大跨度波形钢腹板PC箱梁桥异步施工技术

夏绍见

(中国中铁七局集团第一工程有限公司，河南 洛阳 471000)

波形钢腹板箱梁桥作为一种新型的钢-混凝土组合结构，其显著的特点是采用厚度为10～30 mm的波形钢板取代厚度为30～80 cm的混凝土腹板[1]，使箱梁自重减轻10%～25%，恒载内力减少，充分利用了混凝土抗压、波形钢腹板抗剪、屈服强度高的优点，有效的将钢、混凝土两种材料结合起来，扬长避短，提高了材料的使用效率，是一种经济、合理、高效的结构形式组合结构桥梁，具有自重轻、抗震性能好、施工便捷、经济美观等优点[2-4]。

目前波形钢腹板组合箱梁桥常采用的施工方法主要有满堂支架、悬臂施工、顶推法等，其中以挂篮悬臂施工法居多，同时基于波形钢腹板桥的异步施工工艺也在逐步被创新和完善。异步施工利用钢腹板作为承重构件，可实现3个节段工序同时施工，大大缩短了施工周期[5-7]。

针对地理位置复杂的大跨度桥梁，塔吊性能无法满足钢腹板节段的吊重，异步施工技术工效快，又能解决吊装难题，目前国内在该方面研究较少。本文以在建桥梁为研究对象，基于波形钢腹板异步施工工法，通过在异步挂篮上增设吊装桁架的改进，进行自吊式异步挂篮关键技术与工效的分析，为同类型桥梁施工提供参考。

1 工程概况

国道207是河南省焦作至温县的一条运输和旅游交通要道，线路两次上跨南水北调大桥，跨越干渠处设计为(80+140+80)m波形钢腹板PC预应力组合箱梁桥，全桥纵断面如图1所示。桥梁分幅设计，单幅采用单箱单室直腹板变高箱型截面，主梁断面如图2所示。箱梁顶、底板采用C55混凝土，钢腹板采用Q345D钢材，主墩墩顶处梁高8.5 m，高跨比1/16.47，每幅箱梁顶板宽12.24 m，底板宽6.5 m，梁高和底板厚均按2次抛物线变化，混凝土顶板与波形钢腹板采用双PBL键连接，混凝土底板与波形钢腹板采用单PBL键+栓钉连接。主桥纵向预应力采用体内与体外相结合的体系。

图1 南水北调桥纵断面

图2 主梁断面图(单位：cm)

2 异步施工工法的选用

波形钢腹板桥梁悬臂施工，一般选用传统菱形挂篮和三角挂篮。常规挂篮悬臂浇筑施工局限于单个工作面，顶、底板钢筋的绑扎以及安装存在工作面交叉，施工时先浇筑底板、再浇筑同节段顶板，如图3所示。

图3 常规后支挂篮悬浇施工

大桥主跨140 m，为缩短施工周期，提高施工效率，对大桥采用异步施工新型浇筑方法。异步施工采用钢腹板进行挂篮主桁的承重，将施工节段分为n-1节段顶板施工节段，n节段底板施工节段，n+1钢腹板安装节段，如图4所示，3个作业面同时施工，互不干扰。为解决上跨干渠的钢腹板吊装的难题，在异步挂篮上设计了起吊桁架，以达到施工安全、工效快的目的。

图4 异步悬浇施工

3 吊装式异步挂篮的设计

3.1 承重主桁部分设计

异步挂篮较传统挂篮有所不同，其主桁系统重心较低，利用箱梁悬挑的钢腹板进行承重。挂篮由承重主桁、导向系统、行走机构、悬吊系统、模板系统、防护工作平台等部分组成，如图5～图7所示。该挂篮自重较轻，自重仅约27.5 t(不含模板系统)。

挂篮支腿设置在钢腹板上翼缘双PBL键内，挂篮行走方便，不需要进行轨道锚固，行走时采用钢销铰接锚固在钢腹板的∅60 mm开孔钢板内提供反力，利用液压油缸推动挂篮支腿前移，往复几次，直到挂篮就位，既能确保挂篮行走的安全，又能避免传统挂篮的梁顶轨道及锚固预留孔洞。

3.2 起吊系统设计

图5 异步挂篮主体部分(单位：mm)

图6 承重主桁 图7 行走系统

为实现异步挂篮的吊装功能，在异步挂篮上增设吊装桁架，吊车配合将波形钢腹板吊装至桥面，采用简易运输小车运输至吊装范围。根据钢腹板的尺寸以及旋转角度，确定吊装桁架的宽度以及高度，如图8所示。钢腹板节段划分的最大重量4.3 t，选用配备吊装小车(5 t+5 t)，先三点式抬吊水平运输，再翻转垂直、调整对位。此项设计，一是为了省去了大型塔吊的费用，二是自吊式便于施工、降低了安全风险。

图8 异步挂篮上配置吊装桁架

3.3 左右幅连体式设计

本桥分左右双幅，常规挂篮因横梁宽度问题，施工时左右幅需要错开2～3个节段，本次对挂篮结构进行了优化，考虑左右双幅同步施工，采用连体挂篮，挂篮之间对横梁采用法兰连接的形式，挂篮行走采用智能液压系统遥控操作，左右双幅同步前移，既能确保行走的位移准确，又能使挂篮在中跨合拢之后能顺利的解体后退，如图9所示。整个施工过程提升了悬臂的施工工效，可节省工期约1.5个月。

图9 左右幅整体式异步挂篮结构设计

4 关键施工技术

本桥边跨共18个节段，如图10所示。其中0#、1#块和边跨17#、18#段采用支架现浇，16#段为合拢段，其余均为挂篮悬浇段，总体施工顺序为：0#块→悬臂段→边跨直线段→边跨合拢段→中跨合拢段。

4.1 0#段施工

0#块和1#块同时施工，长度8.8 m，中心高度8.5 m，采用盘扣支架施工，采用体内临时固结的体系，通过对最不利工况的选择和不平衡弯矩的计算，在每个墩顶设置两个C40临时支墩，每个支墩内埋入38根∅32 mm精轧螺纹钢进行锚固设计。1#段钢腹板提前预埋，首块钢腹板定位精度极其重要，将直接影响后续钢腹板的准确就位。

4.2 挂篮安装与行走

0#块和1#块浇筑并预应力张拉完成后，安装2#块与3#块钢腹板，利用钢腹板作为支撑体系安装挂篮与起吊系统，挂篮前后支点支撑在钢腹板上翼缘板的双PBL键凹槽内，槽内设置四氟滑板，减小摩擦便于迁移。

图10 桥跨节段划分示意图(单位：mm)

桥梁左右双幅的挂篮通过连接板及法兰进行整体式连接。为了确保整体式挂篮的行走精度，优化了常规的机械顶升前进，可增设液压控制系统，一个泵站可控制双幅T构的4套挂篮，遥控操作，位移准确。

4.3 悬臂端钢腹板运输及安装定位

钢腹板从桥面由运输小车运送至挂篮尾部，利用挂篮上增设的起吊桁架起升吊装，利用钢腹板上翼缘PBL键的开孔作为吊点，三点式吊装，一个电动葫芦悬挂钢腹板顶部2个吊点，另一个葫芦悬挂钢腹板底部1个吊点，先水平运输，移动到位后，底部缓慢下放，变为垂直吊装，由另一侧吊装葫芦受力，逐步调整对位。

4.4 悬臂施工过程应力分布

根据本文异步施工工法，悬臂施工过程中最大悬臂状态及成桥状态结构应力分布如图11和图12所示，其最大应力分别为16.4 MPa和16.6 MPa，小于设计要求22.4 MPa,施工过程中结构处于安全状态。

图11 最大悬臂状态主梁应力图

图12 成桥状态主梁应力图

5 异步吊装式施工的优越性

钢腹板异步挂篮上增设起吊桁架以及左右双幅的整体式挂篮设计，自重轻、重心低、施工周期短且节省了大型塔吊设备的费用，与传统钢腹板悬臂施工工艺相比，在设备优化、施工工效、安全性能以及经济效益上有着显著的提高。

5.1 提升安全性能

传统菱形挂篮重心高，约7～8 m，自重大，单个挂篮重量约60 t，需要与梁体多点锚固，前移慢，安全性较差。异步挂篮自重较轻，单个重量约为27.5 t，挂篮高2 m，高出梁面约1.3 m，重心低，安全性好，且利用钢腹板承重，无须与梁体后锚。

5.2 优化设备、节约费用

大跨度桥梁施工，常规挂篮需要租赁大型塔吊或采用汽车吊配合节段钢腹板吊装，本桥主跨140 m上跨南水北调干渠，施工周期长且地域受限，大型塔吊进场及月租费用较高，工期越长越不经济。传统挂篮悬臂施工与吊装式异步挂篮的吊装设备经济性分析如表1所示。通过在异步挂篮上设计起吊桁架，实现异步挂篮的自吊功能，既满足钢腹板的灵活吊装和快速精确空间对位要求，同时经济性良好，可节约费用106万元。

表1 两种工法吊装设备经济性对比

5.3 提升施工工效

(1)利用钢腹板承重，异步施工将梁面分为3个作业面平行施工，挂篮行走方便，且钢腹板的安装不占用工期。异步法与传统挂篮悬臂浇筑施工工效对比如表2所示。与传统挂篮相比，一个悬浇节段施工周期可提前约2 d，南水北调全桥可节约30 d。

表2 两种工法施工工效对比

(2)对于分左右双幅的桥梁，一般会错开2～3个节段，避免挂篮行走的冲突。本次对左右双幅的挂篮进行整体式设计，双幅桥梁同步前移施工，提升了全桥的施工工效，可节省工期约1.5个月。

6 结束语

本文以国道207项目上跨南水北调大桥实际工程为依托，介绍了波形钢腹板PC组合箱梁桥的异步施工方法，采用异步挂篮和起吊桁架的优化结合、桥梁左右双幅挂篮的整体式设计，使施工效率得到进一步的提高，安全性得到更可靠的保证，同时也使施工成本投入更加经济。