大尺寸箱梁節段的運輸和吊裝難題，制約著節段梁技術在寬幅橋樑中的應用，是限制預製拼裝技術在市政橋樑領域推廣的關鍵問題之一。深圳海濱大道（機場段）工程，提出大懸臂節段預製復合截面脊骨梁的概念，將寬橋幅、大挑臂的箱梁斷面分解為 「核心段箱梁」和「預製挑臂」兩部分。分析該類橋樑的結構體系、合理構造以及關鍵連接，並對設計標準化、施工快速化等方面進行了研究。
深圳海濱大道（機場段）工程位於寶安機場西側，自南向北貫穿沿江高速以東海域。主線按城市快速路設計，設計速度80km/h，雙向八車道；輔路按城市主幹路設計，設計速度40km/h，雙向四車道。工程主線全長約10km，其中約1.9km以隧道形式下穿機場三跑道限高區，余均採用橋樑形式跨越（見圖1）。
圖1 項目平面布置圖
項目主線橋樑起始於深中通道立交南側，向北跨越深中通道立交區、碼頭路、機場南路和現狀海堤後，與下穿機場三跑道下滑區的隧道相接。出隧道後，以橋樑形式跨越機場三跑道西側海域，設置蝦山涌通航孔，向北跨越現狀海堤後結束，接規劃空港新城段。主線橋合計約7.7公里，其中海上段約4.9km，岸上段約2.8km，另設平行匝道橋兩對、立交匝道多條，橋面面積合計約41萬平米。
結構形式國內尚無案例
「綠色化、工業化、信息化」是建築業發展的方向。隨著經濟社會的快速發展，國家提出建築工業化，出台了系列文件明確要求大力發展裝配式建築。
節段預製拼裝的混凝土橋樑符合國家產業發展方向，同時具有綠色環保、環境和交通影響小、運輸方便、施工快速、美觀、耐久和全壽命費用低等諸多優點，近年來在國內鐵路、公路、軌道交通以及市政工程中得到了廣泛的推廣和應用，取得了良好的使用效果。
目前常規的預製節段大箱梁，一般在橋面較窄時採用單箱單室斷面，當橋面較寬時，為減小節段尺寸和吊裝重量，多採用分離多箱斷面，工程設備投入套數多，墩頂橫樑施工難度大，工期較長、造價貴，景觀效果也難以令人滿意。
為解決寬橋幅節段梁的運輸、施工難題，提出大懸臂復合截面脊骨梁的概念，即將斷面分解為節段預製的「核心段箱梁」和「預製挑臂」兩部分。其中，「預製核心段箱梁」採用架橋機進行吊裝、架設及拼裝，而「預製挑臂」則在核心段成型後逐步拼裝完成。該結構形式在國內尚無相似案例，部分設計、施工內容缺少規範規定，因此有必要對其合理總體布置、結構體系、關鍵連接構造、標準化、快速施工等方面進行深入研究，指導工程設計、施工，並總結經驗，為後續類似工程設計提供參考依據。
設計新思想
總體布置
本項目位於深圳寶安機場與沿江高速之間的近海區域，建設受到通航、海洋潮汐、飛行區限高、鄰近沿江高速、鄰近並部分跨越機場海堤等諸多條件限制。同時由於地處機場周邊核心區域，景觀和環保要求也非常高。根據交通規劃，海上段須布置8主4輔的雙向12車道，同時設置慢行系統。
原工可方案採用三幅橋設計，其中兩幅橋分別布置雙向主線，另設一幅布置輔路和慢行系統（見圖2）。該方案雖能滿足規劃交通要求，但在橫向布置了3根主梁和6根立柱，考慮鄰近線位的沿江高速已有2根主梁4根立柱，區域內橋墩凌亂，景觀效果不佳。
圖2 橫斷面布置（工可方案）
為優化景觀效果，將慢行系統單獨考慮（設計小規模的景觀人行橋或利用沿岸海堤堤頂路），剩餘的車行道橋樑可按兩幅布置，單幅橋寬25m。對比原工可斷面，優化方案減少下部結構數量，景觀效果更優。但由於25m寬節段梁的吊重過大，按常規思路只能採用分離雙箱斷面（見圖3），由此導致工程設備投入套數多、墩頂橫樑施工難度大、工期較長、造價偏高等問題。
圖3 橫斷面布置（優化方案）
最終，綜合建設條件、施工工藝、景觀需求等諸多因素，嘗試在箱梁斷面形式上進行創新，拋棄了傳統的分離雙箱斷面，採用新型的大懸臂節段預製復合截面脊骨梁（見圖4）。該結構形式受力明確合理，設計方案與施工工藝結合好，施工臨時措施少，景觀優美，經濟性好。經初步測算，與原工可方案相比可節省投資約15%。
圖4 橫斷面布置（最終方案）
跨徑與結構體系
一方面，本項目受航空限高及浪濺區高度的制約，主梁不宜過高（不大於3.3m）；另一方面，從施工效率出發，海上橋樑的跨徑又不宜過小。在此基礎上，對跨徑40、50、60m的復合截面節段梁進行了分析，結果表明40、50m跨橋樑的力學和經濟指標均優於60m跨。此外，項目線位外側為跨徑60m的沿江高速，兩者間距較近（最近處約60m），從整體景觀效果考慮，新建橋樑的立柱間距不宜過密。綜合受力、經濟、施工、景觀等多方面因素，最終選定海上段標準跨徑為50m。
國內已建節段梁多採用連續梁體系，對於部分橋墩較高或基礎剛度較小的工程，也可採用固結體系。本橋受航空限高影響橋墩較矮，且海上段橋樑所在區域表層土較淺，基礎剛度整體偏大。經分析固結體系只在線位少部分區域成立，且僅能實現3跨一聯，聯長較短降低了行車舒適性。與之相比，連續梁體系最長可實現6跨一聯，聯長適當增大後行車舒適性較好。綜合考慮，海上段橋樑採用了連續梁體系。
圖5 大懸臂節段預製復合截面脊骨梁效果圖
斷面構造
為減小吊裝重量，節段梁採用了復合截面的脊骨梁，斷面在橫橋向被分解為「預製核心段箱梁」和「預製挑臂」兩部分。核心段箱梁在滿足自身受力的基礎上，應能夠承受預製挑臂拼裝的施工荷載；預製挑臂在滿足整體受力要求的同時，還應考慮施工便捷、可操作性強，對核心段影響小的結構形式。
根據結構自身特點及其需求，對「預製核心段箱梁」「預製挑臂」兩部分的結構尺寸進行合理布置，如腹板設置形式、橋面板板間支撐方式、箱室倒角、挑臂縱梁尺寸等，充分發揮大挑臂復合截面在施工、受力方面的優勢。核心段與翼緣板的分介面，應結合吊裝可行性及各部分受力情況綜合考慮。圖6為一種可行的箱梁橫向分段方式。
圖6 一種箱梁橫向分段方式示意圖
連接方式
目前預製節段梁縱向拼接工藝已經較為成熟，但是預製構件間橫向的連接方式、連接工藝，尚缺乏理論研究以及工程實踐經驗。針對本橋先拼裝「預製核心箱梁」、後拼裝「預製挑臂」的特點，需要在理解這種結構體系受力特性的基礎上，提出受力性能優良、構造簡單合理、施工快速便捷的橋樑橫向分段預製拼裝方法。其中：
預製挑臂與核心箱梁間的頂板接縫，在橫橋向受拉，是最重要、受力最不利的一條接縫，因此採用濕接並設置普通鋼筋通過，為方便現場澆築，預製時可在接縫槽口下緣預留混凝土底模。
預製挑臂與核心箱梁間的肋板接縫，承受較大的豎向剪力，同時下緣受壓，可在接縫下部設置一對牛腿，接縫上半段採用現澆濕接縫連接，預製時可在接縫兩側預留混凝土薄板作為側模。
相鄰預製挑臂之間的縱向接縫，由於肋板間距遠小於挑臂長度，橋面板在車輪局部荷載作用下，呈現沿縱橋向受彎的單向板特性。為提高預製生產效率，所有挑臂節段宜按照相同外形進行預製。考慮到曲線段、超高漸變段的拼裝難度，採用了有普通鋼筋通過的濕接縫構造。
預應力體系
體外預應力施工速度快、構造簡單、節段預製方便，運營過程中鋼束可檢修可更換，但是預應力效率相對體內預應力低，鋼束位置也較體內預應力遠離翼緣板；體內束預應力效率高，鋼束位置靠近翼緣板，但是會增加節段預製難度。因此縱向預應力鋼束採用基於施工效率的、以體外束為主、體內預應力束為輔的混合配束預應力體系（見圖7）。
圖7 體外束為主的混合配束預應力體系
大挑臂復合截面節段梁施工時先形成核心段結構，後安裝挑臂。核心段結構架設時僅張拉體外束提高架設效率，核心段形成後逐步安裝預製挑臂，並同步張拉體內束，確保體內束預應力效應能較好地擴散至翼緣板整體，保證翼緣板受力性能。體內束線形應優化為最簡，減小預製難度，提高標準化程度。
設計標準化
對於主線標準段，根據項目自身結構特點，提出由總體設計標準化和結構設計標準化兩個層次組成的設計標準化。總體設計主要考慮道路線形標準化和橋樑跨徑標準化設計；在總體設計標準化的基礎上，實現核心梁斷面、挑臂構造、節段類型、預應力配置、剪力鍵設置、轉向塊、錨固齒塊等多個構件的結構標準化設計。
對於主線標準段與沿線匝道間過渡的變寬段，也進行了特殊的標準化構思。變寬段的節段梁設計一直是一個難題，國內尚無先例，難點在於預製結構標準化。非標構件將顯著提高製造成本、降低施工速度，喪失預製拼裝結構優勢。如何使預製節段梁的「不變」，適應異形變寬段橋樑的「變」，設計組提出了「分箱室、變挑臂，壓縮箱室」的成套設計方案。將全線橋樑斷面歸納為不同寬度的單箱單室斷面，通過不同類型、不同數量的箱梁組合，並配合挑臂長度和箱梁腹板位置的變化，實現橋面寬度的變化。
施工快速化
根據國家建築工業化和大力發展裝配式建築的戰略部署，設計組提出基於「設計施工」雙導向的施工快速化拼裝技術，從結構設計著手考慮施工快速化。
其中，上部結構全部採用工廠預製、現場拼裝的方式，工廠化生產率接近100%。下部結構方面，岸上段全部採用預製拼裝技術，海上段綜合考慮耐久性因素採用現澆工藝，但樁基、立柱鋼筋也採用了工廠整體模塊化生產，大大提高了工程質量和施工速度。
特殊的，對於復合截面脊骨梁，現場拼裝需分別經歷「拼裝核心段箱梁」以及「拼裝預製挑臂」兩個階段（見圖8、圖9）。
圖8 施工階段一：預製核心箱梁節段拼裝
圖9 施工階段二：預製挑臂拼裝
其中，「預製核心段箱梁」的拼裝與常規節段梁工藝類似。待核心預製箱梁的縱向預應力張拉完成、架橋機前移後，利用橋面小吊機起吊預製挑臂，並在頂部張拉橫向臨時預應力（見圖10）。橫向臨時預應力張拉完成後，預製挑臂在自重、臨時預應力、底部牛腿的豎向支撐力作用下達到平衡，橋面小吊機即可前移，繼續吊裝下一對預製挑臂。已經吊裝完成的預製挑臂可進行肋板處濕接縫澆築施工。待本跨預製挑臂全部吊裝完成後，澆築翼緣板與核心箱梁頂板之間的濕接縫。上述過程中，拼裝預製挑臂時無須大型起重設備，且吊裝設備不用等待接縫混凝土達到強度，周轉效率高，施工速度快。
圖10 橫向臨時預應力張拉
全過程信息化
信息化技術作為一種理念和方法，可將工程建設項目的各類相關信息有機地納入到數字模型中，為項目建設管理中可能存在的問題提供一種全新的解決方案，並保證全壽命周期的信息得到有效的管理和共享，從而保證項目的順利推進。
本工程地理位置特殊、周邊環境複雜，現狀立交改造和對接空間交錯，加之新建結構形式新穎、技術難度大，這些建設特點都使信息化技術的應用顯得十分必要和迫切。因此，在工程全壽命周期建設過程中有必要運用BIM、GIS等手段，通過可視化、協調性、模擬性、優化性技術的應用，有效改善溝通、降低成本、縮短工期、減少風險、提升項目管理和運維的水平。
預製拼裝技術作為國家橋樑產業發展的方向，具有顯著的示範效應和推廣價值。本項目研究「預製核心段箱梁」先行、「預製挑臂」後裝的大懸臂節段預製復合截面脊骨梁，旨在突破大尺寸節段梁運輸、施工的技術瓶頸，提升節段預製拼裝混凝土橋樑的設計和施工關鍵技術，推動節段梁預製拼裝技術的發展。
本文刊載 /《橋樑》雜誌 2019年 第3期 總第89期
作者 / 邵長宇 王猛 郭濟
作者單位 / 上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司