橫向拼裝波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁關(guān)鍵技術(shù)

李華強(qiáng)

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 鄭州市 450052)

0 引言

長(zhǎng)期以來，我國(guó)公路中、小型橋梁主導(dǎo)橋型為預(yù)應(yīng)力混凝土橋，由于設(shè)計(jì)理念、施工質(zhì)量控制和車輛超載等原因，預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋普遍存在混凝土腹板開裂、梁體混凝土開裂導(dǎo)致跨中撓度增大等病害，給橋梁安全運(yùn)營(yíng)帶來隱患。由于混凝土的大量使用，對(duì)自然環(huán)境也造成破壞。

鋼—混組合結(jié)構(gòu)橋梁可以發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料的各自優(yōu)勢(shì)，通過工廠化制造，標(biāo)準(zhǔn)化施工，因而具有結(jié)構(gòu)受力的合理性與工程質(zhì)量的可靠性。據(jù)法國(guó)1990～1993年所建橋梁上部結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，公路組合結(jié)構(gòu)橋梁在跨徑30～110m范圍內(nèi)最有競(jìng)爭(zhēng)力，在60～80m跨徑范圍內(nèi)占有率達(dá)85%，有明顯優(yōu)勢(shì)；在工程造價(jià)上，40～80m跨徑范圍內(nèi)，鋼-混組合梁比混凝土梁更經(jīng)濟(jì)。

波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋(以下簡(jiǎn)稱波形鋼腹板PC箱梁橋)，其構(gòu)造見圖1，作為一種新型的鋼—混組合結(jié)構(gòu)橋梁，采用10～30mm厚的波形鋼板取代30～80cm厚的混凝土腹板。與傳統(tǒng)混凝土箱梁相比，波形鋼腹板PC箱梁自重減輕15%～25%[1]。波形鋼腹板在縱向由于褶皺效應(yīng)，其縱向抗拉壓剛度小，波形鋼腹板不承受軸向力，軸向力由混凝土頂板、底板承擔(dān)，波形鋼腹板承擔(dān)剪力。

波形鋼腹板PC箱梁橋憑借其優(yōu)越的力學(xué)性能，近年來在我國(guó)也得到推廣應(yīng)用，目前已有20多座波形鋼腹板PC箱梁橋建成通車。由于主要采用支架現(xiàn)澆、懸臂現(xiàn)澆等方法施工，沒有做到工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化和無(wú)支架施工，制約了波形鋼腹板PC箱梁橋推廣應(yīng)用。

圖1 波形鋼腹板PC箱梁

1 橫向拼裝波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)構(gòu)思

為實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)的目的，我們研發(fā)出一種無(wú)支架施工的波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁，并取得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)(ZL 2011 1 0085548.7)。該方法采用了將波形鋼腹板PC大截面箱梁先“化整為零”，再“化零為整”施工的設(shè)計(jì)構(gòu)思。即：先預(yù)制波形鋼腹板PC工字梁，再橫向拼裝組合形成箱梁。

施工流程：工廠化預(yù)制波形鋼腹板PC工字梁→安裝預(yù)制波形鋼腹板PC工字梁→澆筑工字梁頂板、底板橫向濕接縫合成箱梁→澆筑各跨間墩頂橫梁→張拉墩頂負(fù)彎矩鋼束或體外索形成連續(xù)箱梁，詳見圖2。

30～50m中等跨徑橫向拼裝波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁由于采用無(wú)支架施工，和30～50m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、T梁一樣，能夠標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、規(guī)?；┕?，顯著提高了波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁的施工質(zhì)量、施工進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)性。

圖2 無(wú)支架橫行拼裝波形鋼腹板PC組合箱梁施工流程圖

2 橫向拼裝波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 截面設(shè)計(jì)

以單幅橋?qū)?2.75m為例介紹波形鋼腹板PC組合箱梁。箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖見圖3。

預(yù)制工字梁按照30m、40m、50m三種常用跨徑設(shè)計(jì)?？鐝叫∮?0m，梁高較矮，腹板所占比例較小，不是波形鋼腹板PC組合箱梁橋的經(jīng)濟(jì)跨徑。目前我國(guó)公路單車道寬度按3.75m設(shè)計(jì)，公路運(yùn)輸最大重量小于150t，利用多輪運(yùn)輸是比較常見的。為體現(xiàn)工廠化預(yù)制、批量生產(chǎn)且方便快速施工的理念，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)以30m、40m、50m三種跨徑為主。3種跨徑預(yù)制工字梁梁高分別為1.85m、2.5m、3m，中梁最大寬度均為1.5m，邊梁最大寬度為2.8m。邊、中梁之間頂板濕接縫寬度為1.7m，底板濕接縫寬度為2.08m，中梁兩箱之間頂板濕接縫寬度為1.65m。工字梁外形尺寸均在我國(guó)公路運(yùn)輸限界范圍內(nèi)，在凈空不受影響的地區(qū)，可適當(dāng)增大梁高。如波形鋼腹板高度增加1.2倍，在混凝土數(shù)量基本不增加的情況下，箱梁截面抗彎強(qiáng)度可提高近2倍，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)更加突出。

圖3 橫向拼裝波形鋼腹板PC組合箱梁斷面布置圖

2.2 波形鋼腹板設(shè)計(jì)

波形鋼腹板的形狀尺寸是按照剪切屈服前不發(fā)生剪切屈曲、極限荷載作用時(shí)不發(fā)生剪切屈曲兩個(gè)條件設(shè)計(jì)的，同時(shí)考慮橋梁橫向剛度等綜合因素，30m、40m、50m波形鋼腹板均采用1200型，板厚采用10mm，見圖4。

圖4 波形鋼腹板構(gòu)造圖

2.3 橫梁、橫隔板設(shè)計(jì)

工字梁的端橫梁不僅能起到橫向擴(kuò)散荷載的作用，還起到保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及傳遞預(yù)應(yīng)力荷載的作用。30m跨徑端橫梁厚度設(shè)計(jì)為0.8m，40m、50m跨徑為1.0m。中橫梁厚度需滿足設(shè)置臨時(shí)支座要求，預(yù)制段厚度均為0.6m。30m跨徑現(xiàn)澆段為0.5m，40m、50m跨徑為0.8m。共設(shè)置3道橫隔板，每道橫隔板厚20cm。橫隔板增加了工字梁施工中的抗失穩(wěn)能力和抗扭剛度。配置體外索時(shí)，箱梁橫隔板同時(shí)起到轉(zhuǎn)向塊的作用。

2.4 預(yù)應(yīng)力體系

波形鋼腹板PC工字梁可采用先張法和后張法兩種預(yù)應(yīng)力體系。各跨簡(jiǎn)支波形鋼腹板PC組合箱梁墩頂中橫梁澆筑完成后，墩頂負(fù)彎矩可采用墩頂負(fù)彎矩鋼束或張拉體外索的方法形成連續(xù)箱梁。墩頂鋼束布置見圖5、圖6。

圖5 體外預(yù)應(yīng)力和墩頂負(fù)彎矩立面布置圖

圖6 體外預(yù)應(yīng)力和墩頂負(fù)彎矩?cái)嗝娌贾脠D

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，30m、40m梁墩頂負(fù)彎矩相對(duì)較小，經(jīng)計(jì)算，只需設(shè)置墩頂負(fù)彎矩束就能滿足受力要求。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中30m、40m采用先張預(yù)制工字梁加墩頂負(fù)彎矩束的方式，經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。墩頂負(fù)彎矩束采用5Φs15.2，采用單端張拉，錨具采用BM15-5。

50m梁墩頂負(fù)彎矩加大，且二期鋪裝及濕接縫荷載產(chǎn)生的彎矩，先張預(yù)應(yīng)力難以滿足要求，從而采用體外索的方式。由于體外索在墩頂橫梁位置形成交叉錨固體系，為墩頂截面提供了較大的抵抗彎矩。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中50m梁采用先張預(yù)制工字梁加體外索的方式，體外索采用OVM.S6-15Φs15.2成品索。

3 橫向拼裝波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新技術(shù)

波形鋼腹板與箱梁混凝土頂板之間連接采用了一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)[3]。其構(gòu)造特點(diǎn)是在波形鋼腹板頂部開孔，在開孔上部沿波形鋼板的兩側(cè)縱向各焊接一根或多根結(jié)合鋼筋，于波形鋼板與混凝土頂板的結(jié)合面位置，在波形鋼板兩側(cè)沿縱向各焊接一塊與波形鋼板凹凸相補(bǔ)、緊密貼合的水平向翼緣板，在翼緣板上焊有多個(gè)豎立的焊釘，將翼緣板以上的連接構(gòu)造伸入與之相連的混凝土頂板內(nèi)，把混凝土頂板內(nèi)的橫向鋼筋穿過波形鋼板上的開孔，然后澆注鋼筋混凝土頂板的混凝土。

這種波形鋼腹板混合型連接件充分發(fā)揮了嵌入式抗剪連接件施工便利和翼緣型抗剪連接件剛度大的優(yōu)點(diǎn)，能有效傳遞連接部位鋼材和混凝土這兩種材料之間發(fā)生的水平剪力，具有抗剪強(qiáng)度高，連接部位的強(qiáng)度、剛度及耐久性較好，結(jié)合部整體性好，節(jié)省鋼材，便于施工的特點(diǎn)，特別適合于中等跨徑波形鋼腹板箱梁的頂板連接件。該連接件，比采用雙PBL連接件能節(jié)省30%的鋼材。翼緣板同時(shí)可兼用作混凝土頂板澆注模板，解決了頂板混凝土澆注漏漿和混凝土剝落問題。

圖7 波形鋼腹板與混凝土新型連接結(jié)構(gòu)圖

4 技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 技術(shù)比較

與鋼板箱梁橋比較：波形鋼腹板的抗剪承載力大概是加肋平鋼板的2倍；橫向剛度加大，無(wú)須縱向、橫向加肋，故腹板折算厚度較?。灰虿ㄐ武摳拱宀怀惺茴A(yù)應(yīng)力，故頂?shù)装孱A(yù)應(yīng)力效率高；混凝土收縮、徐變效應(yīng)降低，混凝土頂?shù)装迨湛s徐變、溫度效應(yīng)對(duì)腹板影響很??；腹板加工、安裝更方便，腹板的三維韌性便利了施工，減少了幾何缺陷的敏感性。

波形鋼腹板通常采用Q345鋼，其抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度為180MPa，大約是素混凝土抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100倍。波形鋼腹板的應(yīng)用，可以解決混凝土箱梁腹板開裂及跨中下?lián)系葐栴}。

4.2 經(jīng)濟(jì)比較

波形鋼腹PC箱梁最突出的特點(diǎn)是約占箱梁重量的20%～30%的混凝土腹板被輕量化了。箱梁自重減輕了15%～25%左右，箱梁自重的減輕最直接的效益是減少了上部構(gòu)造自重內(nèi)力，從而減少了上部構(gòu)造混凝土、鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼筋的用量，其造價(jià)降低約8%～12%。箱梁自重減輕另一效益是下部基礎(chǔ)工程量的減少。由于30m跨徑PC小箱梁斷面尺寸較小，30m跨徑橫向拼裝波形鋼腹板PC箱梁的材料用量指標(biāo)超過30m跨徑 PC小箱梁，但結(jié)構(gòu)剛度等力學(xué)指標(biāo)和使用性能優(yōu)于30m跨徑PC小箱梁；40m、50m跨徑橫向拼裝波形鋼腹板PC箱梁與40m、50m跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土T梁相比，不僅力學(xué)和使用性能占優(yōu)，材料用量指標(biāo)也占明顯優(yōu)勢(shì)?？鐝?0m以上，橫向拼裝波形鋼腹板PC箱梁的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)將更加顯著。

5 結(jié)論

波形鋼腹板PC箱梁充分利用了混凝土抗壓，波形鋼腹板抗剪屈服強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、合理、高效、環(huán)保的橋梁結(jié)構(gòu)形式。橫向拼裝波形鋼腹板PC連續(xù)箱梁通過采用標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化預(yù)制，無(wú)支架施工，更有利于保證工程質(zhì)量，加快施工進(jìn)度，降低工程造價(jià)，不僅在公路橋梁上，在對(duì)景觀和道路保通要求較高的城市立交橋上也有廣闊的推廣應(yīng)用前景。設(shè)計(jì)的創(chuàng)新型連接件，同時(shí)可兼用作混凝土頂板澆注模板，解決了頂板混凝土澆注漏漿和混凝土剝落問題。可為類似工程提供借鑒。