桥梁精细化设计在城市道路快速化改造的运用

孙建中

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092]

0 引言

随着国家经济快速发展，城市建设日新月异，人们对于快速、高效、便捷的出行要求也越来越高。高架桥梁在城市中被称为快速路，承担着中心城区对外快速集散功能和沿线地区交通服务功能，促进其与各片区间、重要交通枢纽和高速公路在时间和空间上的高效衔接，在各大中城市交通路网中发挥着重要作用。但是在城市道路快速化改造过程中往往会遇到建设用地紧张，边界条件苛刻，地下管线复杂，周边建构筑物多，施工期间交通压力大等难题。加之现代生活和工作节奏快，交通流量大，环保要求高，对于交通组织和施工作业提出了更高的要求，进而在设计阶段需要开展更深入的研究和精细化设计，结合现场实际和施工方案，合理选用桥型结构，充分利用现状结构物，做到造价经济，施工便捷，可以尽快发挥工程效益，尽量减少施工对道路交通及周边环境的影响。本文以宁波市环城南路东段（河清路-东外环路）快速化改造工程为例，详细阐述精细化设计在工程建设中的实际应用和体现，为同类工程设计提供借鉴。

1 工程概况

环城南路东段（河清路～东外环路）快速路采用“高架快速路+地面辅道”建设形式。主线为城市快速路，采用双向6～8 车道，设计速度80 km/h，是宁波市中心城区东西向中长距离的快速通道，作为快速路网的重要组成部分，构成中心城区“快速环路”，以客运为主，局部路段兼顾货运；地面辅道为城市主干路，采用双向4～6 车道，设计速度50 km/h，主要服务于沿线地块居民出行、货物运输，以及快速路主线的集散通道。工程总体平面见图1。

图1 工程总体平面图

环城南路东段（河清路～东外环路）快速化改造工程西接东苑立交预留的高架跳水台，自海晏路以高架快速路形式向东，接现状跨铁路桥（落地段抬升改建），跨越盛莫路、盛梅路后落地，与东外环立交衔接，新建改建桥梁约3.5 km。其中K11+805.46～K12+835.46 区段为既有铁路跨线桥改建区段，其余为新建高架区段（标准桥宽25.5 m）；工程范围区段共设置3对平行匝道（标准桥宽8.5 m）。沿线跨越河道六处，河道上现状地面桥两侧均须拼宽，以满足地面辅道设计要求。环城南路-东外环立交区域新建两座辅道跨河桥梁（FA 辅道桥、FB 辅道桥）。原环城南路-东外环立交EN 匝道部分梁段位于新建地道上方，对其2 个中墩托换基础以避让新建地道。

2 标准段设计

城市快速路建设要求施工快速、便捷和安全，对道路交通及周边环境的影响小，经济合理并能尽快发挥工程效益。因此标准段桥梁设计原则是工厂化制造，机械化施工。

2.1 常规标准段设计

预制吊装是城市高架桥梁广泛采用的一种快速施工方法。受尺寸及起吊重量限制，城市高架一般采用小箱梁预制吊装，预制小箱梁结构简单，设计和施工经验成熟，经济指标较低，结构刚度较大，抗扭性能较好，梁高适中，适应跨径较大（约25～40 m）。上下部结构可以同步施工，所以能在保证桥梁施工质量的前提下，最大限度地缩短现场占用周期。施工方式比较环保，对现场交通的影响小，是最经济、施工速度最快的桥型之一。工厂化预制的小箱梁质量可控，采用的斜腹板线形美观，符合城市高架的现代感要求。

考虑吊重及运输对沿线道路、既有桥梁的影响，以及与西侧相接的东苑立交快速化改造工程的相互协调性，经技术经济和快速化施工方案综合比选，环城南路东段（河清路～东外环路）快速化改造工程主要采用30 m 左右跨径小箱梁预制吊装工艺。双向六车道25.5 m 标准桥宽由8 片小箱梁组成，标准断面见图2。双向八车道32.5 m 标准桥宽由10 片小箱梁组成。

图2 标准断面布置图（单位：m）

采用预制小箱梁可以利用环城南路地面道路作为运梁通道，沿线运输条件较好，还可有效利用西侧东苑立交快速化改造工程的预制场地和机具设备。采用架桥机或汽车吊架设，充分发挥其施工快速、便捷和安全的特点，最大限度地降低施工费用。

2.2 跨横向路标准段设计

主线高架跨越既有横向道路或河道区段，布跨40～55 m，已超出小箱梁适用跨径范围。设计采用简支叠合梁一跨跨越，钢主梁可在工厂制造好后运输到现场吊装，混凝土面板可以利用架设好的钢主梁作为浇筑平台和模板。一则减少了对现状道路及河道的影响，再者钢主梁制造可以与下部基础平行作业，大大缩短施工工期。

叠合梁标准桥宽25.5 m，采用多箱多室横断面设计，共有6 片箱梁组成，外侧面与小箱梁对齐。结合工程实际情况，控制每个钢结构小箱梁重量在100 t 以下，首选双汽车台吊安装施工。汽车吊站位灵活，场地进出空间要求较小，可适应交通拥挤、对施工环境要求较高的城市狭长道路。大规模采用这种工法后，能有效降低施工成本，体现其综合效益和竞争力。

2.3 标准段最大化设计

总体布置的重点是满足道路交通功能的同时，尽量扩大高架桥标准段的范围：

（1）成对布设上下匝道

上下匝道受渐变段、加减速车道长度的影响，每一个进口（或出口）必然造成高架主线一定长度的渐变段，成对布设出入口可把高架桥两侧的变宽段集中布置，在保证上下出入口数量的前提下，尽量减少主线高架的变宽段长度，提高预制小箱梁的实施比例。

（2）合理调整出入口的位置

以平行匝道为例，进口道变宽段=渐变段+ 加速车道，出口道变宽段=渐变段+ 减速车道，根据车道规模的不同，加速车道长度一般比减速车道长80～110 m，即进口道的变宽段一般较出口道的长80～110 m。同时，考虑到地面道路交织的影响，上匝道（即进口道）接地点至平面交叉口距离宜大于80 m，下匝道（即出口道）接地点至平面交叉口距离宜大于150 m。因此，设计时应结合上下匝道交织距离、加减速车道、桥梁布跨等因素，出口变宽段宜布设于进口变宽段范围内，提高预制小箱梁的实施比例。

（3）主线高架布置尽量减少跨径种类，提高工厂化预制效率。

3 关键节点设计

3.1 跨铁路改建段节点

为满足高架道路平纵横设计的要求，既有铁路跨线桥部分区段需进行抬升或拓宽抬升，以与两侧新建主线高架衔接。考虑到尽量减少废弃工程量、降低工程改建费用、加快施工进度、减小对周边环境影响、和施工便捷安全等各方面因素，既有铁路跨线桥改建方案最大程度地利用老桥结构。

部分区段桥宽与改建道路宽度一致，只需抬升以满足改建后的纵断面线形要求。原老桥结构为结构简支桥面连续预制空心板梁，主梁刚度小，连续缝易损坏，整体性较差，考虑到改建后该区段快速路通行重载车辆，对结构的整体性能和耐久性要求较高，将上部空心板拆除，更换为先简支后连续的小箱梁结构。为了减少废弃工程量，跨径布置与老桥空心板一致，以利用老桥桩基及墩柱。此段桥梁改建施工顺序为：拆除上部空心板及盖梁，接高墩柱，新建盖梁，再架设小箱梁，最后施工后浇带及桥面系，其构造见图3。其中老桥西侧1 号桥墩及0 号桥台处需进行补桩，补钻的桩基采用桩端注浆。

图3 老桥改建断面图（单位：mm）

有的区段桥宽及标高均与改建后道路不一致。该段改建需拆除上部结构及墩柱、盖梁，新建预应力混凝土大箱梁结构。其中Pmz26 及Pmz29 号墩与老桥墩位重合，利用原老桥4 根直径1.0m 桩基，再补钻4 根直径1.0 m 桩基，补钻的桩基采用桩端注浆。

为减少工程废弃量，设计结合工程实际，最大限度利用老桥桩基：Pmz25-2～Pmz25-13z/Pmz25-14y、Pmz26 号墩、Pmz29 号墩完全利用老桥桩基，Pmz25号墩利用2 根老桥桩基，Pmz25-1 号墩利用6 根老桥桩基。对于老桥桩基利用与处理遵循原则如下：

（1）对于侵入河道五范围内的老桥基础，将老桥承台及桩头凿除至规划河床底以下0.5 m，以满足后期河道改造需要。

（2）对于不予利用且侵入地面道路内的老桥基础，将老桥桩头凿除至设计路面以下4 m，以降低老桥基础对地面道路不均匀沉降的影响。

（3）对于保留利用的老桥桩基，在承台凿除时需加强保护，避免对桩身造成破坏。仔细凿除老桩顶端部分，直至露出密实的混凝土表面，保证凿除后的桩顶面嵌入新建承台底部150 mm。割除部分露出的桩钢筋，保证割除后的桩钢筋伸入新建承台底部的长度不小于1 000 mm，并且掰成喇叭型。保证桩与新建承台稳固连接。

（4）对于利用老桥桩基并进行补桩的基础，在小箱梁架设完毕后应搁置一段时间再进行体系转换施工，以降低新老桩基不均匀沉降影响。

3.2 老桥基础托换节点

原环城南路-东外环立交EN11～EN15 为4×30 m 单箱单室整体现浇连续箱梁，桥宽8.0 m，下部为Y 型独柱式桥墩，钻孔灌注桩群桩基础。部分梁段位于需新建的地道上方，其EN13、EN14 两个中墩须拆除以避让地道，设计采用托换基础的改建方式，即在不影响上部结构的情况下拆除现状独柱式中墩，改用门墩型式（横向跨越地道）支撑上部结构，见图4。

图4 基础托换断面图（单位：mm）

施工的重点与难点在于整个基础托换过程中，原老桥标高的监测与控制。设计要求梁体变形控制值为3 mm，报警值为2 mm，老桥桥面标高控制目标值为比原桥面高3 mm。基础托换主要控制工序如下：

（1）施工新建桩基、承台和立柱。

（2）利用原桥墩承台搭设顶升支架。对顶升支架进行预压，消除支架间塑性变形。

（3）在顶升支架上，箱梁腹板下安装千斤顶，进行第一次梁体顶升，原结构支座脱离，拆除原支座和挡块等。

（4）在顶升支架上，箱梁腹板下设置临时支座，千斤顶回油卸载，梁体回落后支撑于顶升支架的临时支座上，要求墩顶处桥面控制点标高与原桥面标高一致。

（5）拆除原桥墩立柱。

（6）施工新建门墩盖梁和支座垫石。

（7）新建盖梁强度达到100%后张拉盖梁第一批钢束。

（8）在新建盖梁上设置千斤顶，进行第二次梁体顶升，顶升支架上临时支座脱离。

（9）在新建盖梁上安装永久支座，支座进行临时固定。千斤顶回油，梁体回落支撑于新建盖梁的永久支座上。

（10）张拉盖梁第二批钢束。

（11）新建盖梁上千斤顶再次顶升，调整墩顶桥面控制点标高（控制目标值比原桥面高3 mm），并最终固定永久支座。

（12）拆除原桥墩承台及桩基，新建地道。

3.3 跨河道悬浇梁节点

主线高架跨越河道常规采用简支叠合梁，由于河道七河口宽度超60 m，且现有一座地面桥梁，一跨跨越河道和地面桥的跨径超70 m，采用单跨简支叠合梁已不适用。综合考虑本工程桥梁总体布置、施工和造价等因素，设计采用45 m+73 m+45 m 变截面预应力混凝土连续箱梁结构，梁高1.8～4.0 m，按二次抛物线变化，结构外形轻盈，线条优美。采用挂篮悬臂现浇、对称逐段施工，先边跨合龙，再中跨合龙，最终形成连续体系。该方案施工工艺成熟，可避免在河道中搭设支架，对河道以及地面道路影响小。

3.4 分合流剪刀叉节点

为兼顾高架道路与地面道路两者交通要求，在海晏路与河清路之间设置“剪刀叉”两对平行匝道，其断面见图5。在平面上并列布置，上下匝道错开布置，避免高架道路车流的短距离交织运行，同时也使地面交叉口最多只面对两根匝道，减轻了地面交叉口的交通负荷，改善了运行情况及服务水平。

图5 分合流点剪刀叉断面图（单位：m）

4 结语

城市道路快速化改造是当下城市交通建设的核心内容之一，其中桥梁的设计优化逐渐成为实际建设中的重要环节。桥梁设计是一项系统性工程，所涉及的专业知识极为广泛，需要从全局出发，统筹考虑，精细化设计。除了桥梁自身的结构与性能要求外，还要综合考虑总体布置、桥型选择、施工工艺技术与要求，综合管线设计及迁改、施工期间交通组织，与周边绿化及建筑物的协调融合等多方面因素，根据规划和现状条件，因地施策，对设计方案进行不断的优化，使桥梁结构不仅安全可靠而且经济美观，满足社会发展的需要，取得良好的经济、社会和环境效益。