闵浦二桥公轨两用双层主桥的设计及关键技术

1　工程概况
　　闵浦二桥是一座公轨两用一体化双层特大桥，位于上海市黄浦江上游闵行—奉贤段，距下游奉浦大桥约1.7km。上层为二级公路，双向4车道，桥面宽度18m；下层为双线轻轨（上海轨道交通5号线闵奉段）。主桥总体布置立面图见图1。主要技术参数是：


　　1)设计行车速度：公路60km/h；轨道交通80km/h。
　　2)设计荷载：上层为公路-I级；下层轨道车辆轴重为136kN。
　　3)通航标准：主通航孔为单向3000t散货轮、双向1000t散货轮与单向500t散货轮混行，通航净空尺度为宽169m、高28.5m；辅通航孔为单向500t散货轮通行，通航净空尺度为宽49m、高18m。设计最高通航水位为吴淞零点高程3.60m。
　　4)抗震设防标准：地震动峰值加速度0.1g（基本烈度7度），采用二水准设防、两阶段抗震设计方法。
　　5)设计基本风速：V10=26.7m/s。
　　6)船舶撞击力：顺桥向9800kN，横桥向19600kN。
　　7)纵断面竖曲线：上层公路纵坡0.5%，竖曲线半径为30km；下层轨道纵坡0.31%，竖曲线半径为5km。
2　主桥总体设计
　　2.1　主桥跨径布置
　　针对设置主、辅两个通航孔的布置特点，主桥设水中墩,以缩小主孔跨径,比一跨过江方案可节约50%左右的工程投资。设计方案采用非对称双跨布置，主墩布置在主、辅通航孔之间约19m的区域内。
　　本着“满足航道、符合规划、减少矛盾、降低施工造价和难度”的原则，两侧边墩均设置在岸上。主跨跨径≥250m，锚跨跨径≥140m。
　　2.2　主桥桥型选择
　　对于主孔250m的跨度规模以及双跨非对称布置的特点，可选择的桥型主要有悬索桥、拱桥和斜拉桥。
　　根据上海地区软土地基条件，不合适建地锚式悬索桥，只能采用自锚式悬索体系。大跨独塔自锚式悬索桥的关键技术是缆梁锚固构造，包括锚跨平衡重、缆形控制和吊杆无应力长度等问题。其施工方案一般为“先梁后缆”。对于250m的跨度规模，桁高9.6m的桁梁靠自身能力是很难跨越的，可采用2种解决方案：一是在主通航孔中搭设2个临时支墩，作为主桁架设的临时支点，但这对黄浦江航道影响很大，无实施可能；二是先采用斜拉桥的施工方案，架设主梁，待主梁合龙后，再架设主缆，建两座桥拆一座，施工费用很大。
　　双跨非对称布置的连续拱桥，在造型上有创新，技术上具有先进性，但目前尚无先例。由于系梁为桁架结构，刚度较大，可采用刚梁柔拱方案，但更宜采用“先梁后拱”的施工方案，可是主桁架设的施工状况同悬索桥一样，难度较大。
　　斜拉桥作为一种自锚式缆索支承体系桥梁，可适应70~1200m跨度范围，特别是双跨式独塔斜拉桥，在适应特殊地形条件、通航要求的前提下，还具有“主桥长度短、结构需要与跨径功能结合紧密”的优点，因而被普遍采用。对于主跨250m规模的独塔斜拉桥在技术上是比较成熟的，国内已有多座250m以上的独塔斜拉桥建成。
　　经技术成熟度、施工可行性及工程造价等方面的综合比较，最终采用斜拉桥方案。
　　2.3　总体布置
　　主桥为独塔双索面连续钢板桁组合梁双层斜拉桥，主跨251.40m，锚跨设一个辅助墩，跨径布置为147.00m+38.25m，主桥全长436.65m。主塔、过渡墩和辅助墩均设置竖向支座，主塔处主梁和塔之间设置横向支座及纵向限位装置，过渡墩和辅助墩设置横向限位装置。
　　2.4上部结构设计
　　1)　主梁。双层桥梁主梁一般采用桁梁结构形式[1]。桁梁的横断面布置主要有矩形和倒梯形两种形式。其中，矩形断面的使用最普遍。对于斜拉桥，若采用倒梯形断面，因斜拉索与主桁不在同一竖直面内，需通过额外的副桁来传递索力而增加材料用量；采用矩形断面，斜拉索和主桁基本在一个面内，拉索水平分力直接传递给主弦杆，受力明确，索桁连接构造也属常规。经比较，桁梁采用矩形断面。
　　为尽可能降低上部结构恒载，减小主墩基础的体量，主桁采用钢板桁组合梁结构形式，三角桁型，矩形横断面。主桁桁高9.6m，标准节间长14.7m，桁宽19.4m。主桁弦杆和腹杆均采用箱形截面。弦杆截面尺寸宽1000mm、高1200mm；腹杆截面尺寸宽1000mm、高700mm。主桥用钢量为7320t，钢种为Q345qD和Q370qD。
　　由于主跨与锚跨之比较大（1:0.74），为克服锚跨边墩的负反力，在锚跨尾端下层桥面38m范围内灌注压重混凝土2000t。
　　2)　桥面板。上、下层桥面为正交异性板和纵横梁体系。上层桥面盖板厚16mm，为简化制作，提高精度，在满足桥面板局部刚度的前提下，采用了大规格U形加劲肋，高300mm，上口宽360mm,下底宽200mm，壁厚8mm，间距700mm，设4道小纵梁。下层桥面盖板厚12mm，设6道小纵梁。在桁梁节点处设一道主横梁，为变高度工字形，跨中上层桥面梁高1.8m、下层桥面为2.0m，节间设4道副横梁，梁高700mm，间距2.94m。
　　为防杂散电流对钢结构的影响，下层桥面承轨台与钢桥面板之间设置一层175mm厚的混凝土板，混凝土板和钢板之间采用穿孔钢板连接件形式。混凝土板沿纵桥向每个节间断开，仅参与桥面板局部受弯。主桥标准横断面见图2。


　　3)　锚箱。
　　由于索面和主桁在同一竖直平面内，而且上弦杆为箱形杆件，所以索桁采用钢锚箱连接方式。弦杆的2道腹板在锚索处伸出顶面，拉索的锚板和支承板布置在其中间。索力通过支承板与两侧腹板的焊缝传递至腹板，最终传递至桁梁。该构造较常规钢箱梁的单侧连接锚箱更为可靠。
　　4)　桁梁节点采用全焊连接。
　　由于采用带肋加劲的箱形杆件组成的大节间距、全焊整体节点连接的钢桁梁结构，杆件刚度大、拘束度大，焊后会产生较大的拘束应力和残余应力，细节处理不当还会产生裂缝[2]，所以，节点处钢板采用冲击韧性更高的Q370qD钢材，构造上采用大弧过渡，以减少应力集中。
　　5)　斜拉索为双索面，采用扇形索面布置形式，主塔两侧各14对，全桥共56根。
　　梁上的标准索距为14.7m，塔上标准索距为2.0m，倾角为25.4~73.5°。斜拉索采用φ7mm高强平行钢丝（1670MPa），两端采用冷铸锚，索外包挤彩色PE防护套，表面采用双螺旋线或压花形式，两端设内置式减震器。索力为3100~5600kN。
　　6)　主塔采用H型塔，高148m，桥面以上高度107m，高跨比0.43:1。
　　在桥面以上和主梁下各设置一道横梁。塔柱尺寸：桥面以上为等宽度纵桥向6.5m、横桥向4.5m；桥面以下为变宽度，纵桥向由6.5m变至塔底的8.5m，横桥向由4.5m变至塔底的6.8m。塔柱截面为五边形。上塔柱锚索区前壁厚1.2m，侧壁厚0.6m；中塔柱前壁厚0.8m，侧壁厚0.6m。主塔混凝土为C50。
　　目前，塔上斜拉索的锚固方式主要有钢锚箱、钢锚梁和混凝土锚块加环向预应力3种。由于本桥索力相对较小（最大不超过6000kN），经有限元分析，塔壁应力较理想，综合比较采用了环向预应力方式。
　　2.5　下部结构设计
　　1)　主墩设计。、
　　由于主桥为独塔斜拉桥，其主墩基础需承担80%以上的上部结构恒载，同时基础还要承受较大的地震水平作用和船撞力等，因此，宜选择承载能力大、抵抗水平力及抗弯能力较强的桩基础。根据拟建场地中下部土层分布，⑥层暗绿～草黄色粉质黏土及以下土层均较好。其中⑥层埋藏较浅且较薄，单桩承载力不能满足设计要求；⑦2层和⑨层分布较为均匀，厚度也较大，适宜作为主墩桩基础持力层。
　　通过对φ900mm钢管桩、φ2000~φ2500mm大直径钻孔灌注桩2种桩型的技术经济比较，最终选择φ900mm钢管桩。主要理由是：φ900mm钢管桩在上海地区有成熟经验，且施工速度和抗风险性能较好；钢管桩方案的承台纵桥向尺寸较钻孔桩方案小1.4m，可以满足航道布置要求。
　　对于φ900mm钢管桩，根据本桥规模，结合黄浦江上已建的几座大桥的桩基础工程经验，以⑦2层作为持力层是比较合适的。在桩基设计时需考虑设计单桩承载力应与桩身材料强度承载力以及桩基土提供的容许承载力相匹配，同时结合桩基施工的能力和施工对水域环境的影响，以及受航道影响，既保证结构安全，又经济可行。
　　主墩基础共布置125根桩，由直桩和斜桩（1:10）组成，桩尖标高-57.0m，桩长58m，钢材为Q345C。单桩容许承载力约5200kN，为提高罕遇地震作用下的单桩承载力，在每根桩端外侧增设3道加劲肋（长7m、宽0.2m），提高容许承载力约460kN。另外，为了增大桩身的刚度和强度，以及增加钢管桩长期使用的安全性，将钢管桩内标高-27m以上部分放入钢筋笼，浇筑填芯混凝土。
　　主墩承台厚5.5m，底标高-0.5m，封底混凝土厚2m，主墩防船撞设施采用与施工钢套箱相结合的方案。
　　2)　过渡墩及辅助墩基础。
　　根据计算结果，主桥两端的过渡及辅助墩恒载支反力较小，其基础相对主墩基础不均匀沉降而引起的结构附加内力所占荷载效应比重很小，即结构敏感性较弱；另外，过渡墩及辅助墩位于岸上，因此采用与引桥相同的基础，即φ1000mm钻孔桩，持力层选择在⑦2层。北岸桩长50m,南岸桩长46m。
3　主桥施工概述
　　3.1　水中主墩基础与承台施工
　　钢管桩采用水上打桩船进行沉桩。桥墩承台围堰施工一般因底板开口处理方法不同可分为两种：浇筑水下封底混凝土的钢套箱（以下简称钢套箱）和拆装式水密底板无水下封底混凝土的钢吊箱（以下简称钢吊箱）。后者因钢吊箱围堰入水后，需立即采取止水措施，完成箱内排水，为克服钢吊箱承受的较大浮力，需设置压力撑，把作用在底板面的静水压力传给吊梁，再通过支撑吊梁的混凝土支柱传递给桩基础。当浇筑的混凝土厚度足以抵消钢吊箱底部的浮力作用，压力撑即自行卸载。经比较，本工程采用钢套箱的用钢量比钢吊箱可节省约一半，虽相应增加一些桩数，但承台围堰施工最终采用钢套箱方案。
　　3.2　上部结构施工
　　塔柱采用液压提升爬模施工。主跨及部分锚跨主梁采用桥面吊机大节段整体拼装工艺，施工节段最大吊重约2450kN；锚跨尾段主梁采用整体吊运、支架上顶推滑移就位工艺。主桥整个施工工期约2a。
4　设计、施工关键技术
　　闵浦二桥是国内在建的最大跨度公轨两用一体化双层斜拉桥。国内外现有的大跨度双层钢桁梁桥均为公铁两用桥[3]。不同于铁路的“重载、高速”，城市轨道交通具有“荷载轻、车速低、车辆定制”的特点。公轨两用双层桥梁结构构造复杂，国内外对这种桥梁的力学共性问题与规律方面的研究和认识不足，桥梁设计无专门的规范可循，设计理论和方法不统一，因此有必要针对该类型桥梁的关键技术进行研究。
　　4.1　钢桁梁整体焊接节点的设计、制作和施工研究
　　我国钢桁梁经历了从铆接到栓焊直至全焊接的发展过程。焊接整体节点与杆件的连接又可细分为栓焊连接和全焊连接。前者在工厂焊接节点和部分杆件、在现场施工中使用高强螺栓连接节点和杆件，成为栓焊结构；后者全部使用焊接连接杆件和节点，成为全焊结构。全焊结构具有技术先进、整体性好、外观简洁、防腐简单等优势，代表了钢桁梁技术向高强、整体、大跨度、新结构发展的趋势。
　　根据本桥“大节间距、箱形杆件、整体节点、横向大框架、板桁组合”的特点，主要研究内容有：正交异性桥面板自身受力及参与钢桁梁总体受力的钢板桁性能的分析研究；钢桁梁整体纵、横、扭受力性能、构造细节、计算模型的分析研究；整体节点三向受力性能模型试验；箱形截面杆件的强度和稳定的设计计算方法研究。
　　本桥采用大节段双层全焊钢板桁组合梁，整体节段悬臂施工，在国内外工程实例较少。全断面现场对接焊技术是确保杆件的几何制作精度和焊接的组装精度，确保施工质量、体现设计意图的关键，也是钢桁梁施工的技术难点。
　　4.2　公轨两用双层独塔斜拉桥车桥耦合振动性能研究
　　尽管国内已建成了多座公铁双层桥，形成了一套技术规范[3]。但针对大跨度轨道交通桥梁的规范还没有，诸如合理刚度的确定、列车乘坐的舒适性和抗脱轨的安全性等问题还未解决，为此进行了以下研究：①搜集国内外规范有关刚度限值条文，研究制定限值条文的依据；搜集国内外已建成大跨度轨道交通桥梁特别是道路交通、轨道交通共用桥梁的设计刚度值，作为本桥刚度设计标准的参考。②研究主桥以及不同跨度和不同类型引桥的竖向、横向设计刚度值对车桥动力响应的影响；分析主桥、引桥刚度设计值的合理性。③分析主桥、引桥在不同的道路、轨道车辆荷载工况的作用下的动力响应；并参照目前我国《铁路桥梁检定规范》中对桥梁动力性能要求，研究对大跨度桥梁动力性能要求的特点并评价本桥的动力性能。④分析轻轨车辆过桥的走行性，包括列车乘坐的舒适性和抗脱轨的安全性。⑤根据桥梁所处位置风环境的特点，研究强风对列车走行性的影响。研究确定列车安全运营所容许的风环境或在确定风环境条件下，车辆运营所必须执行的车速限制标准。⑥利用上海超级计算中心，在国内首次对全桥、运行车辆及乘客进行仿真三维模拟，对桥梁的合理刚度、列车运行的安全性及乘客的舒适性进行三维数值分析。
　　4.3　主跨斜拉桥抗震性能分析
　　国内对加劲梁形式的结构在地震下的动力响应特性、构件易损部位和破坏机理等的认识还不多，主要研究内容有：桁式加劲梁的抗震薄弱部位及易损性研究；塔梁、塔墩间合理的连接方式研究；减隔震措施研究。
　　根据以往研究经验，桩基础往往是控制全桥抗震安全性的薄弱环节。由于受航道控制，主塔基础处于19m的狭小空间，桩基呈横桥向布置，不利于纵向受力。在地震作用下，一旦桩基损伤，检修将十分困难。一般桥梁基础在抗震设计时基础要有一定的超强能力，对于跨海、跨江大桥的基础更应满足这一要求。因此，设计中对提高或改善桥梁桩基础的抗震性能也进行了研究。采用两种设计概率的地震输入，用反应谱方法和非线性时程分析法对主桥进行地震反应分析,校核两个设防水准的地震作用下结构的抗震性能(主要检算控制截面的强度和关键节点的位移)，并识别结构的易损部位，认识结构的破坏机理，对主桥结构的抗震安全性作出评价。
　　4.4　主跨斜拉桥抗风性能分析
　　上海受台风影响很大，研究主桥在施工阶段和成桥状态的静风稳定问题和风振受力问题是本桥抗风性能研究的关键。主要研究内容为：基本风速统计分析和桥位风特性参数确定；结构动力特性分析计算；三分力系数风洞试验和静风荷载计算；静风稳定性分析和静风内力计算；气动导数风洞试验和颤振稳定性检验；涡激振动风洞试验和涡振性能检验；桥塔自立状态风洞试验和桥塔涡振性能检验；抖振响应数值分析。
　　4.5　主跨斜拉桥水中墩防船撞系统关键技术
　　根据主桥总体布置，水中主墩设在主通航孔和辅通航孔之间，主墩承台纵桥向宽度16.6m，承台边与航道边线之间的净距只有1.2m，而防撞设施只能布置在这狭小的空间。经调查，桥位处航道内超载船舶通行概率较高，因而，防撞设施在满足防撞能力的前提下，减少防撞设施的尺度是本研究的技术难点。主要研究内容为：依据通航船舶船型、流量预测分析结果，结合航道条件、港口规划、水文等防撞参数、新的桥梁参数，进行船撞力计算参数认证；利用经验公式法或瞬态有限元法及动力模拟法计算船撞力；依据船舶碰撞概率分析，确定桥墩防撞工况、防撞力标准；防撞设施与承台施工钢套箱相结合，进行基础承台施工工况的验算，如钢套箱底板承受湿封底混凝土计算、钢套箱承受静水压力和承台湿混凝土压力计算及抽水工况下钢套箱横撑的计算。
　　4.6　公轨两用双层特大桥健康监测系统研究
　　就现阶段的研究水平而言，大桥健康监测系统的最终目的应是为管养服务，首要任务应是性能监测及评估（包括状态监测及评估和趋势监测及评估）。针对本桥的结构特点、环境特点和荷载特点，重点研究：主桥总体结构特点分析；桥址周围环境特点分析及预测；荷载特点分析及预测；结构损伤及性能演变分析(SDPEA)；基于SDPEA和LCC的结构管养对策的研究；健康监测系统的先验性评估、预警参考体系研究；健康监测系统的后验性评估、预警指标体系的研究；健康监测系统在线及离线评估方法研究；确保结构管养对策的健康监测系统的总体框架设计和功能规划。
5　结语
　　闵浦二桥于2008年1月开始主墩基础的沉桩施工，预计于2009年年底建成通车。公轨两用一体化桥梁有别于公路桥梁的荷载、行车安全性和舒适性要求等特点。本桥采用的主跨251.40m的独塔连续钢板桁组合梁斜拉桥，是目前国内跨度最大的公轨两用独塔双层斜拉桥。