大跨度波形鋼腹板PC箱梁橋施工關鍵技術分析

丁群峰,王謙,蘇立超

(1.中鐵西南科學研究院有限公司,四川成都 610000;2.邢臺路橋建設總公司,河北邢臺 054000)

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大跨度波形鋼腹板PC箱梁橋施工關鍵技術分析

丁群峰1,王謙1,蘇立超2

(1.中鐵西南科學研究院有限公司,四川成都 610000;2.邢臺路橋建設總公司,河北邢臺 054000)

摘要:波形鋼腹板組合箱梁橋以結構輕盈、橋形美觀、施工便捷、造價低廉、受力合理等特點在國內得到了空前發展。文中以邢衡(邢臺—衡水)高速公路(70+120+70)m南水北調大橋為背景,對大跨度波形鋼腹板組合箱梁橋關鍵施工技術進行分析和探討,為國內同類橋梁設計、建造提供經驗和參考。

關鍵詞:橋梁;波形鋼腹板;箱梁橋;施工技術

波形鋼腹板組合箱梁橋有效解決了鋼筋砼結構腹板開裂問題,也解決了純鋼結構橋面鋪裝的粘結性問題,顯著降低了結構自重,提高了結構的整體剛度及抗震能力。該文以邢衡(邢臺—衡水)高速公路南水北調大橋為例,對大跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋掛籃懸澆施工工藝進行探討。

1 南水北調大橋施工方案

該橋跨徑組合為(70+120+70)m,為連續變截面波形鋼腹板組合箱梁橋,共分為114個節段(見圖1)。其中:主墩0#、1#塊共12個節段采用滿堂支架法施工,2#～12#塊共88個節段采用掛籃逐段懸澆法施工;中邊跨合龍段13#塊共6個節段采用吊架施工;邊墩14#、15#塊共8個節段采用滿堂支架法施工。

2 南水北調大橋波形鋼腹板的構造

該橋支點梁高為7.5 m,跨中梁高為3.5 m,底板寬7.5 m,頂板寬14.012 m,梁高按二次拋物線變化,為單箱單室。波形鋼腹板采用Q345D鋼材。波形鋼腹板波長為1 600 mm,波高220 mm,水平面板寬430 mm,斜幅水平方向長370 mm,水平折疊角度為30.7°,彎折半徑為15t(t為波形鋼腹板厚度),鋼板厚度為14、16、18、20和22 mm。

圖1 南水北調大橋中跨節段劃分(單位:cm)

波形鋼腹板節段長度為4 800 mm。波形鋼板與砼頂板采用Twin-PBL連接、與砼板采用Single -PBL+栓釘連接(見圖2、圖3),波形鋼腹板節段間縱向連接采用搭接貼角焊接+高強螺栓的方式。

3 大跨度翼緣型波形鋼腹板施工技術

圖2 鋼腹板與頂板連接示意圖

3.1 全橋關鍵節段0#、1#塊現澆砼施工

(1)前期技術準備。0#、1#塊是全橋質量控制的關鍵節段,主要表現為設計鋼筋復雜、預埋件繁多、波形鋼腹板構件龐大、三向預應力聚集等控制難點極多、要求精度極高。為確保該節段施工的高質量、高效率,在施工前對設計圖紙進行反復研究,將系統抽象的設計圖紙拆解為具體、形象、操作性強的施工次序詳細分解書。編制該分解書需識別出0#、1#塊所有的鋼筋、波形鋼腹板、預埋件等永久性材料,主要包括箱梁受力鋼筋、構造鋼筋、支座預埋筋、監測控制基準點、錨下加強筋、三向預應力錨夾具及管道、轉向器、掛籃錨固預埋件、應變片、墩頂體外索張拉用千斤頂懸掛預留孔、泄水管預留孔、檢修孔等,識別后將所有需埋入砼的永久性材料根據施工先后次序、交叉情況進行統一編號,明確各構件安裝次序,避免因初期準備不充分造成安裝次序不得當帶來的窩工、返工等問題,確保施工現場工人思路明確、工序銜接緊密、順暢流水作業。

圖3 鋼腹板與底板連接示意圖

(2)現澆段0#、1#塊波形鋼腹板的高精度定位。1#塊鋼腹板的定位精度直接影響后續節段鋼腹板的施工質量,對于波形鋼腹板組合箱梁橋這一特殊結構受力至關重要。1#塊波形鋼腹板的定位主要是其空間姿態的定位,必須采取有效措施保證在鋼筋、模板工程施工中其定位牢固,不受其他外界條件的影響。因1#、2#橋墩較低,采用25 t吊車進行鋼腹板的起吊安裝。為提高安裝效率,安裝前,在箱梁底模板上勾勒出鋼腹板投影線,以便于粗略定位;然后將設置在上翼緣開孔鋼板上的吊具懸掛于箱梁頂模板及橫向組合鋼吊架上(見圖4)。鋼腹板的精確定位分為粗調、細調和微調三步。鋼腹板安裝定位采用“上掛下支、內撐外頂”的組合方法,即波形鋼腹板頂面采用固定在箱梁頂模板上的組合型鋼支架作為懸吊裝置、底面翼緣板采用焊接于底模板上的工字鋼作為支撐,箱室內采用加強型可調式鋼管進行內部支撐,箱室外采用可調螺栓于波形鋼腹板和箱梁側模板體系進行外頂,以此形成空間穩定的鋼腹板緊固及調整體系(見圖5),避免波形鋼腹板受鋼筋綁扎、箱室內模板安裝、砼澆筑等的影響而發生移位。

圖4 墩頂組合鋼吊架

圖5 鋼腹板定位組合

3.2 節段間波形鋼腹板縱向接長處施工質量控制

該橋相鄰兩節段波形鋼腹板搭接長度為120 mm,采用貼角焊與高強度螺栓組合的連接方法,施工中,要高度重視貼角焊焊縫的質量控制。波形鋼腹板作為主要抗剪構件,縱向接長處的內在質量異常重要,而高空立焊是該種結構施工的重點之一。為確保工程質量,提高工作效率,降低人為因素對貼角焊施工質量的影響,引進全位置自動化無死角焊接小車。方法如下:調整好焊接參數及走行標尺,于波形鋼腹板內外兩側各布置一臺焊接小車,同時同處均勻施焊。該方法可最大程度降低焊接過程中鋼腹板的整體變形,焊接效率得到極大提升,焊接質量也得到有效保證,且焊縫均勻、飽滿、表面光亮、無夾渣和焊瘤等缺陷。

連接處采用高強度螺栓連接時,應對高強度螺栓連接副的原材料及力學性能進行檢測。該橋采用M22高強度螺栓,為便于高強度螺栓的安裝,設計螺栓孔開孔直徑為24 mm,螺栓孔內外兩側采用?80 mm Q345D防銹鋼墊片,采用雙螺母對螺桿進行雙重固定。鋼墊片中心應與螺栓孔中心同心,如因個別節段鋼腹板傾斜角度誤差導致鋼墊片不能將螺栓孔封堵嚴密,則應適當加大鋼墊片直徑,以確保螺母擰緊后鋼墊片與波形鋼板螺栓孔位貼合緊密,防止外界空氣進入螺栓與波形鋼板縫隙而對該處鋼板母材造成銹蝕等。

3.3 翼緣型抗剪連接件施工關鍵技術

波形鋼腹板與箱梁頂、底板砼的連接關系到波形鋼腹板組合箱梁橋的整體性,主要起傳遞波形鋼腹板與砼翼板縱向水平剪應力的作用,也能抵抗砼與波形鋼板翼緣板之間的掀起作用,提高鋼混組合效能及整體結構安全性。

因抗剪連接件處為鋼-砼過渡段,應力集中效應較為顯著,將該部位施工作為重點加以控制。貫穿鋼筋必須嚴格居于孔位中心,并與橫向主筋形成整體且定位牢固,以充分保證填充孔砼銷的施工質量。貫穿鋼筋安裝偏差不得超過5 mm。此外,翼緣板處應增設局部加強鋼筋,以抵抗鋼混組合截面處應力集中所導致的局部砼破壞。

該橋采用翼緣型抗剪連接件,下翼緣板為寬420 mm平鋼板,該翼緣板頂面與底板砼頂面平齊,翼緣板下方砼與兩側砼不存在壓力差,操作空間受限等導致該處砼施工難度極大,且在澆筑砼時不能直觀確定翼緣板下砼的密實程度。為解決上述問題,并將隱蔽處砼的密實情況直觀地反映出來,在翼緣板處每個波長范圍內均勻設置6個?30 mm排漿孔,方便翼緣板下方的砼在振搗力作用下排漿。

3.4 大跨度波形鋼腹板施工監控及線形控制

為確保大跨度波形鋼腹板組合箱梁橋的施工線形,同時為該類橋梁建設提供更多的數據支撐和經驗,施工中進行嚴格監控,采集應力應變及梁底線形現場數據,通過科學細致的數據分析指導施工,確保大橋的較高精度合龍。

該橋由4個T構組成,中跨120 m跨越南水北調中干渠,1#、2#墩前期節段施工相對獨立,1#、2#墩兩側的導線點、水準點閉合成為控制全橋標高、平面位置測量的關鍵環節。監測小組定期對所設置的導線點、水準點進行閉合,并及時排查降雨、降雪等特殊天氣對導線點、水準點造成的影響,確保基準點數據的準確性和真實性。懸臂施工中加強對波形鋼腹板監測斷面的反復復核,確保安裝質量和線形。

施工中執行“南水北調大橋上部結構立模標高通知單”制度,通知單包括底模設計標高、該節段成橋預拱度、該節段施工預拱度、掛籃調整值、底模立模標高及波形鋼腹板空間姿態定位8個翼緣板點位的三維數據,施工中根據監測數據結合理論線形及時進行修正。對由監控單位下發的立模標高通知單,監測小組先對其中數據進行復核、驗算,確定無誤后反饋給監控單位統一執行,且階段性召開監控測量工作討論會,對監控測量中遇到的問題和后續的控制環節進行討論,明確各方的工作思路。在進行測量控制過程中,監測小組成員間進行互檢,由2名測量員對測量數據進行采集,核對無誤后與監控單位進行數據核對,最大程度上減小測量誤差,從而實現高精度中跨合龍。

4 波形鋼腹板組合箱梁橋的應用建議

(1)南水北調大橋主墩內襯砼設計長度止于2#塊1/3節段處,在有凈高限制等要求的工程案例中,為增加波形鋼腹板的抗拔和防屈曲能力,內襯砼設計長度可適當加長和加厚,以使腹板所承受的大部分剪力由內襯砼承擔。

(2)進一步優化抗剪連接件設計,特別是對于翼緣型抗剪連接件中開孔鋼板和水平翼緣板與砼界面上的應力集中問題,應盡量消除邊緣棱角處的應力集中,并適當增大鋼板與砼的接觸面積。

(3)波形鋼腹板節段間采用高強螺栓+貼角焊縫的連接方法,既便于現場波形鋼腹板的安裝,也能提高整橋的安全儲備。

(4)進一步推進懸臂拼裝、頂推等施工工藝,實現模塊化生產,使波形鋼腹板的便捷性得到更大程度的體現和應用。

(5)進一步推進耐候鋼等材料在波形鋼腹板組合箱梁橋中的應用,降低鋼混組合結構體系的防腐及維護費用。

(6)盡快制定波形鋼腹板PC組合箱梁橋相關施工規范以指導現場施工,同時加強對鋼-砼組合界面、抗剪連接件的研究,詳細而深入地研究界面力學的相關行為,逐步深化和完善設計理論。

參考文獻:

[1]李志聰.南水北調大橋波形鋼腹板PC組合箱梁的設計[J].北方交通,2013(4).

[2]蘇立超.大跨度波形鋼腹板組合箱梁橋關鍵技術研究[J].公路與汽運,2014(2).

[3]劉朵,楊丙文,張建東,等.波形鋼腹板組合橋梁內襯混凝土抗剪性能研究[J].世界橋梁,2013(6).

[4]蘇立超.波形鋼腹板箱梁橋剪力鍵形式的優化設計[J].交通標準化,2012(1).

[5]韓振勇,湯洪雁,王秀艷.波形鋼腹板組合箱梁應用的研究[J].天津建設科技,2009(5).

收稿日期:2015-11-19

中圖分類號:U445.4

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0184-03