橫拼裝波形鋼腹板預應力混凝土連續箱梁研究

劉杰

（1.邢臺路橋建設總公司，河北 邢臺054001；2.河北省鋼混組合橋梁技術創新中心，河北 邢臺054001）

1 引言

長期以來，我國較為常見的橋梁類型基本上都是預應力混凝土橋，因為車輛超載、施工控制以及設計理念等方面的原因，預應力混凝土橋往往存在一些病害，如腹板開裂以及跨中撓度增大等，為橋梁運營帶來一定的安全隱患，同時，混凝土的大量使用也不利于自然環境的健康發展。

近年來，我國社會經濟水平的提升，為橋梁工程技術發展帶來了更多可能。目前，由邢臺路橋采用自動化生產線生產的裝配式組合鋼箱梁，由組合橋面板、波形鋼腹板、內填混凝土的鋼套箱組成（通過橫隔板橫向拼裝成整橋），制作集中采用先進的半自動或自動化、機器人、機械化、數字化技術。以物流、工藝、高技術制作等幾方面進行了研發，含板料展平、板料預處理、板料成型、板料定位夾緊、自動焊接、自動物流等幾方面。結合汽車、集裝箱、造船等行業的生產技術，吸收各行業先進的生產經驗，結合鋼梁的特點，設計制造邢臺路大橋18～33m鋼梁的通用生產線。它可以節省大量的勞動，減輕勞動強度，提高橋梁工程質量和勞動生產率，降低橋梁工程成本。本文重點研究了橫裝波紋鋼腹板預應力混凝土連續箱梁的關鍵技術，希望通過本研究為相關人員提供參考，以推動我國橋梁工程的順利發展。

2 經濟比較

波形鋼腹板PC箱梁在應用過程中，最為明顯的特點就是自身重量占據箱梁總重的20%～30%，混凝土腹板輕量化特點比較明顯。此外，箱形梁的重量減少了約25%，矢量重量的減少對減少上部結構的內力具有最直接的作用，從而減少了預應力鋼和其他材料的用量【1】。更為重要的是，跨徑為30cm的PC小箱梁斷面尺寸很小，而跨徑為30cm橫向拼裝波形鋼腹板PC箱梁材料用量指標會超過30cm跨徑PC小箱梁，實際性能也要略高于30cm跨徑PC小箱梁。對于40m、50m跨徑橫向拼裝波形鋼腹板PC箱梁與40m、50m跨徑預應力混凝土T梁，不能夠將力學優勢呈現出來，材料用量指標也更加明顯。當跨徑達到60cm時，橫向拼裝波形鋼腹板PC箱梁的技術和經濟優勢將更加顯著（見圖1）。

圖1 橫向拼裝波形鋼腹板箱梁

3 橫向預制拼裝法施工技術特點

波紋鋼腹板PC組合箱梁橋可以充分發揮鋼筋、混凝土2種材料的力學性能，顯著降低結構重量，提高預應力引入效率。近年來它在我國迅速發展。目前，這種橋型的建筑大多采用全層支架法或懸臂澆筑法，二者都是現澆混凝土。施工過程復雜、緩慢，結構質量不易控制，不可能實現箱形梁組件的工廠化、標準化處理和構造，這使得其無法充分反映這種類型的橋梁結構的優點。橫向拼裝施工技術能夠實現鋼混結構構件工廠化、標準化施工。邢臺路橋生產的中跨跨度18～33m的鋼制箱梁，可以實現整個梁的工廠化、標準化生產，便于運輸和安裝，實現長距離運輸，組裝施工快捷，穩定可靠。結構可靠，使用壽命長，維護成本低，回收價值利用率高。

4 橫向拼裝波形鋼腹板預應力混凝土連續箱梁關鍵技術

4.1 截面設計

根據30m、40m以及50m 3種常見的跨徑設計預制工字梁，若跨徑在30m以下，通常腹板所占比例較小，并且梁高較矮，這種形式不是波形鋼腹板PC組合箱梁橋的最佳跨徑。現階段，我國公路單車道寬度通常設計為3.75m，所承受最大運輸重量不超過1 500kN（150t），常見的運輸方式為多輪運輸，因此，為體現出方便快速施工、批量生產以及工廠化預制等施工理念，跨徑標準化設計通常為30m、40m以及50m 3種類型，30m跨徑梁高為1.85m；40m跨徑梁高為2.5m；50m跨徑梁高為3m，3種類型中梁最大跨度一致為1.5m，邊梁最大寬度一致為2.8m。工字梁外形尺寸均在我國公路運輸限界范圍內，若有些地區凈空不受影響，梁高可以適當增大，例如，波形鋼腹板高度增加1.2倍，可以有效提升箱梁截面抗彎強度，并獲得更加突出的經濟以及技術優勢。

4.2 橫梁、橫隔板設計

對于工字梁的端橫梁而言，一方面可以傳遞預應力荷載以及保證結構穩定，另一方面可以使荷載橫向擴散。若跨徑為30m，則橫梁厚度設計為0.8m，若跨徑為40m、50m，則橫梁厚度設計為1.0m。由于有臨時支座設置這一要求，預制段中橫梁厚度應為0.6m。若跨徑為30m，則現澆段為0.5m，若跨徑為40m、50m，則現澆段為0.8m。橫隔板共設置3道，厚度為20cm。

4.3 橫向拼裝波形鋼腹板PC連續箱梁結構設計創新技術

對于波紋鋼腹板與箱形梁混凝土頂板之間的連接，實際的結構特征主要集中在波紋鋼腹板的頂部開口處，在實際的打開過程中，一個或多個的組合鋼筋，固定在波紋鋼板和混凝土屋頂的結合面上，在上述操作的幫助之下，能夠將嵌入式抗剪連接件施工優勢呈現出來，強化連接件剛度，傳遞連接部位鋼材和混凝土的水平剪力，耐久性和整體性良好，還能節省一部分鋼材，便于施工，尤其是在中等跨徑波形鋼腹板箱梁頂板連接件之中，呈現出的作用更加明顯。對于該類連接件，比應用雙PBL連接件能夠節省30%的鋼材。如果是應用翼緣板，也可以利用混凝土頂板澆筑模板，最終將頂板混凝土澆筑漏漿和混凝土剝落問題全部解決【2】。

4.4 波形鋼腹板設計

為了確定這種波紋鋼腹板的形狀和尺寸，主要是要確保在屈服之前沒有剪切屈曲，并且在極限載荷的作用下也沒有剪切屈曲。合理設計并考慮橋梁橫向剛度等因素，并對橋梁橫向剛度等因素進行充分考慮，板厚采用10mm（見圖2）。

圖2 波形鋼腹板構造圖

5 結語

實際波形鋼腹板PC箱梁在應用過程中，主要是將混凝土抗壓作用呈現出來，而且波形鋼腹板抗屈服強度較高，能夠將合理、有效的橋梁結構形式呈現出來。對于橫向拼裝波形鋼腹板PC連續箱梁的應用，主要應用的是標準化和工程化預制，能夠更好地維護工程質量，控制好工程造價，對景觀道路和公路橋梁建設提供廣闊的應用前景。至今，邢臺路橋生產的裝配式組合鋼箱梁已經廣泛應用在大廣高速、京港澳高速、張承高速、邢衡高速、太行山高速等多條高等級公路的建設，并受到了用戶的一致好評——節能環保，實用性強，可為類似工程提供借鑒。