變截面波形鋼腹板連續(xù)箱梁合龍方案研究

黨立俊，曹曉遠(yuǎn)

（中交遠(yuǎn)洲交通科技集團(tuán)有限公司，石家莊 050000）

1 引言

變截面波形鋼腹板連續(xù)箱梁因其自重輕，跨越能力強(qiáng)，造型美觀等特點(diǎn)，越來越受到設(shè)計(jì)師們的青睞。與此同時(shí)，因其截面為鋼材與混凝土組合而成，且連接構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大，給工程技術(shù)人員提出了新的挑戰(zhàn)。合龍段施工作為變截面波形鋼腹板連續(xù)箱梁施工過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，對(duì)成橋后梁體的內(nèi)力分配以及線形狀態(tài)有決定性作用[1]。但是由于軟件和計(jì)算理論的局限，以及施工方式的多樣化，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師不能詳細(xì)模擬合龍階段具體的施工工藝流程，多數(shù)情況下是將該階段各步驟作為一個(gè)施工階段進(jìn)行計(jì)算和分析。如何在滿足設(shè)計(jì)和施工規(guī)范的前提下，快速準(zhǔn)確地完成此類橋梁合龍段施工，是工程技術(shù)人員值得思考的問題。

2 工程概況

該南水北調(diào)特大橋全長(zhǎng)1 022 m，主橋?yàn)?6.5 m+152 m+86.5 m 變截面單箱單室波形鋼腹板連續(xù)箱梁，采用懸臂澆筑法施工。箱梁頂板寬度為13.75 m，底板寬度為7.0 m，均為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件。合龍段高度為4.2 m，縱向長(zhǎng)度為3.2 m。橋墩為矩形墩，基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ)（見圖1）。

圖1 南水北調(diào)特大橋立面圖（單位：cm）

3 合龍方案

考慮到施工條件及工期影響，設(shè)計(jì)和施工單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工特點(diǎn)和人員機(jī)具配置，制訂了詳細(xì)的合龍方案。

3.1 總體合龍順序

先合龍邊跨，再合龍中跨。

3.2 邊跨合龍段施工工藝流程

鋼腹板一端固定→掛籃前移→模板調(diào)整→底板鋼筋、鋼束施工→內(nèi)模安裝加固→頂板鋼筋、鋼束施工→懸臂端平衡配重→剛性支撐鎖定→鋼腹板另一端固定→張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束→解除邊墩支座約束→澆筑混凝土→混凝土養(yǎng)生→剛性支撐鎖定解除→臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉至設(shè)計(jì)值→管道壓漿、封錨→拆除邊跨現(xiàn)澆段滿堂支架。

3.3 中跨合龍段施工工藝流程

邊跨合龍完成→鋼腹板一端固定→掛籃前移→模板調(diào)整→底板鋼筋、鋼束施工→內(nèi)模安裝加固→頂板鋼筋、鋼束施工→懸臂端平衡配重→剛性支撐鎖定→鋼腹板另一端固定→張拉臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束→解除主墩臨時(shí)約束→澆筑混凝土→混凝土養(yǎng)生→剛性支撐鎖定解除→臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉至設(shè)計(jì)值→管道壓漿、封錨→拆除掛籃，完成結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換。

4 控制性參數(shù)的計(jì)算

合龍方案控制性參數(shù)主要由邊跨臨時(shí)鎖定力、中跨臨時(shí)鎖定力和臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉值3 部分組成。

4.1 臨時(shí)鎖定力計(jì)算假定

本文在計(jì)算臨時(shí)鎖定力時(shí)，提出以下假定：

1）合龍段長(zhǎng)度不變。

2）波形鋼腹板雖然存在縱向連接，但由于其縱向剛度非常低，基本不抵抗軸向力，故不考慮其連接作用[2]。

3）邊跨合龍時(shí)，邊跨現(xiàn)澆段主要由支架和模板承托，此時(shí)邊支座基本不受力，剛性支撐內(nèi)力主要由現(xiàn)澆段混凝土與模板的摩擦力提供。假定模板摩擦系數(shù)μ 取0.15。

4）中跨合龍時(shí)，邊跨現(xiàn)澆支架和模板均已完全拆除，梁體已安放至邊、主墩活動(dòng)支座上，剛性支撐內(nèi)力主要由活動(dòng)支座摩阻力提供。假定支座磨阻系數(shù)μ 取0.03。

4.2 邊跨臨時(shí)鎖定力計(jì)算

邊跨合龍段采用剛性支撐措施鎖定后，邊跨現(xiàn)澆段與T構(gòu)部分連成整體。在升溫作用下，邊跨會(huì)發(fā)生膨脹，但此時(shí)中墩臨時(shí)支撐尚未拆除，梁體在軸線方向上會(huì)與現(xiàn)澆模板發(fā)生摩擦。摩擦力通過剛性支撐傳遞。只要?jiǎng)傂灾嗡峁┑膬?nèi)力與摩擦力相同，即可保證合龍段混凝土不會(huì)發(fā)生壓縮形變。合龍段剛性支撐斷面圖見圖2，剛性支撐梁橫斷面大樣見圖3。

圖2 合龍段剛性支撐斷面圖（單位：cm）

圖3 剛性支撐梁橫斷面大樣（單位：mm）

邊跨現(xiàn)澆直線段模板與混凝土之間的摩擦系數(shù)為0.15，邊跨現(xiàn)澆直線段總重為4 872 kN（487.2 t），取1.3 倍安全系數(shù)，則邊跨合龍段剛性支撐所受軸向力為950 kN。設(shè)計(jì)中每個(gè)合龍段采用4 個(gè)2 [40 熱軋勁型槽鋼組成的支撐骨架，則每個(gè)剛性支撐壓應(yīng)力為20.6 MPa，小于現(xiàn)場(chǎng)槽鋼的屈服強(qiáng)度215 MPa，滿足要求。

4.3 中跨臨時(shí)鎖定力計(jì)算

中跨合龍時(shí)，剛性支撐所受壓力主要是活動(dòng)支座發(fā)生形變所產(chǎn)生的支座摩阻力。此時(shí)，摩擦系數(shù)為0.03，活動(dòng)支座側(cè)梁體總重為73 396 kN（7 339.6 t），取1.3 倍安全系數(shù)，則中跨合龍段剛性支撐所受軸向力為2 862.4 kN。設(shè)計(jì)中每個(gè)合龍段采用4 個(gè)2 [40 熱軋勁型槽鋼組成的支撐骨架，則每個(gè)剛性支撐壓應(yīng)力為62.0 MPa，小于現(xiàn)場(chǎng)槽鋼的屈服強(qiáng)度215 MPa，滿足要求。

4.4 臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉值計(jì)算

合龍時(shí)，臨時(shí)張拉位于頂、底板兩側(cè)靠近腹板位置的2 根頂板及2 根底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，利用鋼束產(chǎn)生的牽引力來抵消兩側(cè)梁體因降溫收縮所產(chǎn)生的拉力，保護(hù)混凝土不被拉裂。

邊跨合龍段剛性支撐所受軸向力為950 kN，故每束鋼絞線張拉至950/4=237.5 kN 即可。

中跨合龍段剛性支撐所受軸向力為2 862.4 kN，故每束鋼絞線張拉至2 862.4/4=715.6 kN 即可。

5 施工要點(diǎn)

1）波形鋼腹板采用拴接和焊接組合方式連接（見圖4）。鋼腹板上預(yù)留有螺栓孔洞，施工時(shí)先用螺栓將其臨時(shí)定位，然后，再采用雙面搭接貼角焊固定。

圖4 鋼腹板及上、下翼緣板連接處細(xì)部圖（單位：mm）

2）合龍段鋼腹板分2 次安裝，先對(duì)其一端進(jìn)行固定焊接，另一端只進(jìn)行簡(jiǎn)單定位。待頂、底板鋼筋綁扎、波紋管鋪設(shè)等完成后，調(diào)整兩懸臂端平衡配重，使其變形相等，然后選擇溫度最低的時(shí)間段進(jìn)行剛性支撐的焊接鎖定。焊接工作全部完成后，需進(jìn)行焊縫質(zhì)量檢查以及合龍段兩側(cè)標(biāo)高復(fù)測(cè)。結(jié)果滿足JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)》規(guī)范要求后，方可將鋼腹板另一端固定。

3）剛性支撐的焊接拼裝和臨時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉必須按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工。剛性支撐鎖定氣溫應(yīng)以焊接前7 d 內(nèi)最低氣溫的平均值為準(zhǔn)，并且要對(duì)稱、均衡、同步焊接鎖定。在剛性支撐焊接鎖定之前，應(yīng)完成鋼束穿孔、千斤頂?shù)跹b到位等各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，以縮短整體鎖定時(shí)間。剛性支撐焊接鎖定完畢后，應(yīng)盡快完成對(duì)靠近腹板位置的2 根頂板及2 根底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的臨時(shí)張拉。張拉完成之后，應(yīng)立即解除邊支座或主墩約束，使梁體能夠在鎖定連接下沿支座自由伸縮。

4）本橋波形鋼腹板與頂板采用Twin-PBL 鍵+栓釘混合連接，與底板采用埋置角鋼連接，且均設(shè)有貫通鋼筋（見圖5）。施工中應(yīng)注意保證這些抗剪部件的施工質(zhì)量，并做好波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装暹B接處的防水，以確保箱梁能形成1 個(gè)整體，鋼腹板與頂、底板能夠有效傳力。

圖5 波形鋼腹板與箱梁頂、底板連接示意圖

5）頂、底板混凝土澆筑之前以及澆筑過程中，應(yīng)對(duì)連接件進(jìn)行檢查。如若連接件的位置發(fā)生偏移，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行糾正。連接件周邊鋼筋多為受力部件，且數(shù)量較多，澆筑混凝土?xí)r應(yīng)對(duì)其充分振搗，以防脫空。

6）施工過程中，由于所用材料、施工工藝以及耗費(fèi)時(shí)間等與設(shè)計(jì)采用值有一定的偏差，橋梁線形和截面應(yīng)力會(huì)因此產(chǎn)生些許變化，監(jiān)控單位應(yīng)準(zhǔn)確記錄整理并及時(shí)反饋監(jiān)控結(jié)果，認(rèn)真分析研判橋梁所處狀態(tài)，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo)。

6 成橋后監(jiān)控結(jié)果

本橋成橋后，監(jiān)控單位對(duì)全橋觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了聯(lián)測(cè)，得出以下結(jié)論[3]：

1）本橋梁體標(biāo)高實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)模型計(jì)算值存在偏差，最大差值為25.7 mm，最小差值為0.3 mm。上述差值均小于規(guī)范規(guī)定的±L/500=±30.4 mm（L 為跨徑），滿足要求。

2）本橋梁體關(guān)鍵截面應(yīng)力實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)模型計(jì)算值存在偏差，最大差值為0.96 MPa，最小差值為0.16 MPa。截面實(shí)測(cè)最大壓應(yīng)力值為11.01 MPa，小于JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的0.5fck=17.75 MPa（fck為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值），且全橋測(cè)點(diǎn)未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足要求。

3）本橋成橋后箱梁線形狀況和應(yīng)力狀態(tài)接近理論數(shù)值，整體狀態(tài)良好。

7 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)變截面波形鋼腹板連續(xù)箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)例，詳細(xì)介紹了合龍段施工順序和工藝流程；依據(jù)理論研究和條件假定，進(jìn)行了控制性參數(shù)的計(jì)算；列舉了施工要點(diǎn)，特別強(qiáng)調(diào)了臨時(shí)鎖定和波形鋼腹板連接；通過對(duì)監(jiān)控結(jié)果的分析，驗(yàn)證了上述合龍方案設(shè)計(jì)及施工的合理性和可行性。為變截面波形鋼腹板連續(xù)箱梁的設(shè)計(jì)與施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。