變截面波形鋼腹板連續箱梁合龍方案研究

黨立俊，曹曉遠

（中交遠洲交通科技集團有限公司，石家莊 050000）

1 引言

變截面波形鋼腹板連續箱梁因其自重輕，跨越能力強，造型美觀等特點，越來越受到設計師們的青睞。與此同時，因其截面為鋼材與混凝土組合而成，且連接構造復雜，施工難度大，給工程技術人員提出了新的挑戰。合龍段施工作為變截面波形鋼腹板連續箱梁施工過程的關鍵環節之一，對成橋后梁體的內力分配以及線形狀態有決定性作用[1]。但是由于軟件和計算理論的局限，以及施工方式的多樣化，橋梁設計時，設計師不能詳細模擬合龍階段具體的施工工藝流程，多數情況下是將該階段各步驟作為一個施工階段進行計算和分析。如何在滿足設計和施工規范的前提下，快速準確地完成此類橋梁合龍段施工，是工程技術人員值得思考的問題。

2 工程概況

該南水北調特大橋全長1 022 m，主橋為86.5 m+152 m+86.5 m 變截面單箱單室波形鋼腹板連續箱梁，采用懸臂澆筑法施工。箱梁頂板寬度為13.75 m，底板寬度為7.0 m，均為預應力鋼筋混凝土構件。合龍段高度為4.2 m，縱向長度為3.2 m。橋墩為矩形墩，基礎為群樁基礎（見圖1）。

圖1 南水北調特大橋立面圖（單位：cm）

3 合龍方案

考慮到施工條件及工期影響，設計和施工單位根據現場施工特點和人員機具配置，制訂了詳細的合龍方案。

3.1 總體合龍順序

先合龍邊跨，再合龍中跨。

3.2 邊跨合龍段施工工藝流程

鋼腹板一端固定→掛籃前移→模板調整→底板鋼筋、鋼束施工→內模安裝加固→頂板鋼筋、鋼束施工→懸臂端平衡配重→剛性支撐鎖定→鋼腹板另一端固定→張拉臨時預應力鋼束→解除邊墩支座約束→澆筑混凝土→混凝土養生→剛性支撐鎖定解除→臨時預應力鋼束張拉至設計值→管道壓漿、封錨→拆除邊跨現澆段滿堂支架。

3.3 中跨合龍段施工工藝流程

邊跨合龍完成→鋼腹板一端固定→掛籃前移→模板調整→底板鋼筋、鋼束施工→內模安裝加固→頂板鋼筋、鋼束施工→懸臂端平衡配重→剛性支撐鎖定→鋼腹板另一端固定→張拉臨時預應力鋼束→解除主墩臨時約束→澆筑混凝土→混凝土養生→剛性支撐鎖定解除→臨時預應力鋼束張拉至設計值→管道壓漿、封錨→拆除掛籃，完成結構體系轉換。

4 控制性參數的計算

合龍方案控制性參數主要由邊跨臨時鎖定力、中跨臨時鎖定力和臨時預應力鋼束張拉值3 部分組成。

4.1 臨時鎖定力計算假定

本文在計算臨時鎖定力時，提出以下假定：

1）合龍段長度不變。

2）波形鋼腹板雖然存在縱向連接，但由于其縱向剛度非常低，基本不抵抗軸向力，故不考慮其連接作用[2]。

3）邊跨合龍時，邊跨現澆段主要由支架和模板承托，此時邊支座基本不受力，剛性支撐內力主要由現澆段混凝土與模板的摩擦力提供。假定模板摩擦系數μ 取0.15。

4）中跨合龍時，邊跨現澆支架和模板均已完全拆除，梁體已安放至邊、主墩活動支座上，剛性支撐內力主要由活動支座摩阻力提供。假定支座磨阻系數μ 取0.03。

4.2 邊跨臨時鎖定力計算

邊跨合龍段采用剛性支撐措施鎖定后，邊跨現澆段與T構部分連成整體。在升溫作用下，邊跨會發生膨脹，但此時中墩臨時支撐尚未拆除，梁體在軸線方向上會與現澆模板發生摩擦。摩擦力通過剛性支撐傳遞。只要剛性支撐所提供的內力與摩擦力相同，即可保證合龍段混凝土不會發生壓縮形變。合龍段剛性支撐斷面圖見圖2，剛性支撐梁橫斷面大樣見圖3。

圖2 合龍段剛性支撐斷面圖（單位：cm）

圖3 剛性支撐梁橫斷面大樣（單位：mm）

邊跨現澆直線段模板與混凝土之間的摩擦系數為0.15，邊跨現澆直線段總重為4 872 kN（487.2 t），取1.3 倍安全系數，則邊跨合龍段剛性支撐所受軸向力為950 kN。設計中每個合龍段采用4 個2 [40 熱軋勁型槽鋼組成的支撐骨架，則每個剛性支撐壓應力為20.6 MPa，小于現場槽鋼的屈服強度215 MPa，滿足要求。

4.3 中跨臨時鎖定力計算

中跨合龍時，剛性支撐所受壓力主要是活動支座發生形變所產生的支座摩阻力。此時，摩擦系數為0.03，活動支座側梁體總重為73 396 kN（7 339.6 t），取1.3 倍安全系數，則中跨合龍段剛性支撐所受軸向力為2 862.4 kN。設計中每個合龍段采用4 個2 [40 熱軋勁型槽鋼組成的支撐骨架，則每個剛性支撐壓應力為62.0 MPa，小于現場槽鋼的屈服強度215 MPa，滿足要求。

4.4 臨時預應力鋼束張拉值計算

合龍時，臨時張拉位于頂、底板兩側靠近腹板位置的2 根頂板及2 根底板縱向預應力鋼束，利用鋼束產生的牽引力來抵消兩側梁體因降溫收縮所產生的拉力，保護混凝土不被拉裂。

邊跨合龍段剛性支撐所受軸向力為950 kN，故每束鋼絞線張拉至950/4=237.5 kN 即可。

中跨合龍段剛性支撐所受軸向力為2 862.4 kN，故每束鋼絞線張拉至2 862.4/4=715.6 kN 即可。

5 施工要點

1）波形鋼腹板采用拴接和焊接組合方式連接（見圖4）。鋼腹板上預留有螺栓孔洞，施工時先用螺栓將其臨時定位，然后，再采用雙面搭接貼角焊固定。

圖4 鋼腹板及上、下翼緣板連接處細部圖（單位：mm）

2）合龍段鋼腹板分2 次安裝，先對其一端進行固定焊接，另一端只進行簡單定位。待頂、底板鋼筋綁扎、波紋管鋪設等完成后，調整兩懸臂端平衡配重，使其變形相等，然后選擇溫度最低的時間段進行剛性支撐的焊接鎖定。焊接工作全部完成后，需進行焊縫質量檢查以及合龍段兩側標高復測。結果滿足JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術》規范要求后，方可將鋼腹板另一端固定。

3）剛性支撐的焊接拼裝和臨時預應力鋼束的張拉必須按照設計要求進行施工。剛性支撐鎖定氣溫應以焊接前7 d 內最低氣溫的平均值為準，并且要對稱、均衡、同步焊接鎖定。在剛性支撐焊接鎖定之前，應完成鋼束穿孔、千斤頂吊裝到位等各項準備工作，以縮短整體鎖定時間。剛性支撐焊接鎖定完畢后，應盡快完成對靠近腹板位置的2 根頂板及2 根底板縱向預應力鋼束的臨時張拉。張拉完成之后，應立即解除邊支座或主墩約束，使梁體能夠在鎖定連接下沿支座自由伸縮。

4）本橋波形鋼腹板與頂板采用Twin-PBL 鍵+栓釘混合連接，與底板采用埋置角鋼連接，且均設有貫通鋼筋（見圖5）。施工中應注意保證這些抗剪部件的施工質量，并做好波形鋼腹板與混凝土頂底板連接處的防水，以確保箱梁能形成1 個整體，鋼腹板與頂、底板能夠有效傳力。

圖5 波形鋼腹板與箱梁頂、底板連接示意圖

5）頂、底板混凝土澆筑之前以及澆筑過程中，應對連接件進行檢查。如若連接件的位置發生偏移，應及時進行糾正。連接件周邊鋼筋多為受力部件，且數量較多，澆筑混凝土時應對其充分振搗，以防脫空。

6）施工過程中，由于所用材料、施工工藝以及耗費時間等與設計采用值有一定的偏差，橋梁線形和截面應力會因此產生些許變化，監控單位應準確記錄整理并及時反饋監控結果，認真分析研判橋梁所處狀態，為現場施工提供指導。

6 成橋后監控結果

本橋成橋后，監控單位對全橋觀測點進行了聯測，得出以下結論[3]：

1）本橋梁體標高實測值與設計模型計算值存在偏差，最大差值為25.7 mm，最小差值為0.3 mm。上述差值均小于規范規定的±L/500=±30.4 mm（L 為跨徑），滿足要求。

2）本橋梁體關鍵截面應力實測值與設計模型計算值存在偏差，最大差值為0.96 MPa，最小差值為0.16 MPa。截面實測最大壓應力值為11.01 MPa，小于JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》規定的0.5fck=17.75 MPa（fck為混凝土軸心抗壓強度標準值），且全橋測點未出現拉應力，滿足要求。

3）本橋成橋后箱梁線形狀況和應力狀態接近理論數值，整體狀態良好。

7 結語

本文針對變截面波形鋼腹板連續箱梁的結構特點，結合工程實例，詳細介紹了合龍段施工順序和工藝流程；依據理論研究和條件假定，進行了控制性參數的計算；列舉了施工要點，特別強調了臨時鎖定和波形鋼腹板連接；通過對監控結果的分析，驗證了上述合龍方案設計及施工的合理性和可行性。為變截面波形鋼腹板連續箱梁的設計與施工提供了寶貴經驗。