋先縱向對稱頂推后焊接合龍，再橫向平移的施工安裝方法，配合合理的交通組織方式，有效地保證了施工期間的交通通行，最大程度減小橋梁建設對城市交通影響。