波腹板組合結構橋梁節段預制拼裝關鍵技術

張鴻，張永濤，王敏

（中交第二航務工程局有限公司，長大橋梁建設施工交通行業重點實驗室，湖北　武漢　430040）

波腹板組合結構橋梁節段預制拼裝關鍵技術

張鴻，張永濤，王敏*

（中交第二航務工程局有限公司，長大橋梁建設施工交通行業重點實驗室，湖北武漢430040）

采用節段預制拼裝工藝的波腹板組合結構橋梁是一種新型組合結構，混凝土腹板由波腹板替換后，增加了波形鋼腹板的定位、連接工序，為此針對波腹板節段梁預制及安裝環節中影響施工工效的關鍵因素展開研究，以適應工廠化制造及機械化安裝的特點。同時，針對該新型結構，展開縮尺模型試驗驗證其結構性能，試驗結果表明，正常使用階段節段預制拼裝波腹板梁橋結構性能與整體現澆工藝差別不大，可滿足工程應用。

節段預制；波腹板；組合結構；施工工藝

0　引言

預制裝配化的橋梁施工技術，能有效控制工程質量，加快施工速度，減少現場污染，具有高效、低碳、環保的特點，國內在混凝土箱梁短節段預制拼裝領域全面實現了國產化，且已初步形成了一定規模[1]。但節段預制拼裝混凝土箱梁本質上還是混凝土結構，自重大、預應力效率不高、腹板易開裂、抗震性能差等混凝土橋梁的通病仍不能避免?？紤]用薄的波形鋼腹板替代幾十厘米厚的混凝土腹板，充分利用頂底板混凝土抗壓、波形鋼腹板抗剪的特點，顯著提高整體結構的抗剪、抗震性能，同時減少混凝土用量，可降低自重及綜合造價，而波形鋼腹板的加工更適應工廠化生產的概念，因此，節段預制拼裝波腹板梁橋應用前景將更為廣闊，與常規預制拼裝混凝土橋梁相比，在經濟性、耐久性、節能方面具有更大的優勢[2]。

1　施工關鍵技術

1.1短節段預制安裝工藝及難點分析

波腹板箱梁節段（結構形式見圖1）采用短線匹配法預制，澆筑時，待澆梁段一端設固定端模，另一端則為已澆筑好的前一梁段端面，以形成匹配接縫來確保相鄰塊體拼接精度，當后一梁段澆筑完成并初步養生、拆模后，前一節段即運走存放，而把新澆梁段轉移到其位置上作為匹配梁段，循環預制完成各跨箱梁節段。具體工藝流程如下:

步驟一:波腹板加工與制造。

步驟二:鋼筋籠制作。

步驟三:箱梁短線法預制。

1）將匹配梁段調整到位；2）安裝待澆梁段外側模，并將各模板相互固定；3）將鋼筋籠或組件吊入鋼模；4）調整波腹板位置；5）以普通螺栓臨時連接波腹板，確定梁段間相對關系；6）移近內模，將其與匹配梁段及固定端模之間頂緊；7）澆筑梁段頂底板。

步驟四:梁段吊運存放。

圖1　波腹板節段梁示意圖Fig.1　Precast segmental box girders with corrugated steel webs

預制好的節段一般采用架橋機或橋面吊機進行安裝，節段橋梁的分段長度可根據結構的受力要求及施工機具靈活劃分。根據梁段拼裝工藝的不同，可以分為平衡懸臂拼裝法和逐跨拼裝法兩種方法。

與普通混凝土節段梁相比，波腹板箱梁橋節段預制減少了側模及腹板鋼筋捆扎、預應力管道的安裝，增加了鋼腹板的定位與安裝工序，波腹板的安裝定位精度要求高，這就對傳統的節段預制模板系統提出了新的要求。此外，波腹板節段梁頂底板鋼筋籠綁扎好后吊裝入模，但波腹板與頂底板鋼筋籠的連接若采用常規的埋入式或PBL連接件都需在模板內部人工操作連接鋼筋，將會大大降低預制工效，有必要開發一種高效的連接件以滿足流水線生產的要求。而波腹板節段梁拼接時，在接縫處混凝土頂底板采用常規剪力齒鍵+預應力工藝，波腹板則一般采用焊接或栓接，高強螺栓連接有利于提高工效，減少現場工作強度，更適合裝配化施工的理念，但因為波腹板面外剛度較小，運輸架設過程中易產生翹曲等誤差，而現場調整措施有限，如何保證接縫位置波腹板的順利連接是安裝階段的一個重點工作[3]。

為解決以上問題，需要在現有混凝土節段梁施工技術的基礎上開發專用模板設備，研發新型剪力連接件及波腹板梁節段間接縫的連接工藝。

1.2模板系統

波紋鋼腹板橋梁結構與普通預應力混凝土橋梁結構最大的不同在于腹板，波紋鋼腹板在澆筑混凝土、振搗混凝土的過程中需要強度足夠的固定，以保證成型后的精度。波腹板的精確定位應作為模板設計的一個主要功能，考慮圖2所示保留側模，在波腹板與側模之間沿梁高方向設置多道縱向通長波形支撐（與波腹板波形匹配，緊密貼合），內部通過可伸縮式的內模支架橫梁，液壓控制協同調整頂底板混凝土和波腹板的空間位置，確保波腹板的精確定位及混凝土的外形尺寸。

圖2　波紋鋼腹板梁短線預制模板系統Fig.2　The short-line pre-cast formwork of corrugated steel webs

1.3適宜工廠化生產的剪力連接件

為提高工效形成工廠化流水作業，節段預制梁的鋼筋籠一般并行施工綁扎，最后整體吊裝入模再澆筑混凝土。波腹板梁因其腹板為工廠制造好的波形鋼腹板，與事先吊裝入模的頂底板鋼筋籠連接時，若采用常規的由較多的板件和短鋼筋（構造筋）組成的埋入式或翼緣式連接件，極有可能與鋼筋籠內的鋼筋發生沖突，放置鋼筋籠時可能會造成鋼筋及波紋鋼腹板的偏位，甚至無法兼容，此外，為保證波腹板與頂底板連接的可靠性，還需要在模板內人工插入構造連接筋，大大降低施工效率[4]。

為此，設計一種新型的帶開孔鋼板的剪力連接件，如圖3所示，兼顧埋入式及翼緣式連接件的優點，結構簡單，適于梁段工廠化預制。豎直板體無需增加普通鋼筋貫穿工序，且能最大程度減少復雜連接件與鋼筋籠所發生的位置沖突；同時，在設計中也方便考慮豎直板體開口的大小、間距等參數，而延伸部的設計可在一定程度上幫助鋼筋保持所處位置不偏移，可實現鋼筋籠與波紋鋼腹板的快速組拼；翼緣板體在混凝土澆筑過程中可兼做頂板混凝土的底模。該新型剪力連接件的力學原理在于混凝土澆筑后，在圖示開孔鋼板陰影范圍內形成的混凝土銷承擔剪力，開孔直徑及間距由抗剪計算確定，等效于普通埋入式或PBL剪力連接件的抗剪承載力。

圖3　新型剪力連接件示意Fig.3　New shear connectors

1.4拼裝線形控制及接縫連接

節段梁拼裝誤差調整措施有限，一般僅能通過墊片修正局部線形，且所加墊片一般不宜超過5 mm，過大會導致預應力管道間形成間隙，影響體內束鋼絞線耐久性。常規混凝土腹板節段梁通過頂板預埋測釘結合預制階段采集數據來控制節點梁安裝時的空間姿態，兩兩匹配預制的波腹板節段梁若不需要采取墊片調整時，接縫連接難度不大，但若因施工誤差導致當前節段需要調整量較大時，波腹板的連接就會成為制約工效的主要因素[5]。

考慮短線匹配預制工藝，波腹板間連接形式推薦采用普通螺栓臨時連接后貼角焊接或高強螺栓拼接板連接，連接形式、優缺點比較及適應性評價見表1。

表1　波腹板節段間的連接形式Table 1　Connection type between corrugated steel web segments

考慮能否吸收施工誤差，波腹板節段間的連接通常采用普通螺栓+貼角焊接，其次為高強螺栓連接。如采用貼角焊接，受限于作業空間（環境），箱室內空間小，箱室外需搭設作業平臺，焊接質量的保證是關鍵；如采用高強螺栓連接，則對波腹板安裝定位精度提出更高要求，否則現場擴孔或開孔等，勢必影響施工質量及施工效率。

2　波腹板節段梁模型試驗

作為一種新型組合結構，節段預制拼裝波腹板梁橋的整體受力性能還未有人開展研究。為了推廣這種極具生命力且符合橋梁工業化發展方向的新型結構，項目組做了6組模型梁對比節段預制與整體現澆波腹板梁的受力性能。

2.1試驗模型設計

1）試驗以我國公路橋梁三車道常用的單箱單室截面、跨度為40~60 m、橋寬16 m的等截面簡支結構為原型進行1∶10的縮尺比例設計。

2）試驗參數包括:成型工藝、體內體外混合配束比例、接縫數量、剪跨比、鋼混連接形式及節段波腹板連接形式等。

3）試驗梁簡支布置:梁總長500 cm，計算跨徑為470 cm。截面形式為單箱單室，箱梁高350 mm。箱梁沿縱向設置2道轉向塊以及2道端橫梁。

考慮節段拼裝成形工藝，對試驗梁進行節段劃分，共計6個梁段，節段梁長類型分別為50 cm和80 cm。此外，還在節段拼裝試件箱梁頂底板中各設置1個剪力鍵齒，試驗梁構造如圖4所示，圖5為模型梁連接構造實圖，表2為模型梁試件類型。

圖4　模型梁構造示意Fig.4　Construction of model beam

圖5　連接構造實圖Fig.5　Photos of connection construction

2.2試驗結果與分析

對比不同試件，總結如下。

1）所有試驗梁在對稱荷載作用下，均出現典型的彎曲裂縫；波腹板未出現屈曲現象，最終破壞形態為底板嚴重開裂或是局部崩落。

2）整體式梁裂縫分布在純彎段，特征細而密；節段式梁裂縫數量較少但寬度大，集中分布于加載點與相距最近接縫間（或主要為接縫處）；節段式梁在開裂后，荷載增加不大而位移增加很快，即破壞發展過程很快。試驗梁裂縫及破壞形態見圖6。

圖6　試驗模型梁破壞形態Fig.6　Destruction modes of test model beam

圖7為各試件荷載-跨中位移曲線，表3列出了相同荷載所對應的跨中位移值（考慮試件間材料差異進行了修正）?？梢钥闯?1）彈性階段最大荷載:整體梁大于節段梁；翼緣式連接節段梁大于埋入式連接節段梁；混合配束節段梁大于全體外節段梁；2）除全體外配束節段梁J-02外，其余節段梁與整體梁具備同等剛度（彈性階段），整體梁與節段梁開裂前，撓度隨荷載增加的趨勢基本一致，節段梁開裂后撓度增長大于整體梁，普通鋼筋在接縫處斷開，削弱了結構的剛度，使其在相同荷載作用下的撓度比整體梁大[6]；3）整體梁的極限荷載明顯大于節段梁，本試驗中前者大于后者約65%，體內連續普通鋼筋對整體施工梁極限承載力的貢獻不少。從荷載位移曲線后半段看，整體梁與翼緣式連接節段梁曲線斜率大，隨荷載增加曲線斜率逐漸減小，說明破壞發展過程較平緩，試驗梁具備很好的延性；其余節段梁曲線斜率較?。ㄓ绕涫侨w外配束節段梁曲線近乎為水平線），說明荷載增加不大而位移增加很快，即破壞發展過程很快。在試件強度方面，整體式梁優于翼緣式連接節段梁，而翼緣式連接節段梁又優于埋入式節段梁；全體外配束節段梁較之混合配束節段梁顯著降低[7]。

圖7　不同試件跨中荷載-位移曲線Fig.7　Mid-span load-displacement curves of differentsamples

表3　跨中彎矩87.5 kN·m（彈性階段尾部）時不同試件跨中位移值Table 3　Displacement values in the mid-span under 87.5 kN·m moment(tail of elastic stage)

3　結論及展望

1）節段預制拼裝波腹板組合結構適應工廠化制作、裝配化施工的理念，節能環保，工效高，且能降低自重及綜合造價，是一種極具競爭力的新型橋梁結構。

2）通過對裝備、新型連接件、預制及安裝工藝等施工關鍵技術的研究，形成了一套切實可行的施工工藝。

3）通過模型試驗對其力學性能展開研究，在彈性階段，節段梁與整體梁具備同等剛度，能滿足正常使用受力要求。

[1]宋建永，張樹仁，王彤，等.波形鋼腹板體外預應力組合梁彎曲性能分析及試驗研究[J].土木工程學報，2004，37（11）:50-55. SONG Jian-yong,ZHANG Shu-ren,WANG Tong,et al.A theorectical analysis and experimental study on the flexural behavior of externally prestressed composite beam with corrugated steel webs [J].China Civil Engineering Journal,2004,37(11):50-55.

[2]周緒紅，孔祥福，侯健，等.波紋鋼腹板組合箱梁的抗剪受力性能[J].中國公路學報，2007，20（5）:77-82. ZHOU Xu-hong,KONG Xiang-fu,HOU Jian,et al.Shear mechanical property of composite box girder with corrugated steel webs[J]. China Journal of Highway and Transport,2007,20(5):77-82.

[3]樓亞東，梁朝安，歐陽平文，等.波形鋼腹板預應力混凝土連續箱梁施工技術[J].施工技術，2015，44（9）:52-55. LOU Ya-dong,LIANG Chao-an,OUYANG Ping-wen,et al. Construction technology of corrugated steel webs of prestressed concrete continuous box girder[J].Construction Technology,2015，44（9）:52-55.

[4]李宏江，葉見曙，萬水，等.波形鋼腹板預應力混凝土箱梁的試驗研究[J].中國公路學報，2004，17（4）:31-36. LI Hong-jiang,YE Jian-shu,WAN Shui,et al.Experimental research on prestressed concrete box girder with corrugated steel webs[J].China Journal of Highway and Transport,2004，17(4): 31-36.

[5]鄭開啟，卜紅旗，劉釗，等.體內體外混合配束節段預制拼裝箱梁足尺模型試驗研究[J].中國工程科學，2013，15（8）:89-93. ZHENG Kai-qi,BU Hong-qi,LIU Zhao,et al.Full scale model test of segmental precast concrete box girder with external and internal tendons[J].Engineering Sciences,2013,15(8):89-93.

[6]LI Yang.Experimental study on the shear strength of segmental externally prestressed concrete beams[D].Shanghai:Tongji University,2005.

[7]陳宜言，陳寶春，林松.波形鋼腹板PC組合箱梁抗扭性能試驗與有限元分析[J].建筑科學與工程學報，2011，28（4）:106-115. CHEN Yi-yan,CHEN Bao-chun,LIN Song.Experiment of torsional performance and finite element analysis of PC composite box girder with corrugated steel webs[J].Journal of Architecture and Civil Engineering,2011,28(4):106-115.

Key technology of segmental prefabrication and assembly for composite bridge with corrugated steel webs

ZHANG Hong,ZHANG Yong-tao,WANG Min*
（CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Key Laboratory of Construction of Long Span and Major Bridges of Ministry of Transport,Wuhan,Hubei 430040,China）

The composite bridge with corrugated steel webs,which adopted the technology of segmental prefabrication and assembly,is a new composite structure.Since concrete webs replaced by corrugated steel webs,the positioning and connecting process of corrugated steel webs is added.we studied on the key factors influencing the construction efficiency during the segmental prefabrication and assembly for corrugated steel webs in order to adapt the characteristics of the factory manufacture and the mechanical installation.At the same time,we carried out a scale model test to verify the structural performance.The results show that the precast segmental box girders with corrugated steel webs has the same properties with the in-situ structures during normal use,it can meet the engineering application.

segmental precast;corrugated steel web;composite structure;construction technology

U448.218

A

2095-7874（2016）02-0024-06

10.7640/zggwjs201602006

2015-09-24

2015-10-24

交通運輸部應用基礎研究項目資助（201431949A230）

張鴻（1962— ），男，湖北武漢市人，博士，教授級高工，總工程師，道路與橋梁工程專業。

王敏，E-mail:4713810@qq.com