波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)在橋梁中的應(yīng)用研究

項(xiàng)偉康

（杭州市交通工程集團(tuán)有限公司，杭州 310000）

1 引言

波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)屬于新型鋼混組合結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的施工技術(shù)相比，該技術(shù)有效解決了混凝土腹板收縮、自重大以及箱梁腹板厚度大的問題，在耐久性、穩(wěn)定性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，為順應(yīng)未來橋梁工程項(xiàng)目的施工要求，應(yīng)掌握波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)的施工手段與質(zhì)量控制方法，爭(zhēng)取有效杜絕施工質(zhì)量問題。

2 工程項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本課題的背景工程伊朗北部高速公路BR-06號(hào)特大橋位于伊朗德黑蘭北部山區(qū)塔隆河谷與桑干河谷交匯處上游，橋梁按上、下行分幅布置，單幅橋面寬度為13.1 m，跨徑布置為83 m+153 m+83 m。1號(hào)、2號(hào)墩身均為空心薄壁箱形墩；1號(hào)墩及橋臺(tái)下部基礎(chǔ)均為擴(kuò)大基礎(chǔ)，墩高約31 m；2號(hào)墩為灌注樁基礎(chǔ)，墩高65.5 m，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 案例橋梁結(jié)構(gòu)圖

在案例工程項(xiàng)目中，根部梁高8.8 m，跨中及邊墩處梁高3.5 m，底板厚0.3～1.1 m，梁高及底板厚均按1.8次拋物線變化。波形鋼腹板厚度為10～24 mm，波形采用1600型，波板水平段長(zhǎng)度430 mm、斜長(zhǎng)430 mm、斜段水平方向長(zhǎng)370 mm、波高220 mm。預(yù)應(yīng)力束采用1 860級(jí)鋼鉸線束，頂板束采用22φS15.2 mm鋼束，底板束采用15φS15.2 mm鋼束，體外束采用22φS15.2 mm鋼束。

3 關(guān)鍵施工工藝分析

3.1 波形鋼腹板現(xiàn)場(chǎng)施工

該項(xiàng)目中使用的波形鋼腹板由專業(yè)廠家生產(chǎn)，將其加工成為規(guī)格為3 m的材料后，由專業(yè)設(shè)備運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)圖紙編號(hào)分段拼裝，并檢測(cè)鋼腹板軸線位置；采用人工配合施工方法，預(yù)先在箱梁底部頂面確定支點(diǎn)襯墊，下放后配合臨時(shí)斜桿定位，經(jīng)過縱向及橫向微調(diào)后，達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求的精確位置即可。

3.2 連接控制箱梁

施工中的關(guān)鍵點(diǎn)包括：

1）連接腹板。目前常見的波形鋼腹板連接方式是高強(qiáng)螺栓連接與焊縫連接的工藝，其中，焊縫連接包括貼角連接、坡口連接，高強(qiáng)螺栓連接包括雙面摩擦連接、單面摩擦連接等。在綜合考慮各種技術(shù)的適應(yīng)性之后，本項(xiàng)目采用了貼角焊縫的施工工藝，在焊接期間叮囑施工人員及時(shí)清理焊渣，并根據(jù)質(zhì)量管理規(guī)范對(duì)焊縫的外觀與焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，并配合超聲探傷技術(shù)評(píng)估焊接施工效果。

2）該項(xiàng)目中波形鋼板與混凝土頂板經(jīng)Twin-PBL連接，與混凝土底板的連接為S-PBL+栓釘連接，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 連接結(jié)構(gòu)示意圖

同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，因?yàn)闃蛄何挥?度抗震地區(qū)，設(shè)計(jì)地震加速度為0.4g，為強(qiáng)化橋梁的抗震性能，在制作位置選擇摩擦擺支座，且單幅橋的橋臺(tái)位置均設(shè)置黏滯阻尼器（縱向）。

3）橫向連接設(shè)計(jì)。在案例項(xiàng)目中，橫向連接主要是通過栓釘連接件實(shí)現(xiàn)橫向連接的，在永久固定鋼腹板之后，可通過高強(qiáng)度螺栓做緊固，且可以從跨中對(duì)稱兩端的位置做固定，最終用控制螺栓將軸線垂直固定在鋼板表面（見圖3）。

圖3 橫向固定示意圖

3.3 預(yù)應(yīng)力控制體系施工

3.3.1 體內(nèi)預(yù)應(yīng)力控制

橋梁結(jié)構(gòu)中縱向體系為頂板縱向預(yù)應(yīng)力、底板縱向預(yù)應(yīng)力與頂板橫向預(yù)應(yīng)力等，該項(xiàng)目在施工中嚴(yán)格按照GB/T 5224—2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》中的相關(guān)規(guī)定展開[1]。先埋設(shè)預(yù)應(yīng)力管道，按照設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)定縱向鋼筋與橫向鋼筋的間距與位置之后，放置聚乙烯塑料波紋管道，該材料具有預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，在施工結(jié)束后即可安裝錨具。之后做鋼絞線的下料與穿束，此時(shí)需施工人員通過智能張拉設(shè)備分別從橫向預(yù)應(yīng)力、縱向預(yù)應(yīng)力兩個(gè)方面施工，當(dāng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示預(yù)應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求后即可做下一階段施工。

3.3.2 體外預(yù)應(yīng)力施工

該項(xiàng)目在體外預(yù)應(yīng)力施工中選擇單絲環(huán)氧涂層無黏結(jié)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，并將邊跨體外一端錨固在端橫梁上，另一端則要錨固在墩頂橫梁位置，邊界體外束均使用單端張拉的方法。將預(yù)應(yīng)力筋分別錨固在頂端衡量位置，中跨體外束使用雙端張拉的方法，并經(jīng)過預(yù)埋在跨間橫隔的轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)。

3.4 防腐處理

在該項(xiàng)目中，防腐處理是其中的重點(diǎn)內(nèi)容，在綜合考慮長(zhǎng)期防腐、控制成本、外觀新穎等方面的要求后，最終選擇了環(huán)氧富鋅底漆＋環(huán)氧云鐵中間漆＋氟碳面漆配套的防腐體系。在施工前徹底清理鋼材料表面，直至表面呈現(xiàn)金屬色澤且無氧化皮、焊渣等污染物之后即可施工。施工中的涂裝層數(shù)與漆膜厚度等均要滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，并通過高壓無氣噴涂機(jī)施工，要求施工中的原材料、操作人員技能水平等滿足質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

4 施工過程中的注意事項(xiàng)

波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)復(fù)雜，為保證施工質(zhì)量滿意，在具體操作階段還應(yīng)該重點(diǎn)考慮以下問題。

4.1 考慮剪切變形箱梁撓度

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)可知，在保證荷載均勻分布的情況下，在計(jì)算波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)的箱梁撓度時(shí)可忽視剪切滯后效應(yīng)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，但是整個(gè)結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的剪切變形效應(yīng)依然會(huì)影響施工效果[2]。所以，在數(shù)據(jù)處理中，針對(duì)剪切作用下梁部的撓度進(jìn)行檢測(cè)，撓度的計(jì)算采用式（1）：

式中，yc為剪切變形撓度；Q為均布荷載；G為剪切彈性模量；α為剪切系數(shù)；A為梁的剪切剛度。

4.2 彎曲力學(xué)性能分析

4.2.1 箱梁截面正應(yīng)力分布

從性能來看，波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)具有手風(fēng)琴效應(yīng)，受彎曲荷載等因素影響，腹板對(duì)彎矩的影響可以忽視，并且鋼腹板所承擔(dān)的應(yīng)力小，這與傳統(tǒng)梁體平截面的正應(yīng)力分布存在差異，所以，在忽略鋼腹板具體情況的基礎(chǔ)上，頂?shù)装鍛?yīng)力呈現(xiàn)出線性分布，且波形鋼腹板所承擔(dān)的縱向應(yīng)變明顯低于混凝土底板，所以，相關(guān)學(xué)者根據(jù)這一現(xiàn)象展開研究后，認(rèn)為在施工中應(yīng)根據(jù)其應(yīng)力變化并滿足縱向應(yīng)力基本表保持不變的質(zhì)量要求[3]。同時(shí)受到手風(fēng)琴效應(yīng)的影響，該結(jié)構(gòu)可以有效避免大變形效應(yīng)問題，而受組合結(jié)構(gòu)中的體內(nèi)與體外預(yù)應(yīng)力體系作用影響，只會(huì)有極少的預(yù)應(yīng)力被傳遞到腹板上，所以，與傳統(tǒng)的箱梁體結(jié)構(gòu)相比，在手風(fēng)琴作用下結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的有效預(yù)應(yīng)力會(huì)明顯增加。

整個(gè)波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)在彎曲荷載作用的影響下，其彎矩幾乎完全由混凝土頂板承擔(dān)，且鋼腹板正向應(yīng)力較低，縱向正應(yīng)變幾乎為零，所以，在施工中可不考慮該指標(biāo)對(duì)縱向剛度的影響。

4.2.2 混凝土箱梁抗彎剛度指標(biāo)分析

在本次研究中，按照鋼腹板組合箱梁擬平截面的特性，在彎曲荷載的作用下頂板截面的正應(yīng)力滿足線性分布的基本特征，所以，在本次研究中將重點(diǎn)考慮混凝土抗彎剛度等指標(biāo)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)性能的影響?；炷量箯潉偠鹊挠?jì)算公式為：

式中，EI為箱梁抗彎剛度；Ic為混凝土定與底板截面的慣性矩；Ec為混凝土彈性模量。

在波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)中，為進(jìn)一步改善梁結(jié)構(gòu)在負(fù)彎矩區(qū)的力學(xué)性能，該工程項(xiàng)目選擇在支座周圍添加一定長(zhǎng)度的內(nèi)襯混凝土，這是因?yàn)榕c純鋼腹板箱梁相比，采用內(nèi)襯混凝土施工工藝之后可以進(jìn)一步限制翼緣等部位對(duì)箱梁產(chǎn)生的屈曲力，進(jìn)而提升整個(gè)組合的彎曲強(qiáng)度與延性。同時(shí)根據(jù)本工程項(xiàng)目的具體情況以及可能出現(xiàn)的組合梁鋼腹板破壞模式，在施工中應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾方面問題：（1）在極限狀態(tài)下應(yīng)滿足上下緣鋼板的強(qiáng)度極限值要求；（2）在結(jié)構(gòu)中的波形鋼腹板與內(nèi)襯混凝土的底板以及頂板等完全連接，并共同發(fā)揮著彎矩作用，維持整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。（3）受拉區(qū)翼緣周圍的波形鋼腹板受拉伸作用影響而達(dá)到屈曲極限時(shí)，混凝土退出工作。同時(shí)根據(jù)混合腹板梁端組合界面的合力分布情況判斷梁彎曲強(qiáng)度后可以發(fā)現(xiàn)，在極限狀態(tài)下內(nèi)襯混凝土與鋼腹板內(nèi)力的分布較為均勻，此時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)的中性軸可以按照平衡方程的方法展開計(jì)算，其計(jì)算公式為：

式中，h1為屈曲范圍；h為箱梁高度；tc為內(nèi)襯混凝土厚度；ts為波形鋼板厚度值；fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度（一般取標(biāo)準(zhǔn)值或者實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果）；fy為鋼板屈曲應(yīng)力。

之后從整個(gè)結(jié)構(gòu)來看，波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)的內(nèi)襯混凝土受壓，此時(shí)截面上的中性軸位置會(huì)因?yàn)楹奢d的變化而逐漸上升，翼緣在受拉后快速出現(xiàn)屈曲，可以按照式（3）計(jì)算屈曲范圍；而當(dāng)波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)混凝土與鋼梁發(fā)生最大應(yīng)變之后，可以按照材料本構(gòu)關(guān)系計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力，而該應(yīng)力則是結(jié)構(gòu)所能承受的極限值，可以用于施工質(zhì)量控制。

5 結(jié)語

在橋梁工程項(xiàng)目施工中，波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)的施工難度高，因此，為有效提升施工質(zhì)量，相關(guān)技術(shù)人員要了解相關(guān)施工方法，掌握整個(gè)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)的質(zhì)量控制方法，在確保相關(guān)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、無誤的基礎(chǔ)上才能進(jìn)一步提高波形鋼腹板PC組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，最終成為提升橋梁工程施工質(zhì)量的重要助力。