節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板箱梁橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

馬增

摘要 南京長(zhǎng)江五橋北引橋首次將節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)應(yīng)用于波形鋼腹板組合箱梁橋的設(shè)計(jì)與建造中，充分利用了節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)高效環(huán)保、波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)橋梁力學(xué)性能優(yōu)等優(yōu)勢(shì)，提升了橋梁的工業(yè)化建造水平。以南京五橋跨堤橋?yàn)楸尘埃偨Y(jié)節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板組合箱梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵要點(diǎn)，為同類(lèi)型項(xiàng)目提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞 節(jié)段預(yù)制拼裝;波形鋼腹板;工業(yè)化建造;設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào) TU398.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）07-0163-03

0 引言

基于波形鋼腹板組合橋梁優(yōu)異的受力性能和良好的景觀效應(yīng)，國(guó)內(nèi)已成功建成多座該類(lèi)橋梁。波形鋼腹板組合橋梁在設(shè)計(jì)、建造等方面也取得了豐碩成果，近年來(lái)，橋梁施工開(kāi)始向工廠化、裝配化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，利用節(jié)段預(yù)制拼裝技術(shù)，將波形鋼腹板組合箱梁進(jìn)行縱向分塊，現(xiàn)場(chǎng)快速拼裝的工藝，有利于實(shí)現(xiàn)波形鋼腹板組合箱梁工業(yè)化建造[1]。

1 項(xiàng)目概況

南京長(zhǎng)江五橋北引橋中的跨堤橋、跨立新路橋以及跨豐子河路橋?yàn)椴ㄐ武摳拱暹B續(xù)箱梁橋。跨堤橋跨越浦口側(cè)長(zhǎng)江大堤，為適應(yīng)橋梁主線與長(zhǎng)江大堤及濱江大道的斜交，跨堤橋兩側(cè)邊跨錯(cuò)墩布置，左幅橋跨為41+78+45 m，右幅為45+78+41 m，總長(zhǎng)164 m。綜合考慮濱江環(huán)境的適應(yīng)性和工程規(guī)模等建設(shè)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(jié)段預(yù)制拼裝施工工藝。該文以跨堤橋?yàn)楸尘埃偨Y(jié)節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板組合箱梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵要點(diǎn)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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?？绲虡蛟谥卸斩枕斘恢迷O(shè)置縱向E型耗能裝置。主梁標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)頂板寬18.65 m，設(shè)置三道波形鋼腹板。

根部設(shè)置3 m厚橫隔，端部設(shè)置2.2 m厚端橫隔，兼具支承和縱向體外束錨固。橋跨內(nèi)于體外索轉(zhuǎn)向處設(shè)置鋼筋混凝土轉(zhuǎn)向塊，轉(zhuǎn)向塊采用倒T形，頂部厚50 cm，底部加寬至120 cm，轉(zhuǎn)向塊與節(jié)段整體預(yù)制。

與現(xiàn)澆波形鋼腹板箱梁相比，預(yù)制拼裝箱梁的理念是節(jié)段化設(shè)計(jì)，如何有效地化整為零，進(jìn)行可靠地吊裝組拼。須系統(tǒng)研究節(jié)段劃分原則，連接構(gòu)造，節(jié)段預(yù)制、吊運(yùn)、匹配過(guò)程的受力控制等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2.1 節(jié)段劃分

對(duì)于節(jié)段劃分，主要考慮如下幾點(diǎn)：

（1）為實(shí)現(xiàn)節(jié)段預(yù)制過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化，波形鋼腹板箱梁的節(jié)段劃分須充分考慮混凝土頂?shù)装寮安ㄐ武摳拱宀ㄐ螛?gòu)造相關(guān)性，同時(shí)應(yīng)考慮轉(zhuǎn)向塊、預(yù)應(yīng)力齒塊，端部梁段等設(shè)置。

（2）節(jié)段劃分長(zhǎng)度主要取決于節(jié)段重量，應(yīng)盡可能使節(jié)段重量均勻。

（3）節(jié)段長(zhǎng)度宜取為波形鋼腹板波長(zhǎng)的整數(shù)倍以使接縫設(shè)在波形鋼腹板的平板段上。

根據(jù)構(gòu)造及施工架設(shè)需要，南京五橋跨堤橋全橋共劃分為19種預(yù)制節(jié)段。其中墩頂0#梁段為現(xiàn)澆節(jié)段，長(zhǎng)度為3 m。1#～14#節(jié)段為變高梁段，長(zhǎng)度分別為1.5 m、2.4 m及3.2 m。15#梁段為跨中合龍段，長(zhǎng)度為3.2 m。16#～19#梁段均為邊跨端部梁段，長(zhǎng)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(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板組合箱梁抗剪連接件設(shè)計(jì)

波形鋼腹板與頂?shù)装宓目辜暨B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(jìn)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(gòu)造滿足鋼混連接的受力需求?？紤]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(duì)于混凝土底板連接，埋入式連接件構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，且連接傳力部分全部埋入混凝土中，結(jié)合部處的防腐更易處理[2]。

從連接件的構(gòu)造特點(diǎn)及節(jié)段預(yù)制拼裝施工適用性方面，對(duì)四種典型抗剪連接件進(jìn)行比較，并根據(jù)短線匹配預(yù)制工藝特點(diǎn)進(jìn)行推薦，如表1。

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

2.3 節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板組合箱梁節(jié)段連接設(shè)計(jì)

波形鋼腹板節(jié)段間鋼腹板連接可以分為對(duì)接焊縫連接、貼角焊縫連接、高強(qiáng)螺栓連接，具體的連接形式和構(gòu)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(xiàng)目波形鋼腹板采用對(duì)接焊連接方式，較傳統(tǒng)方式的搭接焊及栓接連接方式有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用熔透對(duì)接焊縫，強(qiáng)度不低于母材的強(qiáng)度，焊縫受力均勻，抗疲勞性好，且可通過(guò)超聲波等無(wú)損方式檢測(cè)焊接質(zhì)量。

（2）熔透對(duì)接焊縫僅一條對(duì)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(diǎn)。

（3）采用拼接板栓接方式連接，波形腹板需增加制孔，對(duì)栓接面進(jìn)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(xiàn)場(chǎng)高強(qiáng)螺栓施工需初擰、復(fù)擰、終擰，施工工序多、時(shí)間長(zhǎng)，與熔透對(duì)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(duì)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(duì)接焊縫具有施工便捷，節(jié)約鋼材、焊材、螺栓用量，減少工廠內(nèi)制造及工地連接的用工量，工效快等諸多優(yōu)點(diǎn)，整體經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

該項(xiàng)目推薦采用對(duì)接焊。為實(shí)現(xiàn)精確的對(duì)接焊連接，必須確保整體預(yù)拼后，梁段不發(fā)生較大的變形，其中控制的重點(diǎn)在于波形鋼腹板的根部變形須控制在1.5 mm以內(nèi)，這就要求整個(gè)施工過(guò)程梁段不發(fā)生畸變變形。為保證對(duì)接焊質(zhì)量，相鄰腹板焊縫間隙不應(yīng)大于8 mm，在頂、底板過(guò)焊孔附近采用包焊。

混凝土頂、底板節(jié)段連接采用齒鍵膠拼，頂、底板齒鍵是節(jié)段匹配定位的關(guān)鍵，同時(shí)提供接縫間的抗剪受力，在翼緣處應(yīng)設(shè)置必要的齒鍵，防止節(jié)段間橫向變形引起的錯(cuò)臺(tái)。施工過(guò)程在混凝土頂?shù)装逶O(shè)置臨時(shí)拉桿，頂板設(shè)置了四對(duì)臨時(shí)拉桿，底板設(shè)置了兩對(duì)拉桿，以保證節(jié)段懸臂拼裝階段接縫的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。

3 基于施工期箱梁節(jié)段變形控制的設(shè)計(jì)

波形鋼腹板組合箱梁節(jié)段施工期變形控制是實(shí)現(xiàn)梁段間精確拼裝的關(guān)鍵設(shè)計(jì)過(guò)程，需重點(diǎn)研究以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：

（1）梁段匹配過(guò)程變形控制：在梁段匹配、澆筑頂板混凝土?xí)r，新澆混凝土?xí)o匹配梁段頂板一個(gè)縱向壓力，該縱向壓力可能導(dǎo)致匹配梁段變形，影響新澆梁段的幾何形狀，預(yù)制過(guò)程中應(yīng)確保縱向變形不大于1 mm。

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

（3）箱梁扭轉(zhuǎn)和畸變變形控制：波形鋼腹板節(jié)段箱梁吊裝、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中，鋼腹板支撐的混凝土頂板結(jié)構(gòu)，在傾斜、振動(dòng)等工況下，容易產(chǎn)生水平力，形成節(jié)段箱梁扭轉(zhuǎn)和畸變的誘因，在鋼腹板和混凝土頂?shù)装褰Y(jié)合位置容易產(chǎn)生開(kāi)裂，降低結(jié)構(gòu)的使用性能。

為提高運(yùn)輸及吊裝等施工過(guò)程中端口抗扭轉(zhuǎn)性能，在節(jié)段兩側(cè)端口設(shè)置臨時(shí)拉索或剛性支撐。節(jié)段在運(yùn)輸和吊裝過(guò)程中，水平力作用可按下式驗(yàn)算臨時(shí)支撐：

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

式中：Fh——箱口臨時(shí)支撐驗(yàn)算水平力;

Gt——混凝土頂板重;

Gb——混凝土底板重;

i——運(yùn)輸?shù)缆凡焕v坡，可按9°取。

該項(xiàng)目在箱梁內(nèi)設(shè)置兩對(duì)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(guò)支撐系統(tǒng)，使混凝土頂?shù)装鍣M向變形差在驗(yàn)算水平力作用下控制在1.5 mm以內(nèi)。支撐結(jié)構(gòu)與混凝土頂?shù)装暹B接位置應(yīng)提前設(shè)置預(yù)埋件，并采用螺栓等措施連接支撐桿，防止對(duì)頂?shù)装寤炷廉a(chǎn)生局部破壞。

4 節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板組合箱梁建造精度控制技術(shù)

節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板組合箱梁的精度控制是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速拼裝的重要因素。通過(guò)波形鋼腹板工廠制造長(zhǎng)線預(yù)拼，獲得波形鋼腹板的節(jié)段匹配關(guān)系，并利用匹配件進(jìn)行定位。在節(jié)段梁短線預(yù)制過(guò)程采用精度控制技術(shù)還原工廠制造線形，預(yù)制完成混凝土頂?shù)装澹瓿晒?jié)段箱體預(yù)制。利用混凝土頂?shù)装妪X鍵匹配拼裝，將混凝土結(jié)構(gòu)安裝精度統(tǒng)一至鋼結(jié)構(gòu)的控制精度，實(shí)現(xiàn)了橋梁建造的全過(guò)程高精度控制。橋位節(jié)段混凝土頂?shù)装迤囱b到位后，張拉節(jié)段縱向預(yù)應(yīng)力，施工鋼腹板對(duì)接焊縫，再施工前一節(jié)段頂板橫向預(yù)應(yīng)力，精確分析控制施工過(guò)程節(jié)段受力和變形。

與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆波形鋼腹板組合箱梁相比，節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板箱梁減少了現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)力投入，每個(gè)節(jié)段的施工周期縮短至1天，全橋縮短工期約3個(gè)月，顯著減少了工程投資。相較與預(yù)制拼裝混凝土箱梁，輕量的鋼腹板可減輕梁重約20%，對(duì)于梁段起吊設(shè)備要求有所降低，有利于增加節(jié)段長(zhǎng)度，提高施工速度，更加適用于復(fù)雜環(huán)境的梁段架設(shè)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)節(jié)段預(yù)制拼裝建造技術(shù)的應(yīng)用，提升了工程建設(shè)的現(xiàn)代化水平。節(jié)段預(yù)制拼裝波形鋼腹板組合箱梁橋在跨線橋梁、環(huán)保要求高等地區(qū)的中大跨度橋梁的設(shè)計(jì)建設(shè)中有較大的優(yōu)勢(shì)，有利于實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的橋梁建設(shè)，為同類(lèi)型項(xiàng)目提供參考借鑒。

參考文獻(xiàn)

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