全面采用预制节段拼装箱梁技术的高架桥

2019年4月3日，作为国内城市桥梁中首次全面采用预制节段拼装箱梁技术的南昌市洪都大道主线高架桥顺利通车，这意味着市民可以“一马平川”地从九州高架直接开到英雄大桥。

洪都大道快速化改造工程为南昌市一环线的东环，北起英雄大桥，南接九州高架，主线全长约7.6公里，采用“主线高架+地面铺路”布置形式，内设解放路互通立交一座，主线高架为快速路，地面辅道为城市主干路，双向六车道，设计速度80公里/小时。项目总投资约44亿元。

洪都大道工程为国内城市桥梁中首次全面采用预制节段拼装箱梁技术的桥梁项目。

图1 项目总体布置图

预制节段拼装箱梁作为城市桥梁未来的发展方向，具有结构性能优、景观效果好，运输方便、施工速度快、施工期间对交通和环境影响小等优点。近年来，在公路和轨道桥梁中逐步得到应用，但在量大面广的城市桥梁中尚未应用，主要制约因素：①变宽段占比大，标准化程度低、难度大；②高架桥为上下双层交通功能；③平面线形复杂，半径小、超高大；④建设条件苛刻。

工程设计秉持可持续发展和集约化建设的理念，提出符合建筑工业化国家战略，适合城市桥梁的新理念、新体系和新结构。

总体设计

◆ 桥梁总体设计

经比选论证，主线高架桥最终全面采用预制节段拼装箱梁，覆盖标准等宽段、异形变宽段和路口大跨段，占全线桥梁90%以上。其中，在主线等宽段采用的大悬挑横梁分体式双向主梁节段梁结构、在主线变宽段采用的变宽度节段梁结构，是根据城市高架道路特点，创新设计的新型预制节段拼装桥梁结构，均属国内首次。

城市高架桥梁复杂多变，除主要采用预制节段拼装箱梁之外，综合考虑预制难度、标准化程度、施工条件等多种因素，异形变宽大跨段采用钢箱梁结构。由此形成的桥梁总体设计方案，全桥设计仅分为节段梁和钢箱梁2种结构类型，具有标准化程度高、工厂化生产多，现场作业少、施工速度快，环境影响小等特点，集安全、经济、美观、环保等优点于一体。

主线高架桥标准跨径布置为3x35m，此外尚有30、33和40m等3种跨径布置，2～4跨一联；跨路口主跨为50～75m，以50、60m为主；匝道桥标准跨径布置为3x35m。

图2 主线高架标准段节段梁效果图

桥梁施工工艺如下：

①主线高架桥标准等宽段和变宽段节段梁（跨径小于45m）采用逐跨拼装施工方法。墩顶横梁采用现场浇筑施工，跨间箱梁采用预制节段拼装。梁段运输方式为陆路地面运输，桥位处架桥机直接起吊，下同。

②主线高架桥路口大跨段节段梁（主跨50m和60m），采用悬臂拼装施工方法。墩顶横梁采用现场浇筑施工；跨间箱梁采用悬臂拼装。

③主线高架桥钢箱梁采用少支架拼装。

◆ 工程大数据

桥梁长度7.6公里，桥梁面积30万平方米。

混凝土方量：约60万方；钢材用量：约2.7万吨。

预制场：预制节段约5000榀，预制梁场占地270亩，9条节段梁生产线，54个预制台座，1500个存梁台座。

架桥设备：8台双幅同步架设架桥机,16台桥面悬拼吊机。

◆ 工程创新点

洪都大道工程为国内城市中首次全面采用预制节段拼装箱梁技术的桥梁项目。

首次采用大悬挑横梁、分体式双箱主梁的预制节段箱梁结构。由于城市高架桥与地面辅路需具备主辅路上下双层交通功能，首次提出“大悬挑横梁、双箱主梁”的设计方案和左右幅同步架梁的施工方法，墩梁固结不设置永久支座，预制构件变为分体式双箱主梁，在满足结构受力要求的同时，对运输和安装设备的要求大幅减半。

首次在变宽度桥梁中采用预制节段箱梁结构。城市桥梁因为要设置上下匝道，又受周围建筑物等客观条件制约，宽度变化大、线形多样，洪都大道工程布置8对上下匝道，变宽段节段梁更是占比达到35%，如何使预制节段梁的“不变”，适应异形变宽段桥梁的“变”，在对标准段、变宽段和匝道桥截面进行标准化研究的基础上，提出了“分箱室、变挑臂”成套设计方案。

首次采用曲线超高渐变节段梁结构。城市道路平面线形复杂，最小曲线半径385m，超高渐变大，解决了小半径曲线超高渐变节段梁预制和拼装难题，优化行驶在该路段的交通工具乘坐者的乘车体验。

结构设计

◆ 结构设计要点

标准等宽段桥宽25.0m，采用双箱单室布置，单幅宽度12.1m，两幅之间现浇缝宽度0.6m。在墩顶处通过墩顶横梁连接左右幅箱梁形成整体，墩顶横梁兼做体外预应力钢束锚固横梁。

变宽段桥宽根据道路线形需要加宽，桥宽为25.0～46.5m不等，分为单侧加宽和两侧加宽两种形式。左右幅单独考虑，通过挑臂变窄+箱室宽度变化实现变宽。双侧变宽段横桥向均采用4片主梁，整体布置为4箱单室截面；单侧变宽段横桥向均采用3片主梁，整体布置为3箱单室截面。

图3 主线高架标准段横断面

◆ 结构体系设计

国内已建节段梁多采用连续梁体系，架桥机拼装时需要在墩顶进行临时固结，施工复杂。洪都大道为墩顶大悬挑横梁，施工时架桥机支腿支撑于横梁悬臂，其对墩顶横梁的受力性能及临时固结的强度和稳定性都有着更高的要求。采用墩梁固结的连续刚构体系，显著提高施工便利性、加快施工速度和降低工程费用，同时施工阶段的整体稳定性也得到了更有效的保证。而且墩梁固结体系不设置永久支座，可节省支座费用以及运营期间检修、更换支座的费用，进一步降低了工程全寿命周期费用。

变宽段节段梁由于桥墩与箱梁之间横桥向的相对位置变化多样，综合考虑经济性以及施工便利性，变宽段预制节段拼装箱梁采用连续梁体系。

◆ 预应力体系设计

节段梁采用纵向、横向双向预应力体系。体外预应力施工速度快、构造简单、节段预制方便，运营过程中钢束可检可更换，但是极限承载能力相对体内预应力低；体内预应力极限承载能力高，但是会增加节段预制难度。因此纵向预应力钢束采用基于施工效率的、以体外束为主、体内预应力束为辅的混合配束预应力体系。集两种预应力钢束之所长，架桥机施工时仅张拉体外束提高架设速度，体内束线形优化为最简，减小预制难度，提高标准化程度。

图4 体外束为主的混合配束预应力体系

◆ 墩顶大悬挑锚固横梁设计

城市高架桥与地面辅路需具备主辅路上下双层交通功能，采用大悬挑横梁，这是与国内已建节段梁左右幅分幅设计、墩柱与箱梁中心对齐不同。左右两幅箱梁通过墩顶大悬挑横梁支撑于桥墩上。节段拼装施工时，架桥机支腿作用于横梁大悬臂上，同时横梁还兼做体外预应力的锚固横梁，体外预应力、人孔、纵横向预应力和钢筋等集中布置，构造和受力均极为复杂，精细化设计解决了大悬挑横梁的技术难题，同时减少临时固结工序方便施工。

图5 标准等宽段双幅架桥机同步架设

图6 架设过程中的变宽节段梁

◆ 变宽度节段梁设计

变宽段的节段梁一直是一个难题，国内尚无先例，阻碍应用的难点在于预制结构标准化，非标构件将显著提高制造成本、降低施工速度，丧失预制拼装结构优势。如何使预制节段梁的“不变”，适应异形变宽段桥梁的“变”，在对标准段、变宽段和匝道桥截面进行标准化研究的基础上，提出了“分箱室、变挑臂”成套设计方案。

将全线桥梁断面归纳为2种不同宽度的单箱单室断面，通过不同类型、不同数量的箱梁组合，并配合挑臂长度的变化，实现桥面宽度的变化。仅需要2大类模板即可实现全线预制节段梁的生产，标准化程度非常高，充分发挥了节段梁优势，解决了节段梁在变宽度桥梁的应用难题，突破节段梁发展的技术瓶颈。

◆ 结构标准化设计

根据节段梁自身结构特点，提出由总体设计标准化和结构设计标准化两个层次组成的设计标准化。总体设计主要考虑道路线形标准化和桥梁跨径标准化2个标准化设计；在总体设计标准化的基础上，实现结构断面标准化、节段类型标准化、预应力配置标准化、剪力键设置标准化、转向块标准化、锚固齿块标准化6大标准化设计。提出适应城市桥梁的节段梁标准化断面，以及全线桥梁归整为仅2大类节段类型的节段梁标准化设计体系，实现2套模板预制全线节段的目标。

图7 预制节段箱梁构造示意图

◆ 超高渐变段设计

洪都大道主线道路曲线段最小半径仅385m，存在由双向2%横坡，到单向3%横坡的超高渐变段，对预制节段梁的设计及制造提出了较大的挑战。为确保道路曲线超高的精度，提出节段的扭转预制，预制时严格控制节段两端面控制点的标高，即通过扭转端模使预制节段两端面产生相对转动，实现横坡渐变的扭转节段梁。

信息化BIM技术助力

◆ BIM助力精细化设计

节段梁墩顶横梁构造复杂、钢筋钢束密集、施工预埋件众多，运用BIM技术，对墩顶横梁和预制节段梁的复杂构造、施工预埋件等进行了全程精细化建模和碰撞检查，虚拟现实交互全过程指导现场施工，并结合BIM技术成果对设计进行优化，提高工效。

图8 BIM技术助力精细化设计

◆ 信息化助力高效管理

本工程预制规模大、数量多、工期紧，预制厂、安装现场之间工作协调难度大。信息化手段完整记录节段梁从预制到架设的全过程信息，确保节段梁信息在预制厂与安装现场之间精确传递，做到全程可追溯，提高设计效率的同时也确保了施工进度。

工厂化预制生产

根据国家建筑工业化和大力发展装配式建筑的战略部署，提出基于“设计+施工”双导向的施工快速化拼装技术。从结构设计着手考虑施工快速化拼装的结构类型、结构体系、预应力体系，以及总体设计标准化和结构设计标准化2个层面的标准化设计体系。

节段梁和钢箱梁均为工厂生产、现场拼装的方式，可以说主线高架上部结构的工厂化生产率接近100%。下部结构中桩基、立柱也是采用钢筋模块整体工厂化生产的方式，大大提高了工程质量和施工速度。

图9 节段梁工厂预制和梁段运输

快速化拼装施工

根据桥梁跨径和建设条件因地制宜选择施工工艺，分别选取合适的逐跨拼装和悬臂拼装2种施工方法。标准等宽段采用架桥机双幅同步架设施工，变宽段多箱多室“Z”字形双幅桥机横移同步架设，架设效率以及架桥机重复使用率提高一倍。

墩梁固结体系、单箱单室节段预制运输、双幅同步架设拼装、以体外预应力为主的混合配束体系等，从设计标准化和施工快速化两方面着手，大幅提高拼装施工速度，快的达到6天一跨，10个月完成节段梁拼装，实现了预制拼装结构设计与施工充分融合。

图10 路口大跨悬臂拼装

图11 节段梁拼装施工现场

精细化设计

在设计细节上深入融合以人为本的设计理念，采用隐式排水设计，兼顾桥梁景观和运营期间检修使用性能。采用预制装配式护栏，外形美观，施工便捷。采用降噪型梳齿板伸缩缝，降低城市高架桥噪声。人行道采用环保型、生态型透水铺装，改善人行舒适性。

全寿命周期设计

全寿命周期内的运营养护也被纳入设计方案选择的考虑范畴，全线桥梁设置人孔，实现检修通道贯通，检修无死角。体外预应力钢束采用单根可换索体系，实现全寿命周期内的可检、可换，可监测桥梁的运营受力状态。更换支座不仅费用较高，而且要限制交通产生社会影响。洪都大道主线高架标准段采用中墩固结、边墩设支座的刚构体系，减少支座数量50%，可以显著减小后期运营过程中更换支座带来的不利影响，降低桥梁养护成本。

设计单位专门立项科研课题进行技术攻关，在解决洪都大道各项工程技术难题的同时，也大大推动了我国在城市桥梁领域的工业化建造水平。解决了包括城市高架节段梁在设计技术、预制工艺、施工工艺等方面的技术瓶颈，成功申请发明专利6项。同时还将技术成果转化为行业技术标准，其中体外预应力极限承载力计算修正、胶接缝压缩量等研究成果，被规范编制组纳入住建部《节段预制拼装混凝土桥梁技术标准》和上海市《节段预制拼装预应力混凝土桥梁设计标准》。

洪都大道工程作为节段拼装桥梁的示范性工程，技术含量高、设计理念先进，社会反响良好。工程解决了节段梁在城市高架桥中的技术瓶颈，推动了节段梁技术的发展，大大提高了我国在城市桥梁领域的工业化建造水平。

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知识点：全面采用预制节段拼装箱梁技术的高架桥