沪杭高速公路桥改建工程总体设计特色与技术创新

汤岳飞

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

1 工程概况

杭申线（上海段）航道位于上海市西南部，起于上海市和浙江省省界，横穿青浦、松江地区，至分水龙王庙，全长17.24 km。杭申线（上海段）跨航道桥梁改建工程包括沪杭高速公路大蒸港桥改建和三和桥、朱枫公路大蒸港桥、蒸浦大桥、沪杭高速公路桥四座桥梁防撞工程。

沪杭高速公路大蒸港桥位于上海市松江区，老桥建成于1997年，总长1570.64 m，由南向北依次上跨老沪昆铁路、在建新沪昆铁路、杭申线III级航道和下穿S32高速公路（见图1）。老桥为分离式两幅桥，单幅桥宽15.75 m；上部结构标准段为20～22 m空心板梁，跨沪昆铁路和杭申线航道为35～40 m简支T梁；下部结构为框架式桥墩、预制打入方桩、轻型桥台。

图1 沪杭高速公路桥改建工程地理位置图

由于杭申线航道通航净高提高、新沪昆铁路线位调整和铁路通行净高的提高，沪杭高速公路老桥已不能满足航道和铁路的通行要求，因此需将老桥主桥拆除重建、对引桥进行整体抬升；同时，桥梁断面考虑近远期结合，近期满足上海市干线高速公路规划双向6车道规模要求，远期满足改为城市快速路双向8车道标准要求，因此，沪杭高速公路断面布置上还需对老桥进行拼宽。

改建后沪杭高速公路桥平面线位与老桥相同，并在杭申线北侧与S32预留匝道相接；改建桥梁长度为1730.58 m，分离式双幅桥布置，标准段单幅桥宽18.25 m，与S32匝道相接处单幅桥宽22.25 m，桥梁总面积为65968.596 m2，桥梁工程建安费约3.2亿。

2 主要技术标准

2.1 航道技术标准

杭申线航道按Ⅲ级通航标准建设，设计最高通航水位3.90 m，设计最低通航水位1.75 m，有效的通航净宽需不小于42.5 m，有效的通航净宽范围内通航净空高度需不小于7.0 m，各通航孔两侧的侧高不小于6.0 m，如图2所示。

图2 杭申线III级航道通航尺度断面图（单位：m）

2.2 桥梁技术标准

（1）道路等级：高速公路。

（2）设计车速：120 km/h。

（3）荷载等级：

公路Ⅰ级（新标准，适用于新建桥梁部分）；

汽车—超20级，挂车—120标准（老标准，适用于老桥改建部分）。

（4）桥梁净空：

桥梁通航孔净高：7.0 m；

跨越老沪昆铁路净空：6.55 m；

跨越新沪昆铁路净空：7.96 m。

（5）桥梁设计安全等级：新建桥梁部分采用一级。

（6）桥梁结构的重要性系数：新建桥梁部分γ0=1.1。

（7）抗震设防标准：

新建桥梁部分：抗震设防烈度7度，地震动峰值加速度0.10 g，桥梁抗震设防类别为B类，桥梁抗震设防措施等级为8度；

老桥改建部分：维持老标准。

3 总体设计

3.1 总体设计原则

3.1.1 保证交通

沪杭高速公路是连接上海和杭州的主要汽车通道，交通量大；其上跨的老沪昆铁路为联系上海-昆明方向重要铁路干线，交通繁忙；杭申线航道是连接上海与杭州的主要内河航道，船只众多。针对以上限制条件，老桥改建必须保证施工期间沪杭高速公路、沪昆铁路和杭申线航道的畅通。

3.1.2 环保节约

老桥建成于1997年，经检测，老桥结构总体工作性能良好，本着可持续发展的理念，改建工程应充分利用老桥结构，避免大拆大建造成的环境影响和经济浪费。

3.1.3 施工可行

改建工程施工限制条件多，桥梁结构应便于施工，适当减少施工难度，在施工中体现集中、方便、快速、文明的特点。

3.1.4 技术创新

在保证结构安全的前提下，老桥改建应尽量使用新技术、新工艺，体现桥梁建设的最新成果。

3.2 工程总体设计

沪杭高速公路桥改建工程总体上分为主桥和引桥两个部分，其中主桥为2×75 m连续组合箱梁，分离式双幅桥布置，单幅桥总宽22.25 m，主桥悬臂下方挂有人行通道，通过航道两岸坡道与地面顺接供附近居民过河；引桥按分离式双幅桥布置，标准段单幅桥宽18.25 m，共分为六部分（见图3）。

第一为老桥引桥顶升利用段，全长524 m，分为三联进行整体顶升；

第二为老桥引桥吊开接高利用段，全长718 m，将老桥板梁吊开后对桥墩进行接高利用；

第三为老桥拼宽段，标准段单幅桥外侧拼宽2.5 m，A15立交主桥附近最大拼宽宽度为6.5 m；

第四为老沪昆铁路两侧引桥废弃板梁改建段，共两联异型现浇空心板梁；

第五为新建沪昆铁路段，上跨新沪昆铁路采用50 m现浇简支箱梁，邻跨配置T梁或空心板梁；

第六为老桥台后新建段，老桥整体抬高后需新建一段引桥与现场道路顺接。

为尽量减小施工期间对沪杭高速公路的影响，工程采取半幅通车、半幅封闭施工的方案改建，即先将一幅老桥改造成双向4车道维持现状交通，另一幅桥封闭进行改建施工，改建完成后再进行翻交（见图4）。

图3 沪杭高速公路桥改建工程总体构成示意图

图4 施工期间交通组织设计示意图（单位：m）

3.3 主桥结构设计

老桥跨杭申线航道为（35+40+40+35）m四跨一联简支T梁，水中共设三个桥墩，梁底标高不满足III级航道通航要求。为满足航道双孔单向通行净宽要求，新建主桥需拆除老桥两个次边墩，将老桥中墩改造为主桥主墩，跨径调整为2×75 m；主桥分离式双幅桥布置，因S32加减速匝道布置要求，单幅桥总宽增加至22.25 m。受杭申线通航净高和已建S32相交匝道标高控制，新建主桥应采用梁高较小的结构形式。经过比选，最终采用等高度单箱单室大悬臂钢-混凝土组合箱梁，梁高4.0 m。为满足杭申线两侧行人过河需求，主桥内侧悬臂下外挂1.25 m宽人行道。由于老桥主墩桩基础采用450 mm截面方桩，通过钻孔桩和钢管桩成桩方案比选，主桥主墩推荐采用φ609 mm钢管桩基础，以方便水上基础施工，桥墩为实体钢筋混凝土结构，并设有分离式防撞墩及橡胶缓冲垫。

大悬臂组合箱梁由槽型钢主梁和混凝土桥面板两部分组成，典型断面如图5所示。

图5 组合箱梁典型断面示意图（单位：mm）

钢主梁采用Q345qD钢材。箱梁顶板宽1.2 m～1.5 m，板厚30 mm～46 mm；底板宽8.15 m，板厚26 mm～36 mm，设有 9道 20 mm×300 mm“T”肋；两道腹板等高布置，板厚20 mm～36 mm，腹板受临时墩及顶升回落施工影响，上缘及下缘各设一道6 mm厚“U”形纵向加劲肋，间距2 m左右布置一道14 mm×210 mm的T形横向加劲肋。钢主梁以4.0 m或4.3 m间距设置跨中空腹式横梁和支点实腹式横梁，横向连结系对应位置设φ299 mm×16 mm无缝钢管作为悬臂部分斜撑。为保证槽型钢主梁吊装过程中的稳定，边支点、中支点、临时吊点和临时支撑点附近均设有由φ203×10 mm无缝钢管组成的水平联接撑。钢主梁通过布置于钢梁顶板的圆头焊钉剪力钉与混凝土桥面板连接，剪力钉直径22 mm，高度为200 mm，顺桥向间距150 mm～300 mm。

混凝土桥面板现浇部分宽度22.05 m，板顶横坡单向2.0%，板底与钢箱梁顶板接触部分为平坡，其余均为斜坡，桥面板板厚均为300 mm，采用C50复合纤维混凝土。桥面板按允许开裂、控制裂缝宽度的原则设计，纵向不设置预应力，普通钢筋适当加强；横向按0.45 m标准间距设置15-3型横向预应力以平衡大悬臂产生的较大负弯矩拉应力。桥面板内无纵向预应力的设计既方便了施工，也为后期桥面板更换提供了可能性。

主桥在中支点前后12 m范围内采用双层组合结构，即除顶面混凝土桥面板外，在钢梁底板上设置350 mm～500 mm厚的双结合混凝土，通过剪力钉与钢梁底板结合，通过混凝土参与中支点底缘受压，达到减小钢板厚度、调整结构内力分布的目的。

对组合结构桥梁，通过合理的施工方案可以调整钢结构与混凝土结构分担总体受力；该工程主桥主要采用分段浇筑混凝土桥面板和钢梁顶升与回落调整内力分配。

3.4 老桥改建设计

老桥跨现状沪昆铁路处为两跨35 m简支T梁，与铁路逆交35°。为了施工时不能中断铁路运营，经上海铁路局论证通过，老桥顶升是铁路局唯一认可的改建方案。考虑到减小顶升时的偏心荷载，顶升范围确定为跨铁路的两跨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一联顶升，同时将该顶升联前后的斜交转正孔异型空心板梁予以拆除重建为现浇异型空心板梁。跨铁路顶升联最大顶升高度为4.641 m，顶升高度大（最大达4.641 m）、顶升后立柱高度高（最高达16.828 m）、同时顶升联长大、顶升时桥面纵坡有调整、顶升同步要求高等特点。顶升难度、风险大，为验证顶升工艺的可靠性，开展了《长联超大幅度桥梁顶升关键技术研究》科研项目，2010年获得了专家评审通过，更具有施工操作可行性，大大降低了顶升风险。

受航道和铁路标高控制，改建后桥梁标高比老桥标高增加最大7.399 m，改建后桥墩立柱高度最大达17.649 m，若采用顶升方案，则顶升高度和顶升支撑高度均过高，顶升风险和难度过大，故对不受铁路影响、抬升高度大的老桥部分选用吊开空心板梁接高桥墩方案进行改建，即先将老桥空心板梁吊开、拆除老桥盖梁，对老桥基础补打钻孔灌注桩、对承台进行帮宽加厚，对立柱进行加粗接高，再新建盖梁，最后将经检验合格的老桥板梁重新吊装，涉及板梁利用率问题经上海市建交委科技委专题会议确定为60%。

顶升和吊开接高两种方案，与老桥下部结构改造方法类似，均需按静力和抗震计算结果，对老桥基础进行补强、对承台拼宽加厚并对立柱加粗接高。基础补强采用钻孔灌注桩，以尽量减小桩基施工对老桥结构的影响。承台加宽加厚部分通过植筋与老承台进行连接。顶升方案一般选择在柱底位置切断老桥立柱，将立柱上端和盖梁及上部结构一起顶升，老桥盖梁直接利用；吊开利用方案则选择在柱顶切断立柱将老盖梁拆除，立柱接高加粗后再按新规范新建盖梁。立柱切断后通过机械连接将原立柱内钢筋接长，通过植筋将立柱底部加粗，如图6所示。顶升方案需在下部结构改建完成后进行二次顶升更换老桥支座，吊开方案利用新建盖梁直接换用新支座。

老桥顶升采用顶盖梁方案，即将老桥立柱在柱底一定高度截断，用液压千斤顶同步顶升老桥盖梁到设计标高。液压千斤顶分两组布置在每个老桥立柱周围，其中一组作为工作顶起抬升作用，另一组作为跟随顶在顶升时同步跟随盖梁抬升，起到安全保证的作用。整个液压千斤顶系统通过计算机自动控制技术保证顶升的同步性。

顶升支撑体系是顶升施工安全的关键所在。该工程顶升支撑体系高度较高，采用常规钢管支撑风险很大，设计采用了先搭设固定的混凝土顶升平台、再在平台上安装可接高的钢管体系组成的支撑体系；同时混凝土顶升平台能约束截断老桥立柱，起到顶升时的限位作用。

3.5 老桥拼宽设计

沪杭高速公路老桥为分离式两幅桥，单幅桥宽15.75 m；改建工程按远期双向8车道（不设应急停车带，车道宽3.75 m）一次辟筑，单幅桥宽18.25 m，每幅桥外侧需拼宽2.5 m。为了与S32高速公路预留的两条匝道相接，分合流口拼宽宽度为6.5 m。

拼宽部分位于老桥外侧，采用与老桥一致的桥跨布置。考虑到拼宽部分与老桥结构刚度应尽量一致，标准段拼宽部分上部结构与老桥相同，采用20 m～22 m简支空心板梁；跨老沪昆铁路老桥为35 m简支T梁，拼宽宽度仅2.5 m，若采用T梁拼宽则自身稳定性较差，故采用35 m跨简支小箱梁拼宽；S32匝道分合流口拼宽部分为变宽异型结构，采用简支现浇箱梁以适应复杂的平面线形变化。拼宽2.5 m部分下部结构采用独柱墩，钻孔灌注桩基础接承台；变宽部分下部结构采用双柱墩、钻孔灌注桩接承台。

图6 老桥立柱改造方案（单位：mm）

老桥拼宽的关键在于新老结构的连接，经多方案比选，该工程采用“上连下不连”的连接方式（见图7）。老桥外侧防撞栏拆除后，凿除老桥边梁部分悬臂，露出原板梁内钢筋与拼宽板梁预留钢筋一一对应焊接，最后浇筑微膨胀碳纤维混凝土将新老梁体连接成一体，同时在拼缝位置设一凹槽并嵌入防水密封胶以释放不均匀沉降可能造成的拉应力。

图7 拼宽结构连接示意图（单位:mm）

老桥基础采用预制方桩，拼接下部结构为减小桩基施工对老桥的影响，采用钻孔灌注桩。设计选用较小桩径、较多桩数、适当桩长，辅以桩底后压浆技术来控制沉降，在上部结构施工前还要求基础预压进一步减少工后沉降。由于拼宽独柱墩高度较大（最大18.628 m），横向稳定性较差，设计采用可限制横向位移但允许竖向位移的装置将新老盖梁进行“弱连接”，以改善独柱墩的横向稳定性（见图8）。该装置有锚栓和预埋钢板组成，其螺栓孔呈长圆端形，可允许螺栓竖向位移但不可横向位移，达到对拼宽盖梁横向限位同时允许其竖向沉降的目的。

图8 新老盖梁弱连接示意图

4 设计特色及技术创新

该工程设计有如下特点及技术创新点：

（1）改建工程充分利用老桥结构，通过顶升、板梁利用及拼宽等措施，最大限度地利用了既有资源，避免了完全拆除重建造成的大量废弃物，节约资源、保护环境，体现了可持续发展的设计思路；利用分幅施工、分幅维持交通的方案，避免了临时交通便桥工程，降低了工程造价。

（2）设计方案保证了交通畅通，通过分幅实施保证沪杭高速公路不中断、利用顶升充分利用铁路运行间隙施工减小对沪昆铁路的影响、主桥钢结构采用大节段吊装可维持杭申线航道现有通航状态。

（3）主桥采用连续钢-混凝土组合结构梁，并进行了精细化分析和施工方案优化，其22.25 m桥宽大悬臂截面形提高了钢梁利用效率、通过顶升回落等施工手段进一步优化了结构受力，充分利用了组合结构钢结构受拉、混凝土受压的结构特性，实现了较好的全寿命经济技术指标；同时，组合结构桥梁的混凝土桥面板直接承受车轮荷载的作用，且桥面板处于桥梁结构的顶层，各种有害物质通过裂缝对桥面板中钢筋产生侵蚀作用，降低桥面板的工作性能和承载能力，因此混凝土桥面板因为养护不当或不到位，引起的损害问题不容忽视。混凝土桥面板产生裂缝几乎是不可避免的，如果要求混凝土桥面板设计寿命与钢结构相同，有可能大大提高桥梁建造成本。因此，从桥梁全寿命经济性设计观点出发，该桥混凝土桥面板设计为可更换结构，结合九堡大桥的有益设计经验，在桥梁设计时提出了混凝土桥面板更换修补预案。

（4）大规模采用顶升工艺进行老桥改造，具有顶升高度大、支撑体系高度大、顶升长度长等特点；设计采用的混凝土平台加常规钢管的顶升支撑体系具有整体性好、体系刚度大、可有效限位等优点，很好地解决了施工难度、降低了施工风险。

（5）老桥板梁吊开，既充分利用了老桥结构、又避免了过大高度的顶升风险，是高墩老桥改建的一种较好方案；承台拼宽加厚、立柱接高加粗充分利用了植筋、新老混凝土连接等技术，体现了老桥改造的新技术。

（6）老桥拼宽结构合理选型，保证了新老桥梁总体刚度一致；采用“上连下不连”的连接方式，减小了拼宽对老桥结构的不利影响；盖梁弱连接构造有效地限制了拼宽独柱墩横向位移，保证了桥墩横向稳定；采取桩底后压浆和预压工艺，有效控制了拼宽结构的基础沉降。

5 结语

沪杭高速公路桥改建工程集合了近年来迅猛发展的内河航道整治跨航道桥梁改建、高速公路桥梁拓宽改建和跨铁路桥梁改建等多种类型工程的特点，综合采用了大跨径钢-混凝土连续组合梁桥、桥梁顶升、桥梁拼宽等手段，很好地解决了该工程的实际问题。随着内河航道整治工程的迅猛发展、高速公路改建工程的大量涌现，以及铁路建设日新月异导致涉铁工程显著增多，将有更多类似工程出现。该工程的解决思路和设计方案可作为类似工程的参考。

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