大跨径波形钢腹板组合梁桥异步施工技术研究

祝丰平，金光雷，邓文琴，*，刘 朵，张建东,

(1. 宁波市鄞州区交通投资有限公司，宁波 330200； 2. 南京工业大学土木工程学院，南京 211800；3. 苏交科集团股份有限公司，南京 211112)

波形钢腹板PC组合箱梁桥是近年来迅速发展的一种新型钢-混凝土组合结构桥型，其主要特点是用波形钢腹板代替传统混凝土腹板，与后者相比，可以大幅降低大跨度梁式桥上部结构的自重，而且跨度越大降低越明显，从而达到大幅度减小桥梁结构恒载的目的。另外利用波形钢腹板承受剪力，可避免传统混凝土腹板常见的开裂问题，且波形钢腹板存在褶皱效应，可降低顶、底板混凝土收缩徐变的影响，另外还具有材料利用充分、施工方便、现场工期短以及造型美观等优点，该结构是今后中大跨径桥梁中一种富有竞争力的结构形式[1-4]。随着波形钢腹板组合梁桥的设计理论与方法、制造技术以及施工工艺的日益成熟，与其他形式的桥梁相比，这一轻盈的桥型结构将在更大跨径构造范围内具有更强竞争力[5-6]。

随着该类桥型设计技术和施工工艺经验的不断积累，我国目前已建成两百多座波形钢腹板组合桥梁，其中跨径100 m以上桥梁大多采用常规悬臂浇筑施工工艺。然而随着桥梁跨径和桥面宽度的增加，常规悬臂浇筑施工易造成挂篮体积大、吨位重、行走安全风险大以及垂直作业面施工效率低等问题，严重影响波形钢腹板组合桥梁在超大跨径方向的应用发展。由于波形钢腹板自身刚度较强，采用波形钢腹板作为施工期间承重构件正逐渐得到推广[7-11]。与常规悬臂施工相比，挂篮简化为简易的作业平台，重量减轻52%，高度降低90%以上，稳定性好、行走安全，施工作业面由1个增加至4个，施工工期缩短30%，且无垂直工作面，降低安全隐患，产生显著的经济效益。因此本文着重探讨这种施工方法的主要技术特点，为该类新型施工工艺的推广应用提供参考。

1 波形钢腹板异步施工与传统悬臂施工工艺对比

1.1 施工作业平面

波形钢腹板PC组合箱梁桥采用的常规悬臂施工方法与传统PC混凝土梁桥所采用的方法一样，在同一断面上进行模板、钢筋、混凝土顶底板浇筑、预应力张拉及波形钢腹板安装工序，各工序之间容易相互干扰，施工作业空间受限从而影响施工效率，施工工期比较长、经济效益较差。此外传统悬臂施工客观上难以做到顶底板绝对的同步浇筑，一般是底板先浇筑完成，随后浇筑顶板，顶、底板浇筑存在几个小时甚至更长的时间差。底板浇筑时的荷载增加造成挂篮桁架的初始挠度，而顶板浇筑形成挂篮桁架的二次挠度，此时底板钢混凝土尚未达到塑性强度，加之底板混凝土厚度较大，顶、底板浇筑引起的挠度差容易造成底板脱模从而产生局部纵向开裂问题。

与传统的悬臂施工方法相比，将波形钢腹板工字梁作为施工期主要承重构件，将节段顶板、底板和腹板错开施工，施工作业面由1个增加至3个，即N-1节段顶板混凝土浇筑、N节段底板浇筑、N+1节段波形钢腹板吊装同时进行，在保证质量和安全的前提下，简化挂篮构造，减少挂篮用钢量。不仅作业空间大、行走巧妙，而且消除了上下重叠施工的安全隐患。施工作业面示意如图1所示。

以浙江省宁波市奉化江大桥为例，对比分析了传统悬臂施工与快速异步施工的工期，采用异步施工每节段可缩短施工工期约1/3。奉化江大桥施工工期对比如表1所示。

表1 奉化江大桥施工工期对比 (d)

1.2 挂篮构造

对于大跨径波形钢腹板组合梁桥而言，常规菱形挂篮施工主要存在以下弊端。

(1) 挂篮自重较重、用钢量较大、制作成本较高并且对结构受力不利。

(2) 传统菱形挂篮结构复杂，施工过程中挂篮变形难以控制，且由于挂篮较高，施工安全隐患较大。

(3) 波形钢腹板起吊桁车梁位于菱形架顶部水平梁上，导致起吊空间受挂篮高度限制，起吊难度增大，影响施工工期和工序配合。

(4) 为保证挂篮悬臂结构的稳定性，须设置复杂的后锚固系统，后锚固点要求较高。后锚不稳会导致挂篮失稳或底模形成错台、裂缝等质量通病。

波形钢腹板自承式异步浇筑施工挂篮优点如下。

(1) 波形钢腹板自承式异步施工挂篮结构形式简化，挂篮自重较传统菱形挂篮减轻，节省钢材。

(2) 与常规悬臂施工方法相比，波形钢腹板作为挂篮的主承重梁，提高了材料使用效率。

(3) 挂篮结构体系由悬臂变为简支，不需要复杂的后锚固系统，自身即可保持平衡，施工更加安全。

(4)以波形钢腹板顶板开孔钢板为行走轨道，行走系统简洁，整体稳定系数大，现场拼装工艺简单，挂篮高度低、抗倾覆性强。

1.3 受力性能

传统悬臂浇筑法施工时，施工荷载由挂篮传递至前一已浇筑节段上，波形钢腹板不承受荷载，而采用异步施工时，波形钢腹板是作为施工荷载主承重结构，承担挂篮及各类施工荷载，提高施工效率的同时又充分发挥材料利用率。

2 波形钢腹板自承重异步施工技术

2.1 施工工序

波形钢腹板箱梁桥节段悬臂浇筑施工步骤为：①挂篮移动到N节段，并对上下翼缘板和开孔板断缝进行临时焊接，同时模板就位；②绑扎N节段底板和N-1节段顶板钢筋，吊装N+1节段波形钢腹板；③同时浇筑N-1节段顶板混凝土和N节段底板混凝土；④待N-1节段顶板混凝土强度达到要求后，张拉顶板预应力筋；⑤挂篮前移，进行下一循环。波形钢腹板自承重异步施工流程如图2所示。

2.2 施工期梁体线形

采用波形钢腹板自承重异步施工时，N+1节段为波形钢腹板工字钢，N节段为波形钢腹板和混凝土底板组成的U形组合梁，N-1节段为闭口波形钢腹板组合箱梁，即同时施工的3个工作面结构刚度不一致。在悬臂施工荷载作用下，由于梁体刚度差异会造成各节段挠度变形不平滑。因此采用波形钢腹板异步施工时，波形钢腹板预拱度设置及施工期线形控制应考虑各节段由于刚度变形引起的挠度差异，以确保施工期线形合理。

2.3 临时横撑

波形钢腹板自承重异步施工期，波形钢腹板工字钢作为开口截面承受施工荷载，由于波形钢腹板刚度较小，施工期偏心荷载容易引起波形钢腹板侧向变形。因此须在波形钢腹板之间设置临时刚性支撑，提高波形钢腹板的侧向稳定性。为探明临时刚性支撑对异步施工期波形钢腹板组合梁稳定性的影响，建立异步施工期精细化实体有限元模型，考察刚性临时横撑数为0、1和2时结构的稳定性，一阶弹性稳定系数如表2所示，临时支撑对结构屈曲荷载的影响如图3所示。由表2可知，没有临时刚性支撑时结构一阶弹性稳定系数为4.8，外侧腹板发生失稳；在悬臂端增加一道临时刚性支撑，稳定性系数提高到1.31倍；在N+1节段波形钢腹板前后两端分别增加一道临时刚性支撑时，其一阶弹性稳定系数增加到1.77倍，波形钢腹板整体稳定。由此可知，在承载相邻腹板之间设置临时刚性支撑可有效提升施工期波形钢腹板的稳定性和整体性，建议在N+1波形钢腹板承重节段前后两端均设置临时刚性支撑，临时横撑建议采用桁架式体系，方便重复使用。

表2 一阶弹性稳定系数

3 工程实例

3.1 工程概况

浙江省宁波市奉化江大桥是三跨连续波形钢腹板组合梁桥，其跨径布置为100 m+160 m+100 m，主梁为单箱三室截面，桥宽为23.55 m，中支点梁高为9.5 m，跨中梁高为4.2 m。波形钢腹板采用1600型，腹板厚度为14～30 mm。波形钢腹板与混凝土顶板采用双开孔钢板连接件，便于异步施工挂篮行走系统安装及定位，与混凝土底板采用角钢连接件。主梁上部结构混凝土采用C60混凝土，钢结构采用Q345钢，该桥上部结构采用波形钢腹板自承重快速异步浇筑施工。奉化江大桥桥型布置如图4所示。

3.2 施工流程

采用异步浇筑施工，挂篮主要支撑在波形钢腹板上，包含主承载框架、前下横梁、后下横梁、底模及其支撑系统、顶模及其支撑系统及作业平台，奉化江大桥挂篮系统如图5所示。

奉化江大桥施工分为典型断面施工和非典型断面施工，其中0#、1#和2#节段为非典型节段，3#～16#节段为典型节段。

非典型节段施工流程为：①0#和1#块张拉完成后，对称拆除0#和1#块支架模板；②安装2#钢腹板并进行焊接；③钢腹板安装完成后，利用钢腹板自承重能力，在钢腹板上进行挂篮上下横梁底模板体系的安装；④浇筑2#块底板钢筋混凝土；⑤安装3#块钢腹板并焊接；⑥挂篮前移，进行典型断面施工。

典型断面施工流程为：①挂篮移动到N节段，安装N节段底模；②同时绑扎N-1节段顶板及N节段底板钢筋；③同步浇筑N-1节段顶板及N节段底板混凝土，并同时吊装N+1节段钢腹板；④同时张拉N-1节段纵向预应力钢束和N-2节段顶板横向预应力钢束；⑤循环步骤①～步骤④。

3.3 施工期力学性能分析

奉化江大桥5#节段腹板高度及底板厚度数值均较大，且内衬混凝土结束，腹板承受剪力可能最大，因此采用有限元分析软件建立施工期实体有限元模型，选取5#施工阶段进行结构力学性能分析，主要参数包含主梁变形、混凝土顶底板应力及波形钢腹板应力等。

3.3.1 主梁变形

5#阶段主梁变形云图如图6所示，在4#顶板浇筑后，主梁单元位移量主要集中为-0.80～0.98 mm，上翘单元约60%，最大上翘量为0.98 mm；在5#阶段施工完成即4#顶板张拉后，主梁位移有所上浮，上翘单元比例增加了近30%，且上翘主要集中在悬臂端混凝土和腹板上，说明顶板张拉对主桥位移影响较大，监控过程中应着重关注张拉前后主桥线形变化。

3.3.2 混凝土顶、底板应力

4#顶板拉、压应力云图如图7所示。4#顶板主拉应力约95%在2 MPa之内，在悬臂自由端预应力筋锚固处存在应力集中，主拉应力较大，超出2.5 MPa，建议加强顶板悬臂端部上下表面防裂钢筋布置。4#顶板主拉应力约65%在-1.87～7.78 MPa范围内，在预应力筋锚固处主压应力集中，峰值达到31 MPa，小于C60混凝土抗压强度标准值，在规范允许范围内。

5#底板拉、压应力云图如图8所示。5#底板主拉应力约90%不足0.3 MPa，在中间箱室波形钢腹板和底板混凝土接触的位置出现应力集中，主拉应力峰值不到1 MPa。5#底板主压应力约80%在-0.33～-0.02 MPa之间，在波形钢腹板和底板接触面悬臂端存在压应力集中，但最大约为0.65 MPa，数值较小，满足规范要求。

3.3.3 波形钢腹板等效应力

5#波形钢腹板等效应力云图如图9所示。等效应力主要集中在1.88～16 MPa范围内，在挂篮后锚位置存在应力集中，最大值达到48 MPa，在波形钢腹板屈服强度范围内。

奉化江大桥采用异步浇筑施工时，施工期各结构均处于安全状态，满足施工期受力要求。

4 结论

探讨波形钢腹板自承重快速异步施工工艺技术特点，并将其施工特点与传统挂篮悬臂施工特点进行对比分析。以奉化江大桥为例，介绍其具体施工流程并分析施工期间结构力学性能，为同类结构施工提供技术借鉴。主要结论如下。

(1) 波形钢腹板自承重异步施工挂篮结构形式简化，可减轻挂篮自重、节省钢材，且将节段顶、底板错开施工，工作面增加到3个，缩短施工工期，与传统悬臂施工相比可降低施工总体造价，具有良好的经济效益。

(2) 由于波形钢腹板横向刚度较弱，单片波形钢腹板作为承重主体侧向稳定性较差，施工时应在N+1节段波形钢腹板上下两端设置临时刚性支撑，防止施工期间波形钢腹板发生侧向失稳。