淺談大跨度波形鋼腹板PC結合梁懸臂澆筑桁車設計與施工技術

摘要：本文以我國首座大跨度波形鋼腹板PC結合連續梁—鄄城黃河公路大橋工程實踐為依托，介紹該類橋梁懸臂作業桁車設計的難點、關鍵技術及創新構造。

關鍵詞：波形鋼腹板 PC結合梁 懸臂澆筑 桁車 設計施工

1.前言

波形鋼腹板PC結合連續梁橋與常規砼連續梁相比，具有自重小、抗震性能好、結構受力合理、預應力效率高且更換方便、避免腹板開裂、施工造價低、工作量小進度快、造型美觀等諸多優勢，近10年來在法國、日本等國家應用廣泛。近年來我國在該橋型領域也開展了一定的研究，但僅僅局限于較小跨度的中小橋梁，施工工藝也局限于滿堂支架現澆或預制吊裝等。鄄城黃河公路大橋為我國首座多跨連續大跨度波形鋼腹板PC結合梁橋，跨徑布置為70+11×120+70m，13孔一聯、連續長度1460m，其規模居世界第一。主梁采用特制懸臂施工桁車對稱節段懸澆，國內尚屬首次，無經驗可循，技術難度大。中交集團及時將該項目確定為2007年度重點科技攻關項目，通過深入的研究解決了多項技術難題，確保了該新型橋梁結構優質高效的實施。下文結合該橋施工實踐，介紹懸臂作業桁車設計的難點、關鍵技術及創新構造如圖1。

2.懸臂作業桁車設計難特點

與常規的砼連續箱梁懸澆掛籃相比，該懸臂作業桁車設計難特點在于圖2。（1）箱梁重量較輕，懸臂施工節段一般在4.8至6.4m，加之波形鋼腹板接頭安裝需要，作業桁車懸臂較長，變形較大。（2）懸臂作業桁車不僅要滿足常規懸澆掛籃砼澆筑施工要求，還需滿足鋼腹板安裝要求，必須考慮鋼腹板快速運輸、安裝、定位功能，尤其鋼腹板從尾部經過主桁縱移到懸臂端部安裝時，桁車的構造更為復雜。（3）結合梁體系的受力特性決定了鋼砼結合部質量的重要性，然而該部位模板與鋼腹板的銜接構造復雜，加之鋼腹板加工安裝偏差，易造成漏漿影響鋼砼結合的質量，必須采取特殊的構造處理，確保砼澆注質量。（4）鋼腹板代替常規砼腹板后，頂底板砼構件成為相對獨立的塊件，施工桁車必須有針對措施保證頂、底板和腹板的整體性，避免砼澆筑過程中產生裂縫。

圖1 山東鄄城黃河公路大橋 圖2 本谷橋（日本）

3.懸臂作業桁車設計及計算

針對上述難點，結合鄄城黃河公路大橋主梁設計特點，經過研究確定了桁車的功能、構造，并進行了強度和剛度計算分析。該橋縱、橫向布置見下圖3。

3.1懸臂作業桁車功能要求

全橋主梁均采用懸臂澆筑工藝，鋼腹板運輸、就位、安裝是關鍵，決定著桁車的結構形式。結合現場施工條件，根據波形鋼腹板的運輸、就位方式的不同，提出其不同的功能要求。

（1）位于灘地上的主梁，鋼腹板可以在陸地上運輸至待安裝箱梁節段正下方，從懸臂節段的前端起吊。該類桁車則因地制宜，利用現有的常規掛籃改造，且以設備下方操作空間較大的菱形掛籃為宜。在掛籃懸臂部分，正對波形鋼腹板軸線位置上方，加裝縱梁、電動葫蘆等。利用可縱向移動的電動葫蘆，在前端吊起鋼腹板后，垂直提升至待安裝高度，縱向后退，與前一階段波形鋼腹板對接，操作方便，經濟適用；同時不必在桁車就為至下一節段后再開始安裝鋼腹板，每節段節省工期近半天。根據此工藝，除了常規掛籃具備的砼澆筑功能外，加裝的縱梁需要伸出至下一節段波形鋼腹板重心位置，利用此縱梁布置橫向糾偏調整裝置。（2）位于河道內的主梁，波形鋼腹板無法在陸地上運輸至待安裝箱梁節段正下方，各節段波形鋼腹板在相應的主墩位置吊裝至0#塊，再利用輪胎平車向兩懸臂端運輸至主桁尾部，通過主桁上布置的吊掛縱移系統移至懸臂端待安裝位置正上方，下放波形鋼腹板至設計位置，精確定位并安裝。綁扎鋼筋后，閉合結合部模板，按底板-頂板的順序一次性連續澆筑完成節段砼。根據此工藝，懸臂桁車的功能要求包括：①砼頂板、底板砼澆筑承重功能及模板功能；②波形鋼腹板安裝移動、調整糾偏定位功能；③上、下承托位置側模板與鋼腹板的匹配密封功能；④桁車在已澆梁段上縱移及錨固功能。以下主要針對結構、功能較為復雜，適用于江河、深谷等建設條件的水中桁車進行介紹。

3.2 桁車總體布置及構造簡介

桁車根據功能要求，分為三角主桁、支撐架、底板承重系統、頂板承重系統、桁車行走系統、澆筑后錨系統、波形鋼腹板吊掛安裝系統、操作平臺系統等。具體見圖4、5、6。各系統構造簡介及主要作用見表1。

圖3鄄城黃河公路大橋主梁1/2中跨縱斷面布置圖 圖4 水中三角懸臂桁車

圖5鄄城黃河公路大橋主梁橫斷面布置圖 圖6 懸臂作業桁車總體布置縱斷面圖

表1 桁車構造及功能一覽表

單臺桁車含防護體系、行走系統、操作平臺等所有附屬結構總重86.2t，與最大節段重量167t的比率為52%，滿足設計要求的不超過100t的要求。結合鄄城黃河公路大橋主梁各部尺寸，（圖中7）H1=波形鋼腹板最大高度（5.5m）+電動葫蘆最小工作高度（1.5m）+富余高度0.5m，L2=懸澆節段長度（4.8m）+后端錨固長度（0.4m）+前端鋼腹板安裝富余長度（0.6m），L1=取（0.7-1.0）L2；H2=取（0.8-1.0）L1

3.3 懸臂作業桁車構造特點及創新點

為滿足施工要求，該作業桁車設計存在以下主要創新點。（1）波形鋼腹板快速吊掛、安裝、定位設施，針對波形鋼腹板只能從后方運入這一難點，將三角主桁加高以滿足縱移高度需要；在主桁架下方設置軌道承重梁、弧形軌道、電動葫蘆（如圖8）。為降低抬高的高度，提高穩定性，設置了剛性吊具代替常規的鋼繩；再利用橫向布置的軌道承重梁、前橫梁將兩側桁架連接成整體的基礎上，在支撐立柱側面設置了輔助桁架，提高結構受壓穩定性。（2）適應波形鋼腹板的翻轉、抽拉式模板系統及密封裝置

圖7 懸臂作業桁車波形鋼腹板吊掛安裝系統布置圖 圖8 懸臂作業桁車模板匹配系統布置圖

針對前述鋼腹板代替常規砼腹板后，頂底板砼構件成為相對獨立的塊件，澆筑施工過程中頂、底板和腹板的整體性差易產生裂縫這一難點，設置了相對獨立的底板、頂板承重體系和模板體系（見圖6）。針對波形鋼腹板與頂底板模板結合密封的難點，采用了翻轉內模、抽拉伸縮式外模及可后移20cm左右的底板側模支架（見圖6），通過調整，基本能適應波形鋼腹板外形而與之形成密閉體系。對于波形鋼腹板加工安裝的偏差（經過實踐在20mm左右），則通過將模板與鋼腹板接觸的位置設及成楔形企口，內填塞20mm厚密封黑橡膠予以很好的解決，模板密封性能好，未發生砼漏漿等現象。

3.4懸臂作業桁車強度、剛度及穩定性分析

設計荷載包括：箱梁恒載、超載、懸臂施工桁車自重、施工荷載、風荷載。風速超過設計條件（8級風）時停止施工。設計工況及荷載組合如下：

工況一：澆筑最重節段2#塊箱梁，相應荷載組合：混凝土重量+超載+動力附加荷載+懸臂施工桁車自重+人群和機具荷載；

工況二：桁車行走，相應荷載組合：懸臂施工桁車自重+沖擊附加荷載，采用Midas軟件建立有限元模型求得其內力后，按《鋼結構設計規范》進行強度和穩定性分析。

經計算，桁車在澆筑砼狀態最大變形28mm，實測最大變形31mm，為懸臂長度的1/200。受力最不利的主桁最大應力81.2MPa，受壓桿件考慮折減系數最大應力88.7 MPa，其強度及穩定性滿足規范要求，可見為滿足桁車剛度要求，選取了較大截面的型鋼，結構強度和穩定性具有較大安全儲備。

4.懸臂作業桁車使用效果

1號塊到11號塊段采用該作業桁車對稱懸澆，現場對桁車變形、澆筑效率進行了采集和總結分析。并與類似條件下施工的預應力砼連續梁橋—荊岳長江公路大橋北灘橋懸澆工效進行對比。其工效對比見表2。

表2 波形鋼腹板PC結合梁與常規PC梁懸澆實際工效對比表

鄄城黃河公路大橋砼梁懸臂施工中嚴格按設計要求的張拉齡期不低于5d控制，由于該懸臂施工桁車體系就位、模板安裝工效高，加之一個節段砼方量澆常規PC結合梁少25%以上，同時鋼筋及預應力管道安裝及后期張拉壓漿作業量相當少，通過對比發現一個節段比常規PC梁節省工期25%左右。同時由于波形鋼腹板PC結合梁節段長度大，相同跨度的橋梁節段數量相對較少，考慮此因素后，工期將節省30%以上。

5.施工過程中的改進

施工過程中，結合施工條件進行了一定的改進，進一步提高了工效、質量及施工安全性。

（1）工藝環節，由于前4個節段處于墩旁塔吊的吊裝范圍內，為提高效率，采用塔吊直接安裝鋼腹板就位；受高空作業影響，工人安全恐慌心理嚴重，工效降低，為保證安全，在桁車底面加掛高強度密目網防墜，在側面、前端安裝隔離網。

（2）桁車結構、功能環節，行走系統改為1600mm行程長距離連續千斤頂，通過頂推前支點前移桁車，整個桁車前移就位時間縮短至20-30min，更加安全、穩定；波形鋼腹板懸臂端在桁車就位前，在風荷載作用易偏位，甚至橫向翹曲變形，施工過程中，在懸臂端采用兩頭帶螺紋的頂桿水平支撐，及牽引螺桿斜向交叉牽拉，對兩側鋼腹板形成定位加固的同時，使之橫向形成整體、大大提高了橫向剛度，效果顯著。

6.結束語

波形鋼腹板PC結合連續梁橋與常規預應力砼連續梁相比，在質量、進度、經濟效益等各個方面優勢顯著，勢必得到廣泛的推廣和應用。鄄城黃河大橋為我國成功實施的首座多跨連續大跨度波形鋼腹板PC結合梁橋，通過該橋的研究探索和成功實踐，為該新結構橋梁在我國的發展邁出了關鍵的一步。懸臂作業桁車設計作為該橋梁施工的核心技術，通過技術攻關研發了多項新工藝、新構造，解決了多項關鍵技術難題。實踐證明該桁車滿足了鋼腹板安裝定位等各項施工功能要求，工效高、砼懸澆質量好、工藝先進，值得類似工程參考和借鑒。

參考文獻

[1] 《日本本谷橋的設計與施工》·劉嵐·國外橋梁·武漢，1999年第3期

[2] 《潑河大橋的設計與施工》·余杰·交通科技·北京，2005年第6期

[3] 公路橋涵鋼結構設計規范（JTJ025-86）·交通部·北京：人民交通出版社，1988

作者簡介

[1] 鄒通 中交二公局烏海甘德爾黃河大橋一標項目總工（原山東鄄城黃河公路大橋SJH-02標項目工程部長）內蒙古 烏海 016000。

[2]賀茂生 中交第二公路工程局技術中心副主任 陜西 西安 710065。

[3]袁少飛 中交二公局烏海甘德爾黃河大橋一標項目經理 （原山東鄄城黃河公路大橋SJH-02標項目經理）內蒙古 烏海 016000。