浅谈上海高架快速路桥梁结构设计的发展

王浩

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

桥梁结构

浅谈上海高架快速路桥梁结构设计的发展

王浩

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

上海市快速路高架桥的建设经历近30 a，高架桥主体结构也从最初满足功能要求、节省造价为主的类型，发展到现在在满足功能前提下，更多地考虑施工快速、保护环境，提高工作效率等。为了顺应发展的要求，设计从总体到细节，从每个构件着手，精心构思，不断改进。

高架桥；结构更新；预制拼装

0 引言

为了满足日益繁忙的交通，上海市从1990年开始建设地面立体交通网。从最早的内环高架、南北高架、延安路高架，到以后的外环、中环、逸仙路高架、沪闵高架、嘉闵高架等周边的多条快速路及各种大型的枢纽网等等，经历了近30 a的建设，随着交通功能、环境保护等要求的不断提高，桥梁结构从上到下、从总体到细节均发生了重大变革。

1 总体布置

随着交通量的不断增加，经济的不断发展，道路的交通网越来越完善，高架桥线形越来越复杂，规模也越来越庞大。

（1）从总体布置上看，高架桥的长度在随之增加；

（2）从局部的跨径设置看，沿线需跨越的横向道路、河道以及部分重要的商业区、住宅区越来越多，地下管线错综复杂，给桥墩布置带来很大困难，为此，设计逐步把标准跨径从20 m左右优化到30 m左右；

（3）从横向看，由于在高架桥下还布置地面辅道系统，造成地面用地紧张，要求高架桥的桥墩尽量缩小横向宽度，由此高架桥的横向悬臂从7 m左右增加到10 m左右，而且在承台的布置上，尽量将承台宽度控制在地面分隔带中，避免破坏地面道路的路基；

（4）从外观上，设计力求整体结构的风格协调一致，梁高变化和桥宽变化处，设计尽量采用平缓过渡，避免视觉上的不和谐；

（5）从方便施工，节省工期考虑，桥梁的单体构件尽量标准化，提高工厂化预制构件的比例，减少现场工作量，提高工作效率、工程质量，从而也降低施工成本，节省工程造价。

2 上部结构

20世纪90年代的内环线、外环线、郊环线、沪杭高速、沪宁高速等高架桥，设计在满足交通基本功能前提下，更多地考虑建设成本，施工方便，普遍采用当时上海地区非常流行的先张法简支板梁，桥面连续结构。

上海地区位于软土区域，以前的桥梁较多采用对控制沉降要求较低的简支结构。对于跨径大于或等于13 m但不超过22 m的跨径可采用先张法预应力混凝土空心板梁(见图1)。当时预应力空心板梁工厂预制工艺成熟、质量稳定，运输及安装也较方便。当桥梁位于平曲线段，在弯曲半径不小于1 000 m处，仍可用折线替代曲线做成直线形板梁，利用板梁的悬臂来调整曲线。且当时简支空心板梁结构的最大优势在于施工快速、投资节省。

图1 简支板梁断面

在内环线、外环线以及郊环线工程中大量使用该结构。随着这些工程陆续建成通车，交通量增长快速，据养护部门及检测部门反映，简支板梁逐渐暴露出一些无法避免的缺陷：

（1）外形单一，景观上造成视觉疲劳；

（2）当时简支板梁的横梁连接采用铰接，铰接构造在理论上可行，但往往施工难以达到完整铰接效果，特别在重型车辆下铰缝的耐久性非常差，造成大量铰缝处漏水，运营阶段的养护成本大。

在设计上，随着交通量的增大，高架桥的车道从4车道提高到了6车道，桥宽在25～30 m，且需跨越众多路口，20 m左右的跨径相对于桥宽略显偏小，且20 m左右跨径的跨越能力较差。显然铰接板梁已无法适应高架桥的发展要求，故在南北高架、中环高架、嘉闵高架等设计中设计采用30 m作为标准跨径，并在横向采用刚性连接，增加了整体性，行车舒适性，减少养护工作量。适合30 m跨径的桥梁结构有简支T梁、简支小箱梁和连续箱梁。

简支T梁（见图2）和简支小箱梁（见图3），施工便捷，对地面交通影响小，本身的刚度整体性较简支板梁好，在墩顶处可以桥面连续也可结构先简支后连续，缺点在于外形单一，景观效果一般，且无法适应平面线形复杂处的布置。

图2 简支T梁断面

图3 简支小箱梁断面

大箱梁（见图4～图7）的整体刚度、耐久性、行车舒适性是其他构件无法比拟的，且外形多变、美观，对于平面线形曲线复杂处也能完全适应，缺点在于施工时搭设的满堂支架对地面交通影响较大，造价也略高。

图4 直腹板大箱梁

图5 鱼腹形大箱梁

图6 双弧形大悬臂箱梁

图7 弧形大悬臂箱梁

针对这些结构的不同特点，设计在标高较高、跨越河道、跨越重要路口以及景观要求不高处基本采用简支T梁和小箱梁，例如跨黄浦江大桥两侧的引桥、嘉闵高架等；在景观要求高，平面线形复杂区域，以及施工场地允许情况下较多采用现浇箱梁或钢箱梁，例如南北高架、延安路高架、虹桥枢纽、沪闵高架等。

3 下部结构

随着上部结构的改变，高架桥的下部结构也随之变化，除了满足上部结构受力要求，更较多地考虑景观效果，和节省土地的需要。

配合简支结构的下部结构基本为立柱加盖梁，对于外环线、郊环线或高速公路桥梁，地面不设辅道处，设计往往采用最经济的排架墩桥墩形式（见图8），即钢筋混凝土圆形立柱和矩形盖梁。在要利用桥下净空设地面辅道处，设计基本采用双柱墩或独柱墩加大悬臂预应力混凝土盖梁（见图9、图10）。

图8 排架墩

图9 双柱墩

图10 独柱墩

根据受力需要和景观效果，盖梁的横断面也形式多样，如上部结构是先简支后连续构造，则盖梁断面采用平头盖梁（见图11），对于悬臂较大的盖梁，为了增加盖梁的高度则要采用T型盖梁（见

图11 平头盖梁

图12 倒T盖梁

图13 T型盖梁

配合连续梁结构的下部结构基本为钢筋混凝土立柱加系梁，桥墩的整体外形与上部的箱梁外形要协调，立柱的间距要满足地面分隔带宽度要求，立柱上端根据箱梁支座间距的要求需设向两侧的弧度，增大立柱上端部横向尺寸（见图14），并根据受力要求设置上系梁。

图14 连续梁桥墩

连续梁桥墩立柱的断面形式也根据需要可以进行多种变化（见图15）。

图15 连续梁桥墩立柱断面

4 桩基

在桥梁结构的选型中，桩基的类型向来是整个工程的重点，选用桩基的几个因素：

第一，根据地质情况选用桩基；

第二，根据受力情况合理布置桩基；

第三，根据周边的建筑物、地下管线等来选用桩基。

合理的桩基设计可以避免对地面辅道路面的破坏，降低承台厚度，减少施工时的开挖工作量，也可节省工程造价。

早期更多地是考虑节省造价、节省工期，高架桥的桩基普遍采用预制打入桩，内环高架时期采用450 mm×450 mm预制钢筋混凝土小方桩（见图16），总长度在30 m左右，分2～3节桩，上下节桩采用角钢焊接连接。

图16 钢筋混凝土方桩(单位：mm)

随着高架桥建设规模的增加，以及施工过程中的经验，预制钢筋混凝土小方桩的缺点也暴露无疑：

（1）截面尺寸小，承载力不高，特别是承受水平荷载能力差，使得墩台下配置的桩根数较多，造成承台较大；

（2）截面尺寸小，桩长有限，有些区域桩端到不了良好持力层；

（3）打桩时易桩头破碎，桩身易歪。

为此在高架桥设计中逐步用PHC预应力管桩（见图17）和钻孔灌注桩替代钢筋混凝土小方桩。

图17 PHC预应力管桩

高架桥中常用的PHC预应力管桩桩径在600 mm，截面为薄壁结构，内配预应力筋，桩长可以达到45 m左右，分3～4节桩，上下节桩通过法兰焊接连接，桩端有开口的桩靴，在计算承载力时端承力可按全断面计算，同样长的600 mm直径PHC预应力管桩承载能力与直径800 mm的钻孔灌注桩相当，但造价比钻孔灌注桩要低许多，而与小方桩比垂直承载力和抗弯能力均有较大提高，故而可以大大减少桩基的根数，缩小承台尺寸，加快施工工期，故设计在上海高架桥设计中大量采用PHC预应力管桩。

但由于打入桩在施工中对周边的房屋建筑、管线均有不利影响，当需穿越一定厚度较密实的中密砂层时，沉桩有一定难度，且在有高压线处桩架施工会有一定的危险，故遇到这些区域钻孔灌注桩存在较大优势，施工时基本没有挤土效应，对周边的建筑、管线没有破坏影响，只要控制施工质量，钻孔灌注桩的沉桩没有困难，且钻孔灌注桩没有桩上下节的连接，抵抗水平力和抗弯能力比较强。钻孔灌注桩另一种优势即桩径灵活，可以根据具体情况进行调整，适应性强。

5 预制拼装在高架桥中的运用

2014 年上海市发布了《上海市绿色建筑发展三年行动计划（2014-2016）》；2016年上海市交通委员会发布《上海市交通建设装配式技术应用推广方案（2016年-2018年）》，大力推广全预制装配式桥梁，预制装配式技术具有构件生产标准、现场安装快速便捷、施工节能环保等优势。减少对大气环境和道路交通的影响，提升工程品质和安全质量、文明施工水平。其生产手段要求：工厂化、专业化、装配化、信息化。为了顺应发展要求，在近期的上海高架桥设计中大量采用预制装配构件（见图18）。

图18 桥梁预制配装示意

目前在嘉闵高架部分路段中和S3先期实施段工程中，除桩基和承台外，其他主体构件均采用预制配装构件。上部结构采用预制的小箱梁，先简支后连续，与以往小箱梁的设计相比，现在的设计最大程度上减少现场工作量，将复杂点在预制厂中解决，主要措施：

（1）减小小箱梁之间的湿接缝宽度到30 cm（见图19），为了减少现场钢筋焊接工作量，加快施工速度，设计引进了超高性能混凝土（UHPC），并利用超高性能混凝土延性好，收缩应变小的优点，有效控制裂缝宽度，增加了结构耐久性；

图19 小箱梁湿接缝示意(单位：m)

（2）在变宽段，将预制梁设计成变宽，现场施工的湿接缝仍保持30 cm。

在下部结构的设计中整体预制吊装，或根据起吊荷载的限重将盖梁和立柱构件进行合理分段或，在现场就位后再连接成整体（见图20）。

图20 盖梁吊装示意

盖梁与立柱的连接、立柱与承台的连接，设计采用套筒连接（见图21）或金属波纹管连接等连接方式（见图22）。

图21 套筒连接构造

图22 金属波纹管连接构造

并且在工程实施期间，设计配合业主和施工单位对新材料、新工艺进行多项试验，为今后大规模地进行预制配装桥梁提供了重要的可靠数据。

6 附属结构的改进

在高架桥的不断建设和实际运营过程中，管理人员将日常养护的经验及时反馈设计，设计也依次不断在优化设计，特别在高架桥的附属结构中体现尤为明显。具体体现在：

（1）在简支梁桥的连续缝中增设止防尘、止水构造；

（2）优化防撞栏杆上伸缩缝处处理，放弃原先简单的嵌缝胶处理，采用带止水效果的风琴式或异性钢构造；

（3）桥面防水层也改进到采用纤维增强型防水层，并加强铺设前混凝土面层的清理措施；

（4）连续梁支座处的挡块也由原混凝土挡块改为轻巧实用的预制钢挡块；

（5）桥墩的排水管曾经有过外置式、内置式，目前结合排水性能、养护便捷以及景观效果，采用立柱开槽式。

这些改进虽然不涉及桥梁的安全，但是对整个城市的市容、行车的舒适、结构的耐久性、养护管理带来较大改善。

7 结语

作为城市的建设者，通过不断地改进设计手段，更新设计构思，引进新材料，来优化我们的作品，让我们的作品跟上城市快速发展的节奏，让我们的作品更加人性化，不断向绿色环保、节能方向发展。

重庆市推进高速公路建设 年底通车里程将达3 000 km

从重庆到贵阳的渝黔高速公路重庆段，年内将启动扩能建设，这将为当地新增一条双向6车道的高速公路。

此次渝黔高速重庆段改扩建，总里程接近100 km，线路走向与现有的渝黔高速基本平行，但比现有的渝黔高速更宽，双向增加了两个车道。按照规划，这个扩能项目预计在2021年开通运营，可以有力地缓解渝黔高速的拥堵现状。

根据《重庆市高速公路网规划（2013～2030年）》，重庆市计划的“三环十二射多联线”总规模近5 000 km，对外出口通道达到28个。截至2016年底，重庆市高速公路通车里程为2 818 km，对外省际通道出口达16个。预计到今年底，该市将新增通车4个项目184 km，高速公路通车里程达到3 000 km，省际出口通道达到19个。

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，高级工程师，从事桥梁设计与咨询工作。