廣州繞城公路波形鋼腹板組合箱梁橋設(shè)計與施工方案研究

■盧紹鴻

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，廣州　510507）

廣州繞城公路波形鋼腹板組合箱梁橋設(shè)計與施工方案研究

■盧紹鴻

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，廣州510507）

本文以廣州繞城公路魚窩頭互通立交B匝道橋為例，詳細(xì)介紹三跨波形鋼腹板組合箱梁橋設(shè)計要點，以及利用鋼腹板先行架設(shè)、頂板預(yù)制、取消體外索、角鋼連接等特點的施工方案。該橋型主要針對上跨橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工，具有明顯的優(yōu)越性，可供山區(qū)、城市高架橋梁設(shè)計與施工借鑒參考。

波形鋼腹板組合箱梁橋設(shè)計與施工

1　工程概況

國道主干線廣州繞城公路中的南環(huán)段也叫南二環(huán)高速公路，其中魚窩頭互通立交B匝道橋采用（35+50+35）m跨徑波形鋼腹板組合箱梁橋。該橋跨越南沙大道，橋下交通繁忙，施工方案在國內(nèi)首次采用先行架設(shè)波形鋼腹板，吊模澆筑底板，預(yù)制吊裝頂板，解決了橋下施工凈空不足和避免影響交通問題。橋梁位于R=110m圓曲線上，為國內(nèi)同類橋梁最小半徑。設(shè)計中取消了體外索，簡化結(jié)構(gòu)構(gòu)造。鋼腹板與頂板連接在國內(nèi)該類橋梁中首次采用角鋼連接。本橋為廣東省交通廳《利用折形鋼腹板先行架設(shè)組合箱梁橋設(shè)計方法研究》科研項目（編號：2007-18）的依托工程，為波形鋼腹板橋的設(shè)計與施工方案提供參考。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2.1總體設(shè)計

橋梁跨徑組合（35+50+35）m，平曲線半徑R=110m，支座采用盆式橡膠支座?？傮w布置圖見圖1。

圖1　主橋總體布置

主梁主要由混凝土頂?shù)装搴筒ㄕ垆摳拱褰M成。采用單箱單室，橋面寬10.3m，箱梁中心高2.65m，橋面設(shè)6%橫坡，頂板厚28cm，底板厚25cm，采用C60砼，橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖2。

圖2　主梁橫斷面（單位：cm）

2.2波形鋼腹板

波形鋼腹板鋼梁整體上由波形鋼腹板、上下翼緣板、剪力鍵組成。

波形鋼腹板采用1600型（見圖3），通過調(diào)節(jié)直線段長度實現(xiàn)內(nèi)外腹板弧線差。鋼腹板采用模壓冷彎加工，彎曲加工半徑R=240mm。在工廠每3片鋼腹板采用對接焊成4.8m左右的鋼腹板，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，鋼腹板間采用四個螺栓臨時連接，再進(jìn)行貼角焊。鋼腹板厚度在支座附近為16mm，其余段厚度12mm。

圖3　鋼腹板標(biāo)準(zhǔn)段（單位：cm）

2.3預(yù)制頂板

波形鋼腹板預(yù)制頂板寬 10.3m橫橋向支點處厚0.416m，跨中厚0.28m，懸臂端部厚15cm。

預(yù)制頂板中心縱橋向長度3.2m，吊裝重28t。預(yù)制板間濕接縫長度0.8m，在鋼腹板上緣設(shè)縱向現(xiàn)澆砼預(yù)留槽，槽寬0.44m。預(yù)制板先預(yù)制并存放6個月的時間，以減少由于混凝土收縮徐變造成的綴余內(nèi)力。預(yù)制混凝土橋面板吊裝就位后采用C60無收縮微膨脹砼澆筑濕接縫，砼中摻橋隧專用抗裂純纖維，純纖維摻量為0.9kg/m3。橋面板橫向預(yù)應(yīng)力采用2Φs15.2mm鋼絞線，間距0.7m。

2.4橫隔板

本橋平曲線半徑為110m，彎橋效應(yīng)較為突出，且折形鋼腹板的面內(nèi)撓曲剛度同上、下混凝土板相比小得多，必須設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的橫隔板，以限制箱梁的扭轉(zhuǎn)及畸變。箱梁橫隔板設(shè)置的原則一般是限制畸變翹曲正應(yīng)力與恒載和活載產(chǎn)生的正應(yīng)力比值在10%以內(nèi)。本橋采用七個箱內(nèi)橫隔板設(shè)置方案進(jìn)行分析對比，七個方案中跨箱內(nèi)隔板分別設(shè)置2～11道，邊跨箱內(nèi)隔板分布設(shè)置1～7道，邊中跨橫隔板數(shù)對應(yīng)關(guān)系見表1中的道數(shù)。方案一橫隔板布置見圖4、圖5。

圖4　方案一邊跨橫隔板布置圖（單位：cm）

圖5　方案一1/2中跨橫隔板布置圖（單位：cm）

采用ANSYS分析軟件進(jìn)行分析，分析模型見圖6，分析結(jié)果見表1。

圖6　分析模型

表1　橫隔板設(shè)置方案對比表

橫隔板設(shè)置方案一到四的比值均小于10%，方案五內(nèi)側(cè)的比值約為10%，結(jié)合預(yù)制頂板的分塊，確定采用中跨布置5道跨間橫隔板、邊跨布置3道跨間橫隔板（即方案四）。

中支點橫隔板厚1.5cm，邊支點橫梁厚1.2cm，其余跨間橫隔板厚30cm。橫隔板間距約8m。

2.5連接構(gòu)造

鋼腹板梁上翼緣板寬600mm，厚16mm，采用角鋼連接鍵與預(yù)制混凝土頂板連接（見圖7和圖8）。

角鋼連接鍵采用L200×16型角鋼，角鋼長0.34m，與上翼緣鋼板焊接。角鋼縱向布置中心間距25cm。每塊角鋼設(shè)設(shè)2個直徑6cm的鋼筋孔，以穿過預(yù)留槽內(nèi)縱向鋼筋。

圖7　頂板連接示意圖

圖8　角鋼連接示意圖

下翼緣板寬400mm，厚16mm，采用雙PBL鍵與砼底板連接（見圖8）。PBL鍵高0.15m，離焊接位置7cm處留有直徑6cm的鋼筋孔。

組合箱梁縱向在支座附近設(shè)波形鋼腹板現(xiàn)澆內(nèi)襯混凝土，以保證腹板剪力能有效傳遞至橋墩，并可防止波形鋼板屈曲，內(nèi)襯混凝土與波形鋼腹板通過焊釘剪力鍵連接。

波形鋼腹板與端橫隔板通過嵌入式連接、開口板及剪力鍵連接。中隔板通過焊釘剪力鍵連接。

現(xiàn)場波形鋼腹板縱向連接在架設(shè)波形鋼腹板時為防止鋼板搭接位置尺寸出現(xiàn)偏差，在鋼板搭接位置中心設(shè)置臨時固定用高強(qiáng)螺栓，待鋼板定位后擰緊，并對鋼板采用搭接貼角角焊縫連接，臨時固定用高強(qiáng)螺栓無需拆除。

3　施工方案

3.1施工工序

本橋跨越南沙大道城市快速路，橋下車流量大，受立交匝道縱坡制約，梁底到路面凈高僅5.7m，為減少對南沙大道的影響，施工工序為：（1）邊跨及中跨墩側(cè)9m范圍采用支架整體現(xiàn)澆；（2）中跨32m范圍先在地面拼裝鋼腹板及鋼橫撐，形成框架整體吊裝；（3）利用扁擔(dān)梁吊模澆筑底板砼；（4）采用150T吊機(jī)吊裝預(yù)制橋面板；（5）澆筑濕接縫，完成橋梁主體施工。

圖9　施工方案示意圖

波折鋼腹板采用先行架設(shè)，利用其剛度吊?，F(xiàn)澆混凝土底板，再吊裝預(yù)制混凝土橋面板，實現(xiàn)少支架施工是本橋的特點，下面重點介紹工序2～4。

3.2中跨鋼腹板施工

波形腹板節(jié)段工廠制作，并在工廠進(jìn)行小段預(yù)拼，在施工現(xiàn)場以橫鋼撐連接，形成框架（見圖10）。

圖10　鋼橫撐布置圖

中跨跨中位置設(shè)置臨時支撐。中間先行架設(shè)段要求在地面拼裝完一次吊裝，按預(yù)設(shè)拱度調(diào)整，完成合攏，簡支變連續(xù)（見圖11）。

圖11　臨時支撐圖

3.3中跨底板吊模施工

以波形鋼腹板為工作平臺，利用鋼扁擔(dān)梁吊置底板模板，中跨砼底板現(xiàn)澆，澆筑完中跨砼底板后拆除中跨支架，待底板砼達(dá)到90%強(qiáng)度且7天齡期后張拉底板通長鋼束（見圖12）。

圖12　中跨底板吊模施工

3.4中跨頂板預(yù)制吊裝

吊裝預(yù)制砼頂板，吊裝就位后旋緊螺帽同時監(jiān)測上翼緣板邊緣撓度變化，撓度為零后停止旋緊螺帽實現(xiàn)型鋼支撐預(yù)緊，然后澆筑頂板預(yù)留槽砼，待砼齡期7d且強(qiáng)度達(dá)90%后張拉橫向預(yù)應(yīng)力筋，拆除預(yù)制吊裝用的鋼扁擔(dān)梁和螺桿。張拉相應(yīng)跨中底板鋼束（見圖13）。

圖13　頂板預(yù)制吊裝施工

4　動靜載試驗結(jié)果

本橋于2013年建成，并通過動靜載試驗檢驗。本橋?qū)ΨQ豎彎理論自振頻率為2.931Hz，實測自振頻率分別為3.049Hz；反對稱豎彎的理論自振頻率為4.662Hz，實測自振頻率為4.999Hz。實測值與理論值均非常接近，且均大于理論值。該橋在動載試驗（行車試驗和制動試驗）過程中，動力特性及動力響應(yīng)正常，阻尼系數(shù)正常。實測沖擊系數(shù)（1+μ）在1.064～1.347之間，沖擊系數(shù)均值為 1.145，略小于理論計算的沖擊系數(shù) 1.178，試驗表明該橋的實際豎向剛度大于理論計算剛度，整體性好，未見開裂狀態(tài)。

5　小結(jié)

本次研究，有以下幾個特點：

（1）施工方案在國內(nèi)首次采用先行架設(shè)波形鋼腹板，利用鋼腹板自身剛度吊模澆筑混凝土底板，再預(yù)制吊裝混凝土頂板的施工方法，解決了橋下施工凈空不足和影響交通問題。為該類橋梁中小跨提供一種新的施工方式。

（2）橋梁曲線半徑僅110m，為國內(nèi)外同類橋梁最小半徑。通過參數(shù)分析優(yōu)化橫隔板的設(shè)置，其分析結(jié)論可供類似曲線梁橋提供參考。

（3）波折鋼腹板橋一般采用體內(nèi)索和體外索相結(jié)合的布索方案，依托橋梁曲率半徑僅110m，體外預(yù)應(yīng)力形式構(gòu)造復(fù)雜，本次研究取消了體外索，采用體內(nèi)束布置形式，簡化了構(gòu)造。

（4）配合預(yù)制橋面板的施工方法，上翼板采用開孔角鋼連接件，與預(yù)制混凝土頂板橫向鋼筋，交錯布置，避免了連接件與預(yù)制橋面板鋼筋沖突。

［1］劉玉擎.組合結(jié)構(gòu)橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2005.

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［3］陳宜言，王用中.波形腹板預(yù)應(yīng)力混凝土橋設(shè)計與施工.北京：人民交通出版社，2009.

表4　I．G．Buckle方法抗震性能評估結(jié)果

橋梁震害預(yù)測的方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，是橋梁震害預(yù)測定性分析最重要的方法之一。本次主要是參照I.G. Buckle方法，選擇場地、結(jié)構(gòu)、地震動、抗震設(shè)防等4大類12個因素作為橋梁抗震性能總體評估定性分析考慮因素，通過簡要的計算對橋梁做定性抗震性能評估。

總體上來看，廈門BRT橋梁滿足當(dāng)前的抗震設(shè)計要求，因此部分彎橋的抗震性能偏低，在7度地震作用下發(fā)生輕微破壞。因此建議對不滿足要求的這部分非規(guī)則橋梁需要加固以達(dá)到現(xiàn)行的抗震規(guī)范的要求。

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