上海城市轨道交通明珠线跨中山北路
钢与混凝土组合梁桥设计与施工
冯爱军 王征宇
(北京市城建设计研究院)
摘 要：介绍了上海城市轨道交通明珠线特殊大桥-中山北路桥设计与施工概况及主要技术要点和创新点。中山北路桥上跨道路主要干道环线中山北路高架桥，为三跨30m+55m+30m预应力混凝土与钢组合连续梁桥，即边跨为预应力混凝土箱梁，并自中墩支点向跨中伸出2.5m与预制箱梁纵向连接，经体系转换形成连续梁，钢梁上桥面板为钢筋混凝土结构，采用剪力钉连接技术形成组合梁。目前该桥已施工完毕，经验收，质量被评为优良。
关键词：组合梁; 连接技术；设计与施工技术；
一、概述
中山北路桥位于轨道交通明珠线与上海市中山北路、西体育路、新市路、西江湾路的交汇处, 上跨道路中山北路高架桥，与其斜交角约为30°。桥梁上部结构为三跨（30+55+30米）连续梁结构，其两边跨为预应力混凝土现浇箱梁，梁高为1.90～2.35米。中跨为钢－混凝土结合梁，梁高2.35米，全桥宽8.9～8.92米。桥梁中墩采用圆形独柱结构，直径2.0米，墩高16.804米(1#墩)和15.604米(2#墩) 。两边墩为双矩形柱加系梁结构，墩高18.301米(0#墩)，15.591米(3#墩) 。基础均为钻孔灌注桩、承台结构。
二、桥型选择
(一)方案选择
由于城市交通的发展，城市立交桥跨越主要交通干道时有发生，针对这种跨度大、曲线斜交的桥梁，常采用的桥梁型式有预应力混凝土梁或钢与混凝土结合梁。预应力混凝土梁常用的施工方法有支架现浇和悬臂浇注法，支架施工严重影响相交主路交通，而悬臂浇注时由于采用的挂篮等施工设备需占用一定空间，增加了桥梁高度，而造成不必要的浪费。连续结合梁施工时常采用分段制作现场拼装，主跨接头一般设在弯距零点附近，拼装时须在接头处搭设临时支架，仍会局部影响主路交通。而简支结合梁梁高较高，跨度受到限制。因此，寻找一种跨度大、重量轻、能预制安装的桥梁结构形式非常必要，预应力混凝土箱梁与结合梁的纵向连接结构，是一种非常有效且有竞争力的方案。目前世界上已建成一批混合结构的桥，如：法国Namandi斜拉桥，德国Kurt-Schumacher斜拉桥，日本生口桥、多多罗大桥及国内的徐浦斜拉桥等(2)。
轨道交通明珠线中山北路桥桥位处交通状况复杂，需上跨道路内环线的中山北路高架桥，为不影响交通，预制梁的最小跨度为50米。而桥下又处于四条交通干道的交汇处，使得桥墩的位置也受到限制。
方案比选时，曾考虑过全钢梁方案，但造价比原造价增加181万元，约40%。最后，经研究分析、结构优化及评估论证，此桥采用30+55+30米的连续体系纵向牛腿连接的混合结构，此桥型成功地解决了跨越主干道而不中断交通的难题，桥梁外型简洁明快，造价低，是明珠线桥梁的成功之处之一。
图1 中山北路桥总布置图
（二）边跨悬臂长度探讨
本桥在施工过程中存在着体系转换问题，在开口钢梁吊装时是悬臂梁加简支挂梁体系，所受荷载为开口钢梁及预应力混凝土梁自重，钢梁与混凝土梁连接后转换为连续梁。
连接截面一般比较薄弱，应设置在内力较小的地方，如弯距零点附近，约l/4（中跨）处。但由于本桥所处的特殊位置，受地面道路和立交桥通行等条件的限制，中墩必须设置于快慢车道的分隔带中，而现浇悬臂采用支架施工，不能侵入所跨的道路环线高架桥净空，经实测，桥梁的悬臂长度只有2.5m，仅为中跨的0.05l 。为保证此种结构体系在初次使用时安全、可靠，设计时进行了各种工况的比较分析，经计算得知，中墩支点弯距与中跨跨中弯距基本平衡，说明结构体系是合理的，但由于连接点位置距中墩支点太近，使得该处顶板弯距达到11382kN-M，所以连接点结构是否安全可靠，是此桥设计成功的关键。
三、结构设计概述
1、特殊荷载及其组合
轨道交通高架桥不同于其他桥梁的特点之一即梁轨之间相互作用的纵向力，桥上纵向力考虑伸缩力、挠曲力、断轨力和制动力。以上这些力作用在梁轨接触面上，但对一般的桥梁上部结构影响不大，验算墩台时作用点移至支座中心处，上述各力依照下列原则组合：伸缩力与挠曲力不叠加，选取较大者和制动力叠加；如断轨时钢轨产生的断轨力大时，则按一股钢轨断轨，另一股钢轨内存在伸缩力或挠曲力计算；不论如何叠加，其最终作用力的量值不应超过全桥扣件总阻力。
2、桥梁纵断面设计
本桥位于设计纵断坡度为1.6%的坡道上。边跨30米为变截面，为保持本桥与区间桥梁的协调一致，梁高由边跨端部1.9米按直线渐变至中墩支点2.35米，边跨采用预应力混凝土箱形梁，并在中支点处向中跨悬臂2.5米，做成牛腿与中段结合梁相接。中段为钢－混凝土结合梁，梁高2.35米，结合梁长50米。
3、横断面设计
桥面全宽一般段为8.9米，渐变段为8.9～8.92米。边跨混凝土箱梁采用单箱单室。满堂支架施工。中跨结合梁为双箱单室，结合梁全高2.35米，钢梁高2.0米，考虑施工吊装能力700kN左右，因此，横断面设计为双箱，每箱单独重约700kN，吊装之后在两钢箱梁之间用型钢横向连接。
4、钢梁设计
钢梁采用箱形截面（钢梁顶板为混凝土桥面板）。钢材为16Mnq钢。钢梁与混凝土顶板用剪力钉连接。
5、预应力混凝土梁与结合梁的连接
预应力混凝土梁与结合梁的纵向连接是本桥设计的关键点。混合梁中钢梁与混凝土的连接方式大致可分为三种，即填充混凝土前板式、填充混凝土后板式和钢板式。混凝土连接施工操作容易控制，质量易于保证，而钢板连接，构件加工、吊装及予埋钢板的位置等各个工序的精度要求都较高，施工质量难于控制。
本次设计尝试了一种新的连接方式：牛腿连接，即接口处的主力（主要是压力、剪力）通过接头混凝土传递给钢梁内臂上的剪力连接器和端头承压钢板，经他们传递到钢梁。桥面混凝土连续。为使其在二期恒载及活载作用下的连接牢固可靠，钢梁端头2.5米范围内浇筑混凝土并张拉连接预应力束，混凝土牛腿端面预留锚筋伸入钢梁端头混凝土中。钢梁端头内混凝土与钢梁连接采用剪力钉，详见连接示意图。
图2：混凝土梁与钢梁连接示意图
6、上部结构计算
主桥计算采用同济大学李国平的《桥梁结构分析综合系统》程序，并用《预应力混凝土桥梁通用计算程序》予以校核。
⑴计算模式
钢梁与两边跨固接前，主梁为简支梁加挂孔结构，浇注连接混凝土后形成三跨连续梁。
⑵计算阶段划分
第一阶段：现浇边跨混凝土箱梁，张拉腹板预应力束；
第二阶段：吊装钢梁，加施工荷载；
第三阶段：现浇钢梁端头连接混凝土及对应顶板混凝土；
第四阶段：张拉连接预应力束，形成三跨连续梁；
第五阶段：现浇钢梁两端7.5m范围顶板混凝土；
第六阶段：张拉部分顶板预应力束；
第七阶段：现浇钢梁中间桥面混凝土；
第八阶段：张拉其余顶板预应力束；
第九阶段：徐变90天；
第十阶段：施加二期恒载；
第十一阶段：徐变120天；
第十二阶段：徐变360天；
第十三阶段：运营阶段。
7．桥墩
由于本桥桥墩较高，最高达18.3m，同时该桥跨度与相邻标准区间跨度相差较大，故在桥墩设计时，对于纵向力采用刚度分配法，刚度考虑支座、桥墩及基础的组合刚度，根据刚度分配一孔或一联的纵向水平力。
经计算分析，中墩采用直径2.0米的钢筋混凝土圆柱形独墩。边墩采用双矩形墩加系梁结构，墩柱截面尺寸1.2X2.0米，高18.301(15.591)米。每个墩顶面放置一块QGBZ350×600×57－CR毫米板式橡胶支座，以抵抗箱梁扭转引起的反力。
8．基础
方案设计时曾对钻孔灌注桩、钢筋混凝土打入桩和预应力混凝土管桩进行了比选，由于沉降控制的原因，同时由于该桥位限制，不能扩大承台范围，最后决定采用采用钻孔灌注桩，每个基础有6根直径1.0米，长73米的钻孔灌注桩，桩尖持力层选择⑨层粉细砂层。
桩基设计从三方面控制：
⑶.沉降控制：满足轨道变形的要求，控制在2cm。
设计时对桩基的沉降量进行了详细的计算，计算结果如表1。
沉降计算结果 表1
四、施工
（一）施工顺序
1.进行基础及墩柱施工，后安放支座；
2.支排架浇筑两边跨及边跨的悬臂、牛腿，混凝土达到设计强度的90％后张拉腹板预应力钢筋；
3.吊装中孔两片裸钢梁至边跨悬出的牛腿上；钢梁调整就位后焊接两箱之间底板装饰钢板；
4. 拆除两边跨排架并用角钢将两片钢箱梁横向连接;
5.浇筑钢箱内两端头连接混凝土及对应的桥面板混凝土，混凝土达到设计强度的90％后张拉横梁预应力钢筋；
6.支钢箱梁的钢筋混凝土桥面板底模，浇筑7.5米长桥面板，待混凝土达到设计强度90％后张拉桥面预应力筋；
7.浇筑其余30米长桥面板，待混凝土达到设计强度90％后张拉其余桥面预应力筋；
8.恢复桥面人孔。进行桥面系施工。
（二）深基础施工
上海地区的地层属淤泥质软土层，本桥设计的73米长直径1米的钻孔灌注桩是施工中的一个难题。施工单位对此进行了详细的施工组织设计，制定了工期、质量、安全的目标，作好充分的现场和技术准备。施工工艺采用正循环泥浆护壁钻进，二次正循环清孔，游轮式导管灌注水下混凝土的“目打目灌”式施工方法。针对淤泥质软土层，设计要求在桩头埋设2米的钢护筒，以避免塌孔。进行二次清孔，清孔后沉渣必须保证小于100mm。在施工过程中实施全面质量管理，采取质量保证措施，确保钻孔桩的施工质量。
（三）50m钢梁吊装
50m钢梁跨越中山北路内环高架道路，安装标高23.1 m。针对高架道路及西体育会路南侧高压线及其它地面不利因素，钢梁吊装时制定了如下相应对策：
1、尽量减少占用地面公交道路，吊装进场安排在夜间进行。
2、吊装期间，考虑必须的临时停电。
3、与相关部门加强协商、协调，在吊装区域，设置好安全警戒线。
4、吊装方法：250T吊机停在西体育会路中山北路口，136T吊机停在新市路中山北路口，50.5m钢梁整体沿中山北路由西向东运至现场。采用250T吊机单机起吊，起升高度超过1#墩后缓慢将钢梁尾端放在1#墩上，136T汽车吊主钩到位，将钢梁的另端起吊，钢梁由两台吊机双机抬吊转向就位。
钢梁于1998年12月25日由工厂运至工地，25日夜开始吊装至26日凌晨完成，早六时恢复中山北路内环高架道路通车。
五、经济技术指标
该桥全长115米，宽8.9 米，桥梁面积1024m2，桥梁总概算546万元，综合经济指标为5332元/ m2。
六、综合分析
上海市城市轨道交通明珠线是国内第一条全高架轨道交通线路，中山北路桥首次将预应力混凝土与钢的组合梁结构应用于轨道交通桥梁中，发明了纵向牛腿连接技术，并取得了成功，为轨道交通桥梁的发展做出了贡献。它主要解决了以下问题：
1.针对轨道交通高架桥的特殊荷载方式，提出了组合方法；
2.发明了预应力混凝土梁与钢梁的纵向牛腿连接技术；
3.设计计算时根据施工阶段划分，模拟每个施工步骤；
4.采用刚度分配法解决高墩设计；
5.位于主要交通交叉口特殊地段的深基础设计与施工技术及基础沉降控制；
6.解决50m钢梁的运输及吊装问题，将对交通的干扰降低到最小；
7.进行轨道交通高架桥梁的徐变分析及量测，为今后高架桥的设计提供了可供借鉴的资料。
8.在综合经济效益方面，比钢梁和悬臂拼装的预应力混凝土梁有较大优势。
总之，本桥结构新颖、技术先进、造价经济、施工方便，是今后桥梁设计中较有竞争力一种新桥型。
参考文献：
1．上海城市轨道交通明珠线中山北路桥施工设计总说明，北京市城建设计研究院，1997年11月。
2．“日本一座别具一格的斜拉桥-浜名湖混合梁斜拉桥”，严国敏，国外桥梁，1997年第一期。
3．上海城市轨道交通明珠线中山北路桥施工组织设计，上海市冶金建设有限公司，1997年12月。
Shanghai City Track Transportation Mingzhu line across ZhongShan north road
Design and Construction of Steel and Concrete combination bridge
ABSTRACT
This paper introduces the Design and Construction of the special great bridge of Shanghai City Track Transportation Mingzhu line-- ZhongShan north district bridge, along with it’s technique essentials and innovation features. The main annular line of ZhongShan north road bridge up span which named as ZhongShan north district viaduct, it is a three-spans beam with 30m+55m+30m long continuous bridge which combined pre-stressed concrete with steel .It’s side span is pre-stressed concrete box-beam which extended 2.5m to join prefabricated box-beam in vertical from the support of piers, and formed the continuous bridge after system transformation., the bridge deck of the steel-beam is structure of steel reinforced concrete which formed assemblage bridge through the shear-nail connection technique. The main feature of it’s design and construction is as follows:
1.Since it is track transportation viaduct, the load types and it’s combination forms are special ;
2.The vertical connection of pre-stressed concrete beam and steel beam ,adopt the bracket connected technique, thus though the bracket、joint concrete、shear-nail in steel beam inner arm、connected pre-stressed steel binds, on the end face of concrete bracket preset the anchor steel-bar stretch into the end of steel beam to transmit the internal force, so as to form the continuous beam;
3.Partition the design calculation according to construction phases, simulate the every construction procedure;
4.The design of high piers adopt the stiffness allocation method;
5.Control the design and construction technique of the great deep foundation which is located at the main traffic intersection and it’s settlement;
6.When to carriage and assemble prefabricated parts of the steel beam which is 50m long ,complete the erection only in one night so that avoid the traffic interruption of the main road.
At present this bridge has already complete the construction, it’s quality achieve the excellent degree after the control reception.
Key words:
Combination bridge; connection technique;
Design and construction technique
