裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋預制橋道板制作工藝研究

項彥茂，曾德子，高燕梅，邵 帥

(1. 廣東省長大公路工程有限公司,廣東 廣州，510507; 2. 重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074; 3. 重慶交通大學 山區橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地,重慶 400074)

0 引 言

預應力混凝土連續剛構橋結構整體性能好，跨越能力大，施工工藝成熟且施工安全性較高，具有較好的適應性及使用性能。但因結構自重大，其材料的不確定性，預應力系統復雜，各施工環節質量難以量化控制，特別是現澆混凝土施工及實際成橋后有效預應力都難以量化質檢，致使其成橋受力狀態難以控制，易造成縱、橫、斜裂縫及長期撓度過大等橋梁病害，極大限制了該類橋梁的進一步發展。近年來，隨著我國交通事業的快速發展，鋼-混凝土組合結構獲得了越來越廣泛的應用，2016年，交通運輸部頒發了“關于推進公路鋼結構橋梁建設指導意見”，為組合結構橋梁的發展應用帶來了新契機[1]。結合當今橋梁發展的兩大趨勢：鋼-混凝土組合梁橋和裝配式施工的優點，重慶交通大學提出“全裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋”的構想[2]。

裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋采用完全預制裝配式理念，橋道板整體預制，相較于傳統橋道板的現澆混凝土施工，混凝土質量得到很好保證，極大程度上克服了現澆混凝土收縮徐變不定性及齡期差異導致預制混凝土橋道板板間后澆接縫開裂等長期可靠性的不利影響。中國港珠澳跨海大橋等重大工程提出組合結構橋梁施工“四化”理念，即“大型化、工廠化、標準化、裝配化”，其橋道板預制質量控制措施及預裝預拼等施工工藝，將制作精度及質量提升到一個新的高度[1,3]。但受造價及施工場地限制，無法像港珠澳大橋等控制性工程一樣實現大型精細化、標準化預制工作。預制橋道板作為裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋關鍵構造，其制作工藝影響預制橋道板底面平整度、橋道板與鋼桁上弦結合面縫差及橋道板板間接縫拼接精度，必須進行精細化控制才能達到全裝配式施工的要求。由此，筆者以依托工程為背景，在預制場地、預制條件和造價均受到限制的情況下，對預制橋道板板間接縫及橋道板底面平整度的精細化制作工藝、控制措施進行研究。

1 裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋概念設計

1.1 基本設計理念

裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋基本設計理念為：鋼桁梁與橋道板均在相應工廠預制、現場拼裝后吊裝就位，最后安裝聯接，實現施工各環節量化質檢，保證橋梁設計狀態與實際成橋狀態相對較符，長期性能穩定可靠。采用預制-裝配式橋道板可有效減少現場現澆工作量，保證混凝土施工質量，易于控制混凝土收縮徐變性能，為后續裝配式拼裝提供保障。

裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋主要施工工序為：進行橋梁下部結構施工的同時，工廠預制鋼桁梁節段單元以及現場預制橋道板；鋼桁梁節段吊裝就位后實現跨中段合攏；由墩頂中間至邊跨端分批對稱安裝預制混凝土橋道板，在板間接縫處均勻涂抹粘結劑，以保證其有效聯接；對已安裝預制混凝土橋道板分批穿束后張拉預應力，最后實施PCSS剪力聯結，直至完成全部預制混凝土橋道板的分批安裝、穿束張拉、與鋼桁上弦的聯結形成整體的鋼桁-混凝土組合連續剛構橋[4]。

1.2 預制橋道板主要構造

裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋預制混凝土橋道板包括混凝土橋道板、預埋于混凝土橋道板的PCSS剪力鍵、板間接縫及縱向預應力束[4]。其具體幾何構造如圖1。

圖1 預制橋道板主要構造Fig. 1 Main structure of precast concrete decks

預制橋道板為標準化分節段預制混凝土板，其標準化節段預制長度由吊裝設備及橋梁跨度綜合決定。

PCSS剪力鍵由剪力鍵鋼板與栓釘組成，PC為預制混凝土橋道板，S為預埋于橋道板中的豎向剪力傳遞鋼板，S為鋼結構。栓釘在預制前焊接于剪力鍵鋼板上，剪力鍵鋼板兼作混凝土澆筑時梁肋剛性側模。鋼桁梁與預制橋道板聯結由PCSS剪力鍵實現，即通過預制橋道板縱肋的預埋鋼板與上弦鋼箱頂板焊接來保證混凝土橋道板與鋼桁梁聯結，使其共同受力，明顯簡化鋼桁-混凝土組合結構施工工藝。

裝配式預制橋道板板間接縫采用橫向直縫界面，吊裝安裝就位后，在橫向接縫處涂抹相應接縫膠，張拉相應縱向預應力束，粘結接整，大大簡化施工現場濕接縫處理方式，減少現澆工作量。縱向預應力鋼束，除常規預應力增強結構抗裂性作用外，本結構縱向預應力鋼束還起增強預制橋道板整體性作用。

2 預制橋道板制作工藝

相較于傳統鋼桁梁與剪力鍵先焊接于一體，在現澆混凝土后形成組合結構的制作工藝，裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋預制橋道板制作采用預埋剪力鍵鋼板，鋼桁梁與預制橋道板同時施工，橋道板吊裝就位后涂抹接縫膠進行拼接，變濕接縫為干接縫，同時對預制橋道板與鋼桁上弦施焊聯接，這樣使得橋道板先期獲得足夠預壓應力，可大大縮短施工時間，提高有效預應力度以及混凝土質量、性能可控易控[5-7]。

依托工程預制橋道板截面見圖2。

圖2 預制橋道板截面Fig. 2 Section of precast concrete decks

2.1 制作總體精度控制目標

基于裝配式理念[8-9]，預制橋道板制作工藝流程如圖3～圖5。

圖3 工藝流程Fig. 3 Process flow

圖4 胎架正面Fig. 4 Front view of falsework

圖5 胎架側面Fig. 5 Side view of falsework

在針對上述裝配式預制橋道板制作工藝，嚴格保證預制橋道板實際制作滿足設計要求，筆者對預制橋道板制作總體精度提出如下控制目標：

1)橋道板分節段連續標準化預制，需相鄰橋道板接縫界面模板匹配支模，以控制裝配式拼裝過程中接縫界面自適應性。

2)PCSS剪力鍵預埋鋼板兼作預制橋道板板肋側模，其質量以及安裝質量直接影響橋道板底面平整度，安裝前需嚴格復核剪力鍵預埋鋼板是否變形，安裝后需嚴格檢查剪力鍵預埋鋼板是否安裝固定于指定位置。

3)橋道板底模采用剛性模板以保證橋道板梁肋底面的平整度，側模宜用剛性模板以防止橋道板出現累計誤差。

4)側模安裝前，嚴格控制板面及板側撓曲度及輪廓線條流暢順直無波折，以保證橋道板模板兩接縫端面平整度、平行度及梯度。

5)模板需焊接在胎架上，以避免在重復使用過程中發生相對位移；模板需設置上下兩端對拉螺桿以及上端設置剛性橫撐，以防止其在澆筑混凝土過程中模板向內部發生變形。

2.2 預制橋道板底面平整度控制

預制橋道板地面平整度控制采用現場連續預制完成前嚴格控制模板，預制完成后進行平整度參數測量后按需調整，使預制橋道板底面平整度滿足設計要求及后續施工要求。

橋面板預制過程中，底模采用鋼模(圖6)，整個底模系統由底模模板及混凝土支墩兩部分組成。為保證橋道板梁肋底面平整度，剪力鍵預埋鋼板間施加臨時剛性聯接以保證安裝及澆筑過程中無錯動，同時亦可保證剪力鍵自身整體性，如圖7，完成橋道板預制后進一步檢查肋板底面是否平整。

圖6 剛性底模Fig. 6 Rigid formwork

圖7 剪力鍵剛性臨時連接Fig. 7 Temporary rigid connection of shear connector

此外，橋道板預制過程中，影響鋼桁剪力傳遞及鋼板與鋼桁上弦焊接質量的因素除了橋道板底面平整度，還有橋道板梁肋鋼板底緣距混凝土底緣差。在橋道板制作過程中，剪力鍵傳遞鋼板安裝如圖8，本身的質量和剪力鍵安裝質量也尤為重要，安裝剪力鍵前應該認真檢查剪力鍵是否變形，如有變形，及時調整，或者改換質量合格的剪力鍵，完成橋道板預制后進一步檢查肋板鋼板底緣距混凝土底緣差。

圖8 剪力鍵傳遞鋼Fig. 8 Steel plate of PCSS shear connector

橋道板預制完成后(圖9)，底面平整度測量數據分析結果發現，采用上述控制方法對橋道板預制工藝進行控制，橋道板地面平整度滿足設計及后續安裝橋道板和焊接剪力鍵與鋼桁之間焊縫的精度要求，不平整差值均小于5 mm，個別肋板不平整差值較大，其值大于10 mm，需對其進行適用性調整。另外，造成豎向鋼板底緣距混凝土底緣差值過大的主要原因是剪力鍵在安裝之前已經變形，施工過程中并沒有進行處理或更換剪力鍵，發現問題后現場對剪力鍵進行質量檢測，對變形剪力鍵進行現場調整處理，處理后的剪力鍵使豎向鋼板底緣距混凝土底緣差的減小，整個板的質量得到改善。綜上，本文制作工藝采用的平整度控制方法其控制效果顯著有效。

圖9 橋道板底面平整度控制結果Fig. 9 Bottom smoothness control of the concrete decks

2.3 預制橋道板板間接縫控制

預制橋道板板間接縫面質量直接影響后續預制橋道板拼接質量。由于施工現場場地限制，預制橋道板不能一批次標準化預制，需分批次預制橋道板。筆者采用與實驗室類似連續標準化預制的橋道板預制工藝，見圖10。實驗室采用相鄰橋道板連續標準化預制，板間接縫界面為直縫。施工現場根據該方法于兩塊橋道板間施加橫向直縫模板，保證其板間接縫界面自適應，滿足設計及后續施工要求。

圖10 現場連續標準化預制Fig. 10 Continuously standardized precast on site

預制橋道板板間接縫控制采用預制完成前嚴格控制模板，預制完成后進行平整度參數測量后按需調整。橋道板預制階段，在側模安裝前，保證橋道板相鄰板間接縫模板兩端接縫界面平整且接縫界面高度一致，接縫面輪廓線流暢順直且無波折。完成橋道板預制后，進一步檢查橋道板兩接縫端面平整度以及接縫面高度，于施工現場堆放，見圖11。

圖11 橋道板預制完成后堆放于現場Fig. 11 Concrete decks stacked on the site after precast

本文制作工藝采用的預制橋道板板間接縫控制，接縫界面平整度測量數據波折值較小，其最大波折值僅7 mm，接縫界面高度測量差值較小，其最大差值僅5 mm。

2.4 PCSS剪力鍵預埋鋼板對橋道板平整度誤差分析

依托工程采用的預制橋道板制作工藝，在預制場地、預制條件和造價均受限制的情況下，橋道板底面平整度及板間橫向接縫界面自適應精度控制均滿足設計及后續拼裝、施焊聯結精度要求。但受鋼桁制作廠家制作精度、質量以及現場吊裝影響，PCSS剪力鍵預埋鋼板會存在一定底部線形偏差或安裝誤差，即Δ1、Δ2，見圖12。

圖12 底部線形誤差及平衡狀態示意Fig. 12 Bottom line error and balanced state

底部線形偏差或安裝誤差參數主要包括：PCSS剪力鍵預埋鋼板底部水平偏差和PCSS剪力鍵預埋鋼板安裝誤差，這兩項誤差是引起預制橋道板與鋼桁上弦接觸縫差增大以及橋道板板間接縫增大的主要因素。

由于常規有限元計算軟件難以模擬，筆者運用數學中解析幾何方法進行預制橋道板PCSS剪力鍵預埋鋼板對接縫誤差參數影響的分析。

2.4.1 PCSS剪力鍵預埋鋼板底部線形偏差對接縫的影響

預制橋道板PCSS剪力鍵預埋鋼板底部線形偏差引起橋道板底部接縫區間及接縫寬度變化，圖13。

圖13 某斷面剪力鍵預埋鋼板安裝誤差Fig. 13 Steel plate installation error of PCSS shear connector

假設橋道板在此過程中不發生變形，僅僅發生剛體位移，結合橋道板平衡條件，易得橋道板與鋼桁梁接觸的平衡狀態(鋼桁剛度無限大)。針對底部線形偏差，建立整體坐標系及預埋鋼板底部曲線局部坐標系，將鋼桁曲線方程f(x)與預埋鋼板底部曲線方程f1(x)置于同一坐標系下。結合鋼桁區段端點坐標(xa,ya),(xb,yb)以及平衡點坐標(a,b)，計算出預埋鋼板底部曲線需繞平衡點旋轉θ1和平移量C1。以依托工程為例進行計算，施工過程中，分別測出鋼桁與預制橋道板吊裝前后線形曲線實測值以及PCSS剪力鍵預埋鋼板底部線形曲線實測值，將以上實測值分別帶入吊裝前鋼桁曲線方程：

f(x)=a1xn+a2xn-1+anx+an+1

預制橋道板吊裝完成后，鋼桁撓度曲線方程為

在局部坐標系下，PCSS剪力鍵預埋鋼板底部曲線方程為

f1(x)=a1xn+a2xn-1+anx+an+1

通過繞平衡點旋轉θ1和平移量C1，可得在整體坐標系下PCSS剪力鍵預埋鋼板底部曲線方程F1(x)。

預制橋道板吊裝后鋼桁曲線方程：

考慮到鋼桁變形的實際情況，預埋鋼板底部曲線方程也應計入鋼桁變形，根據前述方法，可計算出預埋鋼板底部曲線需繞平衡點旋轉θ2和平移量C2。鋼桁曲線上距鋼桁兩端點所在直線最遠點即為所求位置接觸點(x0,y0)，得出預埋鋼板底部曲線在考慮鋼桁剛度及其變形時整體坐標系中的曲線方程為F2(x)。

最后計算不等式：F(x)-F2(x)≥0，在鋼桁區段范圍內的x值就是橋道板底部與鋼梁接觸區段，亦可求出最大接觸縫差。

筆者僅以依托工程左線19號墩13#橋道板，接縫實測值最大處為例進行計算。根據左線內桁該區段([20 000,25 000])實測值，可得預制橋道板吊裝前鋼桁曲線方程為

f(x)=6.232 2×10-15x4-1.671 8×10-10x3+

9.369 9×10-7x2+3.230 8×10-3x+0.876 2

該區段PCSS剪力鍵預埋鋼板底部曲線方程為

f1(x)=2.468 9×10-14x4-1.166 1×10-10x3+

8.946 2×10-5x2-8.93 67×10-2x-2.139 1

通過以上方程，可計算出該區段鋼桁曲線中點坐標(22 500,91.26)，切線斜率k1=-0.079根據PCSS剪力鍵預埋鋼板底部曲線方程及鋼桁曲線方程在接觸點切線斜率相等，計算出繞平衡點旋轉θ1=0.040 7和平移量C1=95.22。

由已有研究基礎，取鋼桁協調變形系數T=-8.76%，帶入可得鋼桁撓度變形方程為

則橋道板吊裝完成后，鋼桁曲線方程：

F(x)=f(x)+ω(x)=5.505 1×10-15x4-1.107 4×10-10x3+1.059 2×10-8x2+1.082 5×10-2x+1.087 1

綜上所述，可分別計算出鋼桁區段兩端點坐標：吊裝前(20 000,89.10),(25 000,90.06)；吊裝后(20 000,53.42),(25 000,54.41)。最后可確定繞平衡點旋轉θ2=0.004和平移量C2=1.223。所以，橋道板在整體坐標系中的曲線方程：

F2(x)=2.329 6×10-14x4-5.998 3×10-10x3+4.914 6×10-7x2-1.258 4×10-2x-5.251 8×10-3+95.22-(x-10 000)×0.000 7-37.42+(x-10 081)×7×10-6

接縫寬度Δ=F2(x)-F(x),Δ≤0時，取Δ=0，即鋼桁與橋道板完全接觸。

2.4.2 PCSS剪力鍵預埋鋼板安裝誤差對接縫影響

PCSS剪力鍵預埋鋼板安裝誤差會引起橋道板板肋底部存在高差，導致后期吊裝于鋼桁上時PCSS剪力鍵與鋼桁上弦接縫左右不對稱，增大接縫寬度，筆者以橋道板某斷面且每條板肋均存在此偏差為例，分析安裝誤差對橋道板與鋼桁接縫的影響。

橋道板安裝完成后，認為主梁仍處于彈性階段，鋼桁在橋道板自重作用下，豎向變形后，同一橫截面處于同一高度，見圖13。平衡狀態下鋼桁上弦與橋道板各板肋兩側的接縫寬度差直接來源于橋道板板肋兩側高差，由此，該斷面的Δ21、Δ22、Δ23數值上等于相同斷面橋道板PCSS剪力鍵預埋鋼板板肋底高差。

在鋼桁豎向變形后，同一橫截面處于同一高度時，存在另一種情況：預制橋道板3條縱向板肋中某一條板肋兩側均與鋼桁上弦無接觸，出現脫空現象，見圖14。由于此情況對焊接性能不利，均在預制橋道板時已控制，可不考慮此情況對接縫的影響。

圖14 某斷面剪力鍵預埋鋼板安裝誤差Fig. 14 Steel plate installation error of PCSS shear connector

2.4.3 PCSS剪力鍵預埋鋼板底部線形偏差及安裝誤差的處理

對于不滿足橋道板PCSS剪力鍵預埋鋼板與鋼桁上弦施焊聯結的橋道板，根據施工現場條件及橋道板構造特點，筆者提出通過橋道板預留限位孔設置對拉螺桿。設置對拉螺桿后，其縫差由23 mm調整至5 mm，滿足施焊聯結精度控制要求。

2.4.4 誤差分析

分析了裝配式鋼桁混凝土組合連續剛構橋預制橋道板制作工藝精度及其對鋼桁-混凝土間縫差影響，表1給出了工程實踐實測值與理論分析計算值間相應誤差。

表1 誤差分析Table 1 Error analysis

注：以上數據僅列出依托工程實際測量最大值及其對應位置處理論計算最大值。

根據誤差分析結果，采用連續標準化預制，嚴格控制裝配式栓釘剪力鍵的預埋精度，并嚴格采用剛性模板，工程實測值與理論計算值誤差均在7%以內，精度較高，滿足設計及施工精度要求。

3 結 論

新型裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋預制橋道板具有施工快捷性，無需現澆混凝土，混凝土收縮徐變可控易控，變濕接縫為干接縫等優點。筆者針對其預制橋道板構造特點，研究了預制橋道板底面平整度及板間橫向接縫自適應性控制方法，提出了一種適用于預制裝配施工的鋼桁-混凝土組合連續剛構橋預制橋道板制作工藝，主要結論如下：

1)相比常規組合連續鋼構橋橋道板制作工藝，新型裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋預制橋道板制作工藝有3個構造特點：①PCSS剪力鍵預埋剪力傳遞鋼板兼作預制橋道板板肋側模；②縱向預應力鋼束起增強預制橋道板整體性作用，橋道板于PCSS剪力鍵與鋼桁上弦施焊聯接前期獲得足夠預壓應力，可大大提高有效預應力度；③預制橋道板板間接縫為直縫界面，通過接縫膠及預應力束粘結接整，具有良好的自適應性。

2)針對裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋，提出預制橋道板制作工藝精度控制措施：①PCSS剪力鍵預埋鋼板間施加臨時剛性聯接以保證安裝及澆筑過程中無錯動，同時亦可保證剪力鍵自身整體性；②預制橋道板底面平整度控制采用剛性模板及嚴格校核剪力鍵預埋鋼板尺寸、安裝精度；③預制橋道板板間接縫界面通過連續標準化預制形成具有良好自適應的橫向直縫界面，拼裝時僅需均勻涂抹接縫粘結膠，通過縱向預應力束聯接接整。

3)針對裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋，提出一種采用剛性模板及施工現場連續標準化預制的新型裝配式鋼桁-混凝土組合連續剛構橋預制橋道板制作工藝，及采用解析幾何進行接縫誤差的理論計算。通過依托項目工程可見，預制橋道板底面平整度測量差值均小于5 mm，板間接縫界面平整度測量波折值均小于7 mm，滿足設計及后續拼裝對平整度及接縫界面精度要求，表面剛性模板與連續標準化預制可有效控制預制橋道板底面平整度及板間接縫界面自適應性。