高墩大跨度波形鋼腹板PC組合梁橋施工技術

宋勝錄

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海建工四建集團有限公司 上海 201103

與傳統的預應力混凝土箱梁結構形式相比，波形鋼腹板PC組合結構具有自重輕、施工方便、抗震性能好等優點，具有很好的推廣應用前景[1]。波形鋼腹板PC組合結構因其結構受力和施工性能優勢以及良好的經濟效益，得到了國內工程界越來越多的認可，目前在國內外均得到了廣泛的應用[2]。

1 工程概況

伊朗德黑蘭北部高速公路6#特大橋建設地點位于伊朗首都德黑蘭北部山區，跨越桑干河谷，是Tehran-Shrine高速公路一期工程的關鍵性工程。該橋為高墩大跨度波形鋼腹板PC箱梁橋，全長319 m，跨徑布置為83 m＋153 m＋83 m（圖1）。主橋采用雙幅橋布置，橋面寬2 m×13.1 m，單幅主橋箱梁采用單箱單室斷面。主橋頂、底板采用C50混凝土，腹板采用波形鋼腹板。根部梁高8.8 m，頂板寬13.1 m，底板寬6.5 m。波形鋼腹板厚度為10～22 mm，波形采用1600型，波板水平幅寬430 mm，斜幅寬430 mm，斜幅水平方向長370 mm，波高220 mm。跨中梁高3.5 m，為主跨的1/43，梁高從根部到跨中按照1.8次拋物線變化（圖2）。最大懸臂共劃分為15個節段，主墩最高65 m，單幅橋每個橋臺處需安裝4只阻尼器，全橋共采用16只阻尼器，每只阻尼器按最大阻尼力±2 000 kN，最大位移±350 mm設計。

圖1 伊朗6#橋立面布置示意

圖2 主梁橫截面（單位：cm）

2 施工工藝特點及難點

2.1施工工藝

根據相關設計要求及施工現場的條件限制，總體施工方案為：墩頂0#、1#塊采用托架現澆法施工，待0#、1#塊施工完成后，在0#、1#塊上拼裝懸臂掛籃，2#～17#塊采用掛籃懸臂澆筑施工，邊跨直澆段采用落地支架現澆施工。其中，波形鋼腹板1#～5#段采用塔吊吊裝安裝，6#～17#段及合龍段采用小平車水平運輸掛籃，再配合電動葫蘆安裝。合龍段混凝土采用吊架進行施工，合龍時采用先邊跨、后中跨的順序進行施工。

2.2施工難點

1）地處山區，交通運輸困難，特別是波形鋼腹板的運輸與安裝，難度相對較大。伊朗6#橋建設所用波形鋼腹板，采用中國國內制造，然后運輸至現場進行安裝施工（約1 100 t波形鋼腹板）的方式，波形鋼腹板要經過海運、1 000 km的陸路運輸，然后才能到達安裝現場。

2）山區高墩大跨度波形鋼腹板橋懸臂施工時，波形鋼腹板箱梁頂部的水平運輸及安裝施工存在難題。在山東鄄城黃河大橋的波形鋼腹板掛籃施工中，波形鋼腹板采取橋面豎直運輸方式[3-6]，掛籃設計得比較笨重（掛籃設計必須滿足波形鋼腹板在橋面上豎直安裝的要求）。參考此案例，通過施工方案優化，將懸臂根部范圍的波形鋼腹板節段縮短為3.2 m模數，減輕節段質量，根部1#～5#段采用塔吊安裝施工，將掛籃設計為輕型掛籃，通過在掛籃頂部設置電動葫蘆，滿足波形鋼腹板的吊裝要求，從而解決了6#～17#大懸臂節段的波形鋼腹板橋面水平運輸及安裝的難題。

3）高溫環境下，大跨度波形鋼腹板橋合龍施工存在變形的難題。伊朗6#橋左幅橋于2016年6月進行中跨合龍，當地正處于高溫條件，現場溫度達37 ℃，且山區晝夜溫差較大。在合龍施工中，提前對橋面灑水降溫，將波形鋼腹板先行單邊進行安裝焊接，再臨時進行骨架的單邊焊接，并通過連續的溫度測試，選擇在相對溫度較低的環境下進行中跨合龍施工，從而保證了整個中跨合龍施工的順利進行。

3高墩大跨波形鋼腹板組合梁橋懸臂施工技術

3.1高墩波形鋼腹板0#、1#塊托架施工

由于0#塊墩身較高，采用傳統的落地支架法進行施工難度大。因此通過方案優化比選，采用墩身預埋牛腿、加焊三角支架和貝雷架的托架法進行施工，其具有施工方便快速、受力明確、實用性強、構件可循環利用，且對墩身影響小等優點，且能夠適合各種高墩0#塊的施工。根據伊朗6#橋的特點，結合現場施工要求，進行了專項托架設計，托架采用型鋼和貝雷架進行支承。

0#、1#節段波形鋼腹板的安裝精度直接決定了后續波形鋼腹板懸臂施工的安裝精度。由于波形鋼腹板自重較大、定位精度要求高，且0#塊普通鋼筋密集，故波形鋼腹板安裝定位困難。如何使其牢靠、精確定位是保證0#、1#段施工質量的關鍵。經研究，通過制作一個馬凳（鋼支架）定位鋼腹板的底部，然后利用手拉葫蘆進行精確定位，并將箱梁兩側鋼腹板用固定框架進行連接，形成穩定的固定體系，從而實現對波形鋼腹板的精確定位。

0#、1#塊混凝土施工屬于高空大體積混凝土施工。受當地材料供應、施工現場混凝土攪拌站生產及運輸能力的限制，需對0#塊混凝土配合比設計及澆筑工序進行特殊設計。

1）因地制宜采用天然砂摻加石屑作為混凝土細骨料進行混凝土配合比設計，不僅大大改善了細骨料的級配特性，而且解決了伊朗當地天然砂缺乏的問題，通過配合比試驗，能夠滿足C50高強混凝土的配制及泵送性能要求。天然砂摻加石屑混凝土配合比為：水泥∶水∶天然砂∶石屑∶碎石＝495∶193∶468∶190∶1 004。其中，外加劑采用質量分數為1%的ZWL-Ⅳ高效減水劑。

2）采取分2次進行澆筑的方法進行施工。第1次混凝土澆筑高度為3.5 m，第2次混凝土澆筑高度為5.3 m，解決了混凝土攪拌生產能力和運輸限制的難題。

3.2高墩大跨波形鋼腹板橋懸臂施工掛籃設計

通過吸取國內外大跨度波形鋼腹板橋懸臂施工的掛籃形式設計經驗[2]，最終采用菱形結構，單肢掛籃自重67 t（最大梁質量為197.7 t），掛籃自重與最大箱梁節段自重比例為0.338。

該菱形掛籃設計由以下幾個主要部分組成（圖3）：

圖3 掛籃結構示意

1）主桁系統：掛籃主桁架為型鋼組合結構，由主梁、立柱、拉桿組成單片主桁，通過節點板及銷軸連接成桁架結構，共2片，并采用橫向平聯桁架連接成為一體。

2）底模平臺：由縱梁和下橫梁組成整體平臺，掛籃底板縱梁為HN400 mm×200 mm型鋼。

3）吊掛系統：由前上橫梁、前后吊掛精軋螺紋鋼筋組成，前上橫梁為結構主要承力構件，采用2I56a型鋼。

4）錨固系統：由錨固部件、精軋螺紋鋼筋、分配梁等組成，以便掛籃在灌注混凝土時具有必要的穩定性。

5）波形鋼腹板安裝系統：掛籃桁架頂部設置5 t移動桁車及一個5 t電動葫蘆。

該菱形掛籃的設計創新點如下：

1）掛籃采用優化的菱形型鋼組合結構，并通過節點板及銷軸連接成桁架結構，結構清晰，受力明確。

2）菱形架高度比傳統設計標高增高2 000 mm，以滿足鋼腹板的高度空間要求。

3）掛籃采用精加工裝配式通用構件設計，減少運輸成本，提高現場安裝精度，拆裝方便，并能夠循環利用。

4）主結構采用材質Q345的鋼材，可進一步提高受力抗變形性能。其他非結構件用材的截面，經驗算后適度減少15%左右，進一步減輕了掛籃自重（圖4）。

圖4 掛籃拼裝完成

3.3鋼腹板的橋面水平運輸及安裝定位

波形鋼腹板創新性地采用了塔吊吊裝、水平小車運輸與安裝的方法，將波形鋼腹板懸臂施工時傳統的箱梁頂垂直運輸改為水平運輸（圖5），不僅大大降低了掛籃的設計高度，而且也提高了運板的安全性和穩定性。

圖5 波形鋼腹板水平運輸小車

1#～5#節段波形鋼腹板采用塔吊吊裝定位，6#～17#及合龍段采用5 t掛籃桁車配合5 t手拉葫蘆進行精確定位（圖6）。考慮到波形鋼腹板的縱向波形，其與平面鋼板相比，平面穩定性更好，運輸、吊裝及定位安裝等過程的變形均較小。針對懸臂施工波形鋼腹板的定位，其主要方法為：

圖6 波形鋼腹板定位施工

1）在波形鋼腹板定位調整及臨時固定就位后，進行根部波形鋼板之間的連接焊接。

2）波形鋼腹板根部生根定位：利用波形鋼腹板上部及下部埋入混凝土頂底板內的剪力鍵鋼筋預留孔及波形鋼腹板之間的螺栓孔，采用螺栓臨時固定連接。

3）前端固定定位：在波形鋼腹板前端底部設置臨時馬凳（鋼支撐），調節固定波形鋼腹板前端標高及位置。

4）左右兩幅波形鋼腹板前端連接固定：通過在內側設置臨時連接鋼桁架，將左右兩幅波形鋼腹板進行連接固定。

3.4波形鋼腹板橋懸臂施工控制

為確保主橋在施工過程中結構受力和變形始終處于安全范圍內、成橋后主梁的線形符合設計要求、結構恒載受力狀態接近設計期望，在伊朗6#橋建設過程中進行了全過程施工控制。合龍施工完成后，主橋應力實測與理論值差別控制在±2 MPa范圍內，極少測點差值為－4 MPa，橋梁整體受力在可控范圍內，成橋后線形平順，實測與理論偏差在2 cm以內，成橋線形控制良好。

4 結語

本工程橋位位于地震烈度9度區，為減輕自重，進一步提高該橋結構抗震性能，縮短施工周期，減少施工對環境的影響，經過多方案對比研究，提出了83 m＋153 m＋83 m＝319 m的波形鋼腹板預應力混凝土箱形連續梁橋。德黑蘭北部高速公路6#橋成功實現了大跨度波形鋼腹板橋在伊朗國家的應用。該橋于2016年10月順利實現橋梁主跨結構合龍。

2020年2月，德黑蘭北部高速公路一期工程順利實現通車，其作為一種新型結構形式在地震多發的伊朗國家進行推廣與應用，對我國橋梁建造技術走向世界具有重要的歷史意義。