波腹板组合结构桥梁节段预制拼装关键技术

张鸿，张永涛，王敏

（中交第二航务工程局有限公司，长大桥梁建设施工交通行业重点实验室，湖北　武汉　430040）

波腹板组合结构桥梁节段预制拼装关键技术

张鸿，张永涛，王敏*

（中交第二航务工程局有限公司，长大桥梁建设施工交通行业重点实验室，湖北武汉430040）

采用节段预制拼装工艺的波腹板组合结构桥梁是一种新型组合结构，混凝土腹板由波腹板替换后，增加了波形钢腹板的定位、连接工序，为此针对波腹板节段梁预制及安装环节中影响施工工效的关键因素展开研究，以适应工厂化制造及机械化安装的特点。同时，针对该新型结构，展开缩尺模型试验验证其结构性能，试验结果表明，正常使用阶段节段预制拼装波腹板梁桥结构性能与整体现浇工艺差别不大，可满足工程应用。

节段预制；波腹板；组合结构；施工工艺

0　引言

预制装配化的桥梁施工技术，能有效控制工程质量，加快施工速度，减少现场污染，具有高效、低碳、环保的特点，国内在混凝土箱梁短节段预制拼装领域全面实现了国产化，且已初步形成了一定规模[1]。但节段预制拼装混凝土箱梁本质上还是混凝土结构，自重大、预应力效率不高、腹板易开裂、抗震性能差等混凝土桥梁的通病仍不能避免。考虑用薄的波形钢腹板替代几十厘米厚的混凝土腹板，充分利用顶底板混凝土抗压、波形钢腹板抗剪的特点，显著提高整体结构的抗剪、抗震性能，同时减少混凝土用量，可降低自重及综合造价，而波形钢腹板的加工更适应工厂化生产的概念，因此，节段预制拼装波腹板梁桥应用前景将更为广阔，与常规预制拼装混凝土桥梁相比，在经济性、耐久性、节能方面具有更大的优势[2]。

1　施工关键技术

1.1短节段预制安装工艺及难点分析

波腹板箱梁节段（结构形式见图1）采用短线匹配法预制，浇筑时，待浇梁段一端设固定端模，另一端则为已浇筑好的前一梁段端面，以形成匹配接缝来确保相邻块体拼接精度，当后一梁段浇筑完成并初步养生、拆模后，前一节段即运走存放，而把新浇梁段转移到其位置上作为匹配梁段，循环预制完成各跨箱梁节段。具体工艺流程如下:

步骤一:波腹板加工与制造。

步骤二:钢筋笼制作。

步骤三:箱梁短线法预制。

1）将匹配梁段调整到位；2）安装待浇梁段外侧模，并将各模板相互固定；3）将钢筋笼或组件吊入钢模；4）调整波腹板位置；5）以普通螺栓临时连接波腹板，确定梁段间相对关系；6）移近内模，将其与匹配梁段及固定端模之间顶紧；7）浇筑梁段顶底板。

步骤四:梁段吊运存放。

图1　波腹板节段梁示意图Fig.1　Precast segmental box girders with corrugated steel webs

预制好的节段一般采用架桥机或桥面吊机进行安装，节段桥梁的分段长度可根据结构的受力要求及施工机具灵活划分。根据梁段拼装工艺的不同，可以分为平衡悬臂拼装法和逐跨拼装法两种方法。

与普通混凝土节段梁相比，波腹板箱梁桥节段预制减少了侧模及腹板钢筋捆扎、预应力管道的安装，增加了钢腹板的定位与安装工序，波腹板的安装定位精度要求高，这就对传统的节段预制模板系统提出了新的要求。此外，波腹板节段梁顶底板钢筋笼绑扎好后吊装入模，但波腹板与顶底板钢筋笼的连接若采用常规的埋入式或PBL连接件都需在模板内部人工操作连接钢筋，将会大大降低预制工效，有必要开发一种高效的连接件以满足流水线生产的要求。而波腹板节段梁拼接时，在接缝处混凝土顶底板采用常规剪力齿键+预应力工艺，波腹板则一般采用焊接或栓接，高强螺栓连接有利于提高工效，减少现场工作强度，更适合装配化施工的理念，但因为波腹板面外刚度较小，运输架设过程中易产生翘曲等误差，而现场调整措施有限，如何保证接缝位置波腹板的顺利连接是安装阶段的一个重点工作[3]。

为解决以上问题，需要在现有混凝土节段梁施工技术的基础上开发专用模板设备，研发新型剪力连接件及波腹板梁节段间接缝的连接工艺。

1.2模板系统

波纹钢腹板桥梁结构与普通预应力混凝土桥梁结构最大的不同在于腹板，波纹钢腹板在浇筑混凝土、振捣混凝土的过程中需要强度足够的固定，以保证成型后的精度。波腹板的精确定位应作为模板设计的一个主要功能，考虑图2所示保留侧模，在波腹板与侧模之间沿梁高方向设置多道纵向通长波形支撑（与波腹板波形匹配，紧密贴合），内部通过可伸缩式的内模支架横梁，液压控制协同调整顶底板混凝土和波腹板的空间位置，确保波腹板的精确定位及混凝土的外形尺寸。

图2　波纹钢腹板梁短线预制模板系统Fig.2　The short-line pre-cast formwork of corrugated steel webs

1.3适宜工厂化生产的剪力连接件

为提高工效形成工厂化流水作业，节段预制梁的钢筋笼一般并行施工绑扎，最后整体吊装入模再浇筑混凝土。波腹板梁因其腹板为工厂制造好的波形钢腹板，与事先吊装入模的顶底板钢筋笼连接时，若采用常规的由较多的板件和短钢筋（构造筋）组成的埋入式或翼缘式连接件，极有可能与钢筋笼内的钢筋发生冲突，放置钢筋笼时可能会造成钢筋及波纹钢腹板的偏位，甚至无法兼容，此外，为保证波腹板与顶底板连接的可靠性，还需要在模板内人工插入构造连接筋，大大降低施工效率[4]。

为此，设计一种新型的带开孔钢板的剪力连接件，如图3所示，兼顾埋入式及翼缘式连接件的优点，结构简单，适于梁段工厂化预制。竖直板体无需增加普通钢筋贯穿工序，且能最大程度减少复杂连接件与钢筋笼所发生的位置冲突；同时，在设计中也方便考虑竖直板体开口的大小、间距等参数，而延伸部的设计可在一定程度上帮助钢筋保持所处位置不偏移，可实现钢筋笼与波纹钢腹板的快速组拼；翼缘板体在混凝土浇筑过程中可兼做顶板混凝土的底模。该新型剪力连接件的力学原理在于混凝土浇筑后，在图示开孔钢板阴影范围内形成的混凝土销承担剪力，开孔直径及间距由抗剪计算确定，等效于普通埋入式或PBL剪力连接件的抗剪承载力。

图3　新型剪力连接件示意Fig.3　New shear connectors

1.4拼装线形控制及接缝连接

节段梁拼装误差调整措施有限，一般仅能通过垫片修正局部线形，且所加垫片一般不宜超过5 mm，过大会导致预应力管道间形成间隙，影响体内束钢绞线耐久性。常规混凝土腹板节段梁通过顶板预埋测钉结合预制阶段采集数据来控制节点梁安装时的空间姿态，两两匹配预制的波腹板节段梁若不需要采取垫片调整时，接缝连接难度不大，但若因施工误差导致当前节段需要调整量较大时，波腹板的连接就会成为制约工效的主要因素[5]。

考虑短线匹配预制工艺，波腹板间连接形式推荐采用普通螺栓临时连接后贴角焊接或高强螺栓拼接板连接，连接形式、优缺点比较及适应性评价见表1。

表1　波腹板节段间的连接形式Table 1　Connection type between corrugated steel web segments

考虑能否吸收施工误差，波腹板节段间的连接通常采用普通螺栓+贴角焊接，其次为高强螺栓连接。如采用贴角焊接，受限于作业空间（环境），箱室内空间小，箱室外需搭设作业平台，焊接质量的保证是关键；如采用高强螺栓连接，则对波腹板安装定位精度提出更高要求，否则现场扩孔或开孔等，势必影响施工质量及施工效率。

2　波腹板节段梁模型试验

作为一种新型组合结构，节段预制拼装波腹板梁桥的整体受力性能还未有人开展研究。为了推广这种极具生命力且符合桥梁工业化发展方向的新型结构，项目组做了6组模型梁对比节段预制与整体现浇波腹板梁的受力性能。

2.1试验模型设计

1）试验以我国公路桥梁三车道常用的单箱单室截面、跨度为40~60 m、桥宽16 m的等截面简支结构为原型进行1∶10的缩尺比例设计。

2）试验参数包括:成型工艺、体内体外混合配束比例、接缝数量、剪跨比、钢混连接形式及节段波腹板连接形式等。

3）试验梁简支布置:梁总长500 cm，计算跨径为470 cm。截面形式为单箱单室，箱梁高350 mm。箱梁沿纵向设置2道转向块以及2道端横梁。

考虑节段拼装成形工艺，对试验梁进行节段划分，共计6个梁段，节段梁长类型分别为50 cm和80 cm。此外，还在节段拼装试件箱梁顶底板中各设置1个剪力键齿，试验梁构造如图4所示，图5为模型梁连接构造实图，表2为模型梁试件类型。

图4　模型梁构造示意Fig.4　Construction of model beam

图5　连接构造实图Fig.5　Photos of connection construction

2.2试验结果与分析

对比不同试件，总结如下。

1）所有试验梁在对称荷载作用下，均出现典型的弯曲裂缝；波腹板未出现屈曲现象，最终破坏形态为底板严重开裂或是局部崩落。

2）整体式梁裂缝分布在纯弯段，特征细而密；节段式梁裂缝数量较少但宽度大，集中分布于加载点与相距最近接缝间（或主要为接缝处）；节段式梁在开裂后，荷载增加不大而位移增加很快，即破坏发展过程很快。试验梁裂缝及破坏形态见图6。

图6　试验模型梁破坏形态Fig.6　Destruction modes of test model beam

图7为各试件荷载-跨中位移曲线，表3列出了相同荷载所对应的跨中位移值（考虑试件间材料差异进行了修正）。可以看出:1）弹性阶段最大荷载:整体梁大于节段梁；翼缘式连接节段梁大于埋入式连接节段梁；混合配束节段梁大于全体外节段梁；2）除全体外配束节段梁J-02外，其余节段梁与整体梁具备同等刚度（弹性阶段），整体梁与节段梁开裂前，挠度随荷载增加的趋势基本一致，节段梁开裂后挠度增长大于整体梁，普通钢筋在接缝处断开，削弱了结构的刚度，使其在相同荷载作用下的挠度比整体梁大[6]；3）整体梁的极限荷载明显大于节段梁，本试验中前者大于后者约65%，体内连续普通钢筋对整体施工梁极限承载力的贡献不少。从荷载位移曲线后半段看，整体梁与翼缘式连接节段梁曲线斜率大，随荷载增加曲线斜率逐渐减小，说明破坏发展过程较平缓，试验梁具备很好的延性；其余节段梁曲线斜率较小（尤其是全体外配束节段梁曲线近乎为水平线），说明荷载增加不大而位移增加很快，即破坏发展过程很快。在试件强度方面，整体式梁优于翼缘式连接节段梁，而翼缘式连接节段梁又优于埋入式节段梁；全体外配束节段梁较之混合配束节段梁显著降低[7]。

图7　不同试件跨中荷载-位移曲线Fig.7　Mid-span load-displacement curves of differentsamples

表3　跨中弯矩87.5 kN·m（弹性阶段尾部）时不同试件跨中位移值Table 3　Displacement values in the mid-span under 87.5 kN·m moment(tail of elastic stage)

3　结论及展望

1）节段预制拼装波腹板组合结构适应工厂化制作、装配化施工的理念，节能环保，工效高，且能降低自重及综合造价，是一种极具竞争力的新型桥梁结构。

2）通过对装备、新型连接件、预制及安装工艺等施工关键技术的研究，形成了一套切实可行的施工工艺。

3）通过模型试验对其力学性能展开研究，在弹性阶段，节段梁与整体梁具备同等刚度，能满足正常使用受力要求。

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Key technology of segmental prefabrication and assembly for composite bridge with corrugated steel webs

ZHANG Hong,ZHANG Yong-tao,WANG Min*
（CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Key Laboratory of Construction of Long Span and Major Bridges of Ministry of Transport,Wuhan,Hubei 430040,China）

The composite bridge with corrugated steel webs,which adopted the technology of segmental prefabrication and assembly,is a new composite structure.Since concrete webs replaced by corrugated steel webs,the positioning and connecting process of corrugated steel webs is added.we studied on the key factors influencing the construction efficiency during the segmental prefabrication and assembly for corrugated steel webs in order to adapt the characteristics of the factory manufacture and the mechanical installation.At the same time,we carried out a scale model test to verify the structural performance.The results show that the precast segmental box girders with corrugated steel webs has the same properties with the in-situ structures during normal use,it can meet the engineering application.

segmental precast;corrugated steel web;composite structure;construction technology

U448.218

A

2095-7874（2016）02-0024-06

10.7640/zggwjs201602006

2015-09-24

2015-10-24

交通运输部应用基础研究项目资助（201431949A230）

张鸿（1962— ），男，湖北武汉市人，博士，教授级高工，总工程师，道路与桥梁工程专业。

王敏，E-mail:4713810@qq.com