節段預制拼裝波形鋼腹板箱梁橋設計關鍵技術

馬增

摘要 南京長江五橋北引橋首次將節段預制拼裝技術應用于波形鋼腹板組合箱梁橋的設計與建造中，充分利用了節段預制拼裝技術高效環保、波形鋼腹板組合結構橋梁力學性能優等優勢，提升了橋梁的工業化建造水平。以南京五橋跨堤橋為背景，總結節段預制拼裝波形鋼腹板組合箱梁設計關鍵要點，為同類型項目提供參考借鑒。

關鍵詞 節段預制拼裝;波形鋼腹板;工業化建造;設計

中圖分類號 TU398.9 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0163-03

0 引言

基于波形鋼腹板組合橋梁優異的受力性能和良好的景觀效應，國內已成功建成多座該類橋梁。波形鋼腹板組合橋梁在設計、建造等方面也取得了豐碩成果，近年來，橋梁施工開始向工廠化、裝配化、標準化方向發展，利用節段預制拼裝技術，將波形鋼腹板組合箱梁進行縱向分塊，現場快速拼裝的工藝，有利于實現波形鋼腹板組合箱梁工業化建造[1]。

1 項目概況

南京長江五橋北引橋中的跨堤橋、跨立新路橋以及跨豐子河路橋為波形鋼腹板連續箱梁橋。跨堤橋跨越浦口側長江大堤，為適應橋梁主線與長江大堤及濱江大道的斜交，跨堤橋兩側邊跨錯墩布置，左幅橋跨為41+78+45 m，右幅為45+78+41 m，總長164 m。綜合考慮濱江環境的適應性和工程規模等建設條件，南京五橋跨堤橋首次在波形鋼腹板箱梁橋中采用了節段預制拼裝施工工藝。該文以跨堤橋為背景，總結節段預制拼裝波形鋼腹板組合箱梁設計關鍵要點。

2 結構設計

南京五橋跨堤橋主梁采用分幅布置，邊中跨比分別為0.526和0.577。跨堤橋在中墩墩頂位置設置縱向E型耗能裝置。主梁標準橫斷面如圖1所示，跨中梁高2.2 m，高跨比為1/35.5，根部梁高4.5 m，高跨比為1/17.3，梁高和底板厚度均以1.8次拋物線的形式由跨中向根部變化。橋梁橫斷面總寬38 m，單幅結構頂板寬18.65 m，設置三道波形鋼腹板。

根部設置3 m厚橫隔，端部設置2.2 m厚端橫隔，兼具支承和縱向體外束錨固。橋跨內于體外索轉向處設置鋼筋混凝土轉向塊，轉向塊采用倒T形，頂部厚50 cm，底部加寬至120 cm，轉向塊與節段整體預制。

與現澆波形鋼腹板箱梁相比，預制拼裝箱梁的理念是節段化設計，如何有效地化整為零，進行可靠地吊裝組拼。須系統研究節段劃分原則，連接構造，節段預制、吊運、匹配過程的受力控制等關鍵技術問題。

2.1 節段劃分

對于節段劃分，主要考慮如下幾點：

（1）為實現節段預制過程的標準化，波形鋼腹板箱梁的節段劃分須充分考慮混凝土頂底板及波形鋼腹板波形構造相關性，同時應考慮轉向塊、預應力齒塊，端部梁段等設置。

（2）節段劃分長度主要取決于節段重量，應盡可能使節段重量均勻。

（3）節段長度宜取為波形鋼腹板波長的整數倍以使接縫設在波形鋼腹板的平板段上。

根據構造及施工架設需要，南京五橋跨堤橋全橋共劃分為19種預制節段。其中墩頂0#梁段為現澆節段，長度為3 m。1#～14#節段為變高梁段，長度分別為1.5 m、2.4 m及3.2 m。15#梁段為跨中合龍段，長度為3.2 m。16#～19#梁段均為邊跨端部梁段，長度分別為2.4 m、1.6 m、1.4 m及2.06 m，最大吊重約為99.4 t，如圖2。

2.2 節段預制拼裝波形鋼腹板組合箱梁抗剪連接件設計

波形鋼腹板與頂底板的抗剪連接件方式大致分為埋入式和翼緣式。

埋入式連接件依靠波形鋼腹板與混凝土的相互約束以及橫向鋼筋進行剪力傳遞及橫向彎矩分配;翼緣式連接件則依靠翼緣板上方不同構造滿足鋼混連接的受力需求。考慮到耐久性和混凝土頂板澆筑，混凝土頂板推薦采用帶翼緣板的連接形式。對于混凝土底板連接，埋入式連接件構造簡單，施工方便，且連接傳力部分全部埋入混凝土中，結合部處的防腐更易處理[2]。

從連接件的構造特點及節段預制拼裝施工適用性方面，對四種典型抗剪連接件進行比較，并根據短線匹配預制工藝特點進行推薦，如表1。

綜上所述，對于混凝土與波形鋼腹板之間的抗剪連接件，該項目頂板處推薦采用開孔鋼板翼緣式，底板處采用埋入式。

2.3 節段預制拼裝波形鋼腹板組合箱梁節段連接設計

波形鋼腹板節段間鋼腹板連接可以分為對接焊縫連接、貼角焊縫連接、高強螺栓連接，具體的連接形式和構造尺寸須由承載力要求和連接施工的可操作性決定[3]。該項目波形鋼腹板采用對接焊連接方式，較傳統方式的搭接焊及栓接連接方式有如下優點：

（1）采用熔透對接焊縫，強度不低于母材的強度，焊縫受力均勻，抗疲勞性好，且可通過超聲波等無損方式檢測焊接質量。

（2）熔透對接焊縫僅一條對接焊縫，與必須周圈圍焊的搭接焊縫相比，具有焊接量少、操作方便、工效高及用鋼量少的特點。

（3）采用拼接板栓接方式連接，波形腹板需增加制孔，對栓接面進行摩擦面處理，不管是接縫單面還是雙面摩擦，栓接均增加了用鋼量和螺栓用量，且現場高強螺栓施工需初擰、復擰、終擰，施工工序多、時間長，與熔透對接焊縫相比，不僅工序多、工效低，而且用工量和用鋼量多，成本高。

（4）采用熔透對接焊縫，焊接后磨平焊縫余高，焊縫與波形腹板板厚一致，涂裝后，整體外形美觀流暢。

綜上所述，熔透對接焊縫具有施工便捷，節約鋼材、焊材、螺栓用量，減少工廠內制造及工地連接的用工量，工效快等諸多優點，整體經濟效益最優。

該項目推薦采用對接焊。為實現精確的對接焊連接，必須確保整體預拼后，梁段不發生較大的變形，其中控制的重點在于波形鋼腹板的根部變形須控制在1.5 mm以內，這就要求整個施工過程梁段不發生畸變變形。為保證對接焊質量，相鄰腹板焊縫間隙不應大于8 mm，在頂、底板過焊孔附近采用包焊。

混凝土頂、底板節段連接采用齒鍵膠拼，頂、底板齒鍵是節段匹配定位的關鍵，同時提供接縫間的抗剪受力，在翼緣處應設置必要的齒鍵，防止節段間橫向變形引起的錯臺。施工過程在混凝土頂底板設置臨時拉桿，頂板設置了四對臨時拉桿，底板設置了兩對拉桿，以保證節段懸臂拼裝階段接縫的壓應力儲備。

3 基于施工期箱梁節段變形控制的設計

波形鋼腹板組合箱梁節段施工期變形控制是實現梁段間精確拼裝的關鍵設計過程，需重點研究以下幾個關鍵技術：

（1）梁段匹配過程變形控制：在梁段匹配、澆筑頂板混凝土時，新澆混凝土會給匹配梁段頂板一個縱向壓力，該縱向壓力可能導致匹配梁段變形，影響新澆梁段的幾何形狀，預制過程中應確保縱向變形不大于1 mm。

（2）梁段吊裝過程變形控制：節段波形鋼腹板箱梁的抗扭及橫向抗彎剛度相對較低，箱梁吊裝過程中可能造成波形鋼腹板節段梁頂、底板出現相對扭曲、位移或整體位移情況，影響架設線形精度。

（3）箱梁扭轉和畸變變形控制：波形鋼腹板節段箱梁吊裝、運輸等過程中，鋼腹板支撐的混凝土頂板結構，在傾斜、振動等工況下，容易產生水平力，形成節段箱梁扭轉和畸變的誘因，在鋼腹板和混凝土頂底板結合位置容易產生開裂，降低結構的使用性能。

為提高運輸及吊裝等施工過程中端口抗扭轉性能，在節段兩側端口設置臨時拉索或剛性支撐。節段在運輸和吊裝過程中，水平力作用可按下式驗算臨時支撐：

Fh=max{1.2×Gt×sini，0.2×Gb}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Fh——箱口臨時支撐驗算水平力;

Gt——混凝土頂板重;

Gb——混凝土底板重;

i——運輸道路不利縱坡，可按9°取。

該項目在箱梁內設置兩對型鋼剪刀支撐，型鋼采用槽鋼，作用在頂板上的水平力取12 t，通過支撐系統，使混凝土頂底板橫向變形差在驗算水平力作用下控制在1.5 mm以內。支撐結構與混凝土頂底板連接位置應提前設置預埋件，并采用螺栓等措施連接支撐桿，防止對頂底板混凝土產生局部破壞。

4 節段預制拼裝波形鋼腹板組合箱梁建造精度控制技術

節段預制拼裝波形鋼腹板組合箱梁的精度控制是實現現場快速拼裝的重要因素。通過波形鋼腹板工廠制造長線預拼，獲得波形鋼腹板的節段匹配關系，并利用匹配件進行定位。在節段梁短線預制過程采用精度控制技術還原工廠制造線形，預制完成混凝土頂底板，完成節段箱體預制。利用混凝土頂底板齒鍵匹配拼裝，將混凝土結構安裝精度統一至鋼結構的控制精度，實現了橋梁建造的全過程高精度控制。橋位節段混凝土頂底板拼裝到位后，張拉節段縱向預應力，施工鋼腹板對接焊縫，再施工前一節段頂板橫向預應力，精確分析控制施工過程節段受力和變形。

與傳統的現澆波形鋼腹板組合箱梁相比，節段預制拼裝波形鋼腹板箱梁減少了現場勞動力投入，每個節段的施工周期縮短至1天，全橋縮短工期約3個月，顯著減少了工程投資。相較與預制拼裝混凝土箱梁，輕量的鋼腹板可減輕梁重約20%，對于梁段起吊設備要求有所降低，有利于增加節段長度，提高施工速度，更加適用于復雜環境的梁段架設。

5 結語

通過節段預制拼裝建造技術的應用，提升了工程建設的現代化水平。節段預制拼裝波形鋼腹板組合箱梁橋在跨線橋梁、環保要求高等地區的中大跨度橋梁的設計建設中有較大的優勢，有利于實現綠色環保的橋梁建設，為同類型項目提供參考借鑒。

參考文獻

[1]劉曉剛， 樊健生， 聶建國.預應力波形鋼腹板組合梁承載力及變形研究[J].建筑結構學報， 2013（S1）： 28-32.

[2]陳水生， 劉律， 桂水榮.波形鋼腹板PC組合箱梁橋在我國的研究進展及應用[J].公路工程， 2015（3）： 57-62.

[3]樓亞東， 梁朝安， 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（9）：52-55.