波形鋼腹板小箱梁頂推設(shè)計與施工研究

王 飛，劉之光，任 亮

（1.上饒市交通運輸局，江西 上饒 334100；2.華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013）

波形鋼腹板小箱梁頂推設(shè)計與施工研究

王 飛1，劉之光1，任 亮2

（1.上饒市交通運輸局，江西 上饒 334100；2.華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013）

針對傳統(tǒng)PC小箱梁存在的問題，設(shè)計了波形鋼腹板小箱梁替代混凝土腹板，通過引入Φ21.8大直徑預應力鋼束，提出了創(chuàng)新的波形鋼腹板小箱梁分塊預制組拼和臨時斜拉塔輔助相結(jié)合的頂推施工方案，實現(xiàn)了波形鋼腹板自身作為鋼導梁的施工工藝，提高了頂推速度，節(jié)省了工程造價，其成果可供同類的設(shè)計和施工參考。

波形鋼腹板；頂推施工；分塊預制組拼；臨時斜拉塔

0 引 言

預應力混凝土小箱梁一般采用裝配式施工，由于其施工簡便、速度快，在中小跨徑橋梁中非常具有競爭優(yōu)勢，應用十分廣泛。但是，受混凝土材料自身的限制，預應力混凝土小箱梁單跨跨徑目前未能突破40m；且在長期使用過程中，預應力混凝土小箱梁會相繼出現(xiàn)端腹板斜裂縫、腹板與頂板相交處的縱向裂縫等病害［1］，嚴重影響著橋梁的使用功能。為此，引入新材料，從而增大傳統(tǒng)小箱梁跨徑，克服混凝土小箱梁腹板易開裂的弊端，顯得尤為重要。

波形鋼板作為一種壓型鋼板，具有單位重量輕、強度高、抗震性能好、施工快速、外形美觀等優(yōu)點，是良好的建筑材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)件。目前國內(nèi)已成功應用于替代預應力混凝土箱形截面腹板，并有20余座大跨度波形鋼腹板PC組合箱梁橋的成功應用實例［2］，但將波形鋼板應用于傳統(tǒng)的PC小箱梁中尚無相關(guān)的文獻報道。考慮到波形鋼板具有抗剪、抗拉強度高等優(yōu)點，且相對于混凝土構(gòu)件可以大大減輕結(jié)構(gòu)自重，因此將波形鋼板引入PC小箱梁中作為腹板，既能克服傳統(tǒng)混凝土小箱梁腹板易開裂的弊端，又能增大跨度。

對于波形鋼腹板梁橋的施工，目前主要有滿堂支架施工法、掛籃懸臂施工法、頂推施工法、整梁裝配式拼裝施工法和RW工法等。考慮到波形鋼板在頂推施工中可利用其自身的剛度加工成前伸導梁，頂推到位后可作為箱形截面的腹板，從而簡化導梁設(shè)施，縮短工期，因此本文針對傳統(tǒng)PC小箱梁存在的問題，在引入波形鋼腹板的基礎(chǔ)上，開展波形鋼腹板小箱梁頂推設(shè)計和施工的研究。

1 波形鋼腹板小箱梁設(shè)計

江西上饒某大橋為跨徑4×64m連續(xù)梁橋，考慮到傳統(tǒng)PC小箱梁存在的問題，本文引入波形鋼腹板替代混凝土腹板，用Φ21.8大直徑預應力鋼束替代Φ15.24鋼絞線，設(shè)計了與頂推施工相適應的波形鋼腹板小箱梁。

1.1 主梁設(shè)計

主梁采用4片波形鋼腹板小箱梁的設(shè)計方案，如圖1所示。

圖1 波形鋼腹板小箱梁截面

相應的細部構(gòu)造如下。

（1）結(jié)構(gòu)尺寸。全橋?qū)?7m，高3.5m，單片小箱梁頂板寬3.8m，底板寬2.2m，頂?shù)装寤炷梁穸仍诳缰刑幘鶠?.40m，在支點處底板加厚至0.80m，頂板厚度保持不變。波形鋼腹板選用1600型，在跨中厚度為10mm，為滿足受力需要，支點處加厚至12mm。

（2）橫隔板。為增加波形鋼腹板小箱梁之間的抗扭剛度，設(shè)計中共設(shè)置了3種橫隔板，即箱內(nèi)橫隔板、箱間橫隔板和后拼橫隔板。其中箱內(nèi)橫隔板除梁端為5m一道外，其余均為8m一道；箱間橫隔板和后拼橫隔板間距一致，在端部均為13m，中間為16m。橫隔板采用兩片平行放置且壓痕垂直的波形鋼板連接而成（厚度為0.50m），中間通過壓注C30細石混凝土進行填充。箱內(nèi)橫隔板在小箱梁預制時完成，箱間橫隔板一部分在頂推臺座上完成，另一部分在頂推到位后與后拼橫隔板一起完成。

（3）預應力孔道。孔道直徑為12cm，采用鋼管抽拔成型。為防止管道漏漿，在各片小箱梁拼裝接縫澆筑前，波紋管與抽拔管孔口之間采用樹脂密封。

1.2 預應力束

橋梁頂推施工與其他施工方法相比，最大的不同是，施工過程中主梁內(nèi)力呈正、負值交替更換，與成橋狀態(tài)下主梁的內(nèi)力相差較大，因此大跨度橋梁采用頂推施工時頂?shù)装孱A應力束設(shè)計一般分為前期束和后期束。前期束為滿足頂推施工需要，通常采用逐段張拉和接長的直線型通束；后期束為滿足二期恒載和活載需要，通常在頂推到位后在支點頂部和跨中底部采用短束。

考慮到波形鋼腹板小箱梁頂、底板較薄，如果采用傳統(tǒng)的Φ15.24鋼絞線，較大的齒輪式聯(lián)結(jié)器會增加頂?shù)装搴穸龋M而增加鋼束數(shù)量和結(jié)構(gòu)自重，因此并不適合頂推施工；而且小箱梁內(nèi)部空間小，后期預應力張拉操作難度大，故預應力束根數(shù)應盡量減少。為便于對比，表1中列出了常用的Φ15.24鋼絞線、Φ21平行鋼絲和新型的Φ21.8大直徑預應力鋼束的參數(shù)。

表1 三種預應力鋼束參數(shù)對比

從表1中可以看出：Φ21鋼絲面積比普通Φ15.24鋼絞線面積大了一倍，這使其破斷力增大至1.7倍；而Φ21.8大直徑鋼絞線與Φ21相比，直徑變化不大，但破斷力增大至普通Φ15.24鋼絞線的2.2倍。因此，從提高使用效率、減少孔道數(shù)和應用新技術(shù)出發(fā)，本文在波形鋼腹板小箱梁中引入了Φ21.8大直徑預應力束。經(jīng)大型有限元程序反復仿真計算分析，最終確定本橋前期束布置上緣和下緣分別為8孔和4孔12束Φ21.8大直徑鋼絞線，采用逐段張拉和接長的直線型通束；后期束布置為上緣和下緣均為3孔12束Φ21.8大直徑鋼絞線，采用分段布置，其位置分別位于支點上緣和跨中下緣。

2 分塊預制組拼頂推

頂推施工是以不到梁體重量5%的水平力來克服梁底與滑道之間的摩阻力，將20倍水平推力重量的箱梁架設(shè)到位，是橋梁施工中耗能最小、費用最低的方法。同時，頂推施工還兼具占地少、不影響交通、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，因此是中等跨徑橋梁中非常具有競爭力的一種架橋工藝［3－6］。但自1978年陜西狄家河大橋引進頂推工藝以來，中國已建成的頂推施工橋梁僅3萬余米，且PC梁橋單跨頂推跨徑不足50m。究其原因，主要是頂推施工存在著速度慢、工期長、需設(shè)置臨時墩、無統(tǒng)一的頂推施工標準圖等問題，嚴重制約著頂推施工的應用和推廣。

2.1 構(gòu)思的提出

針對頂推施工工期長、速度慢的缺點，中國學者在湖南南縣啞吧渡大橋設(shè)計施工中提出了箱梁分條分塊預制組拼頂推的施工方法［7］。該方法棄用傳統(tǒng)單箱方案，將主梁橫向分成若干小箱梁，縱向分成若干節(jié)段，并在預制場進行預制，待預制小箱梁節(jié)段收縮徐變基本完成后，通過門吊將其吊裝至頂推平臺，澆筑濕接縫，張拉預應力，最后進行頂推施工［8］。由于實現(xiàn)了橋梁結(jié)構(gòu)上下部同時施工，該方法大大提高了頂推施工的速度，節(jié)省了工期。同時主梁采用分條分塊預制還實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕型化，全橋頂推施工中僅采用一臺100t連續(xù)千斤頂。此項目的成功實施為分塊預制組拼頂推工藝的推廣應用奠定了基礎(chǔ)。

2.2 分塊預制組拼

本文在4×64m波形鋼腹板小箱梁中引入分塊預制組拼頂推施工工藝。單片小箱梁縱向分成八段，其中第一段長度為39m，第二段至第八段長度均為31m。為消除混凝土大部分的收縮和徐變，波形鋼腹板小箱梁在預制完成后需在梁場放置90d以上。節(jié)段拼裝時，第一段小箱梁頂?shù)装寰礉仓圆ㄐ武摳拱遄陨碜鳛殇搶Я菏褂茫珮蝽斖频轿缓螅b模板澆筑頂?shù)装寤炷梁蜋M隔板。考慮到施工工期和頂推穩(wěn)定性的要求，每2條小箱梁形成一幅，并在臺座上澆筑箱間的橫隔板，然后進行同步頂推。圖2為對應的預制組拼布置圖，其中預制節(jié)段通過橫跨拼裝臺座的2臺龍門吊機起吊至拼裝臺座，然后進行拼裝。拼裝臺座由鋼管樁基礎(chǔ)、321軍用貝雷片和豎向千斤頂組成，其中豎向千斤頂用于局部調(diào)節(jié)小箱梁的標高，從而確保頂推到位后小箱梁線形達到設(shè)計要求。此外，由于本橋在頂推設(shè)計中取消了跨中臨時墩，因此在第二、三節(jié)段拼裝完成后，需在第二節(jié)段的中心安裝臨時主塔、張拉斜拉索，塔的高度和拉索索力通過計算確定。

圖2 小箱梁分塊預制組拼布置

2.3 鋼導梁設(shè)計

橋梁頂推施工中，第一跨主梁受力變化幅度最大，在第一跨前端安裝臨時鋼導梁以減小主梁頂推過程中的受力，當主梁頂推到位后，再將鋼導梁進行拆除。對波形鋼腹板小箱梁橋而言，可結(jié)合波形鋼腹板自身的特點設(shè)計鋼導梁截面，如圖3所示。

圖3 鋼導梁橫截面

從圖3中可以看出，鋼導梁由波形鋼腹板、上下緣縱梁、上緣大橫梁、T型加勁肋、下緣橫撐和橫聯(lián)組合而成。其中，波形鋼腹板在頂推過程中承擔剪力，上下緣縱梁承擔彎矩，中間焊接的橫聯(lián)、橫撐和大橫梁則用來滿足橫向穩(wěn)定及抗扭要求。全橋頂推到位后，拆除上緣縱梁、大橫梁、橫撐和橫聯(lián)，在鋼導梁處掛模現(xiàn)澆頂?shù)装搴蜋M隔板，當混凝土結(jié)構(gòu)強度達到70%時，拆除模板，張拉永久預應力束，即可形成主梁。

3 帶臨時斜拉塔頂推施工方案

目前，對于單跨跨度超過50m的橋梁，進行頂推施工時一般先在跨中設(shè)置臨時墩，待全橋頂推到位后再將臨時墩進行拆除。本橋單跨跨徑達到了64m，如果在跨中設(shè)置臨時墩，不僅造價不菲，而且影響河道通航。為此在施工中提出分塊預制組拼與臨時斜拉塔輔助相結(jié)合的頂推施工方案，臨時主塔設(shè)置在第二段主梁的中心，通過斜拉索一端連接鋼導梁，一端錨固在第三段主梁上。該方法的突出優(yōu)點是：斜拉索與主梁錨固點類似于一個支撐，與常規(guī)頂推設(shè)置臨時墩效果相當，從而減少了頂推實際跨徑，可有效減少施工預應力，降低工程造價；減少了水中臨時墩的施工和拆除，簡化了頂推施工工序，提高了頂推施工速度；臨時斜拉塔在頂推完成后可以進行回收，因此可進一步降低工程造價。

圖4為波形鋼腹板小箱梁分塊預制組拼與臨時斜拉塔輔助相結(jié)合的頂推施工方案。該方案不僅實現(xiàn)了波形鋼腹板小箱梁分塊預制與下部施工的同步進行，而且大大減少了水中臨時墩的數(shù)量，加快了頂推施工的速度。波形鋼腹板小箱梁單次組拼取2個節(jié)段，長度為62m，按12d完成計算，平均頂推速度可達到5.1m·d－1，如再計入波形鋼導梁和臨時斜拉塔安裝時間以及其他可能的不確定性因素，2個月左右即能完成單幅（2條小箱梁）頂推任務。待單幅頂推到位后，再將臨時斜拉塔和頂推設(shè)備轉(zhuǎn)移到另一幅進行頂推施工。波形鋼導梁頂?shù)装寤炷猎谌珮?片小箱梁頂推到位后進行立模澆筑 （澆筑時間約為2個月左右）。考慮到小箱梁預制、存放以及下部結(jié)構(gòu)施工工期約為4個月，橋面鋪裝按2個月計算，則全橋施工總工期約為1年。該方案充分體現(xiàn)本文所提出的分塊預制組拼與臨時斜拉塔輔助相結(jié)合的頂推施工技術(shù)的快速高效。

圖4 預制組拼與臨時斜拉塔組合頂推施工

4 結(jié) 語

頂推施工法造價低、占地少、不影響交通、質(zhì)量穩(wěn)定，是長橋和中等跨徑橋梁建設(shè)中非常具有競爭力的一種施工工藝。本文針對傳統(tǒng)PC小箱梁存在的問題，采用波形鋼腹板替代混凝土腹板設(shè)計了主跨64 m波形鋼腹板小箱梁橋。為滿足頂推施工受力需要，在引入Φ21.8大直徑預應力鋼束的基礎(chǔ)上，提出了創(chuàng)新的波形鋼腹板小箱梁分塊預制組拼和臨時斜拉塔輔助相結(jié)合的頂推施工方案，實現(xiàn)了波形鋼腹板自身作為鋼導梁的施工工藝，節(jié)省了工程造價，提高了頂推速度，其成果可供同類工程的設(shè)計和施工參考。

［1］嚴國兵，高 巖，王石磊.預制小箱梁受力性能評估及特殊病害成因分析［J］.鐵道建筑.2013，32（8）：1－5.

［2］陳寶春，陳宜言，林 松.波形鋼腹板橋梁應用調(diào)查分析［J］.中外公路.2010，30（1）：109－118.

［3］陳繼光.頂推法施工關(guān)鍵工藝改進［J］.筑路機械與施工機械化，2008，25（3）：61－63.

［4］徐化軒.頂推梁橋施工中可能出現(xiàn)的技術(shù)問題及對策［J］.鐵道工程學報，2002，74（2）：30－33.

［5］徐 岳，朱萬勇，楊 岳.波形鋼腹板PC組合箱梁橋抗彎承載力計算［J］.長安大學學報：自然科學版，2005，25（2）：60－64.

［6］杜玉林，閆志剛，杜立峰，等.跨密集鐵路小半徑連續(xù)鋼箱梁頂推施工技術(shù)［J］.公路工程.2013，38（4）：157－161.

［7］任 亮，方 志，上官興.大跨PC梁橋頂推新技術(shù)［J］.公路，2010（3）：71－73.

［8］冀 偉，劉世忠，藺鵬臻.波形鋼腹板組合箱梁振動頻率分析與試驗［J］.中國公路學報，2013，26（5）：102－107.

Incremental Launching Design and Construction of Corrugated Steel Web Small Box Girders

WANG Fei1，LIU Zhi－guang1，REN Liang2
（1.Shangrao Bureau of Transportation，Shangrao 334100，Jiangxi，China；2.School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，Jiangxi，China）

In view of the problems of traditional small box girders，corrugated steel web small box girders were designed to replace concrete web.Based on the introduction of a diameter of 21.8 mm prestressed reinforcement，the incremental launching construction project combining segmental precast erection and occasional cable stayed tower was put forward，which implements the process of corrugated steel web as launching nose，saves the cost of the bridge and improves the speed of erection.The results are expected to be useful in the design and construction of similar structures.

corrugated steel web；incremental launching construction；segmental precast erection；occasional cable stayed tower

U445.462

B

1000－033X（2015）08－0066－04

2015－02－05

江西省教育廳基金資助項目（GJJ14385）

［責任編輯：譚忠華］