波形钢腹板预应力混凝土桥箱梁与普通预应力混凝土箱梁相比具有以下特点:自重轻, 抗震性能好;节约建筑材料, 改善经济指标;减少现场作业, 加快施工进程;减少大量模板、支架和混凝土浇筑;减少节段数量, 缩短工期;避免腹板开裂, 耐久性能好。

波形钢腹板箱梁试验研究表明, 剪力几乎全部由腹板承担, 因此可利用波形钢腹板强大的抗剪力学性能, 将其作为主要受力构件。波形钢腹板桥箱梁主流施工方法为传统混凝土箱梁悬臂施工, 未能有效利用波形钢腹板结构特点, 为此需研究新的施工方法。

运宝黄河大桥主桥采用110m+2×200m+110m波形钢腹板中央单索面矮塔斜拉桥, 桥面宽34m;副桥采用48m+9×90m+48m波形钢腹板预应力混凝土刚构-连续组合梁桥;引桥采用4×40m装配式预应力连续T梁桥。副桥及引桥桥面分幅, 单幅宽15.5m (见图1) 。

副桥箱梁顶宽15.5m、底宽8.5m、翼缘宽3.5m, 设2%双向横坡, 波形钢腹板顶部设置翼缘板, 通过设置PBL键方式与顶板连接, 波形钢腹板底翼缘板外包混凝土底板, 通过钢板连接键连接 (见图2) 。

副桥标准节段共10个 (1～10号) , 其中1～3号节段长320cm, 4～9号节段长480cm, 边跨现浇段长440cm, 合龙段长320 cm。

以副桥箱梁为例, 使用MIDAS软件建模, 选取箱梁最重节段顶板、下一节段底板浇筑为基本计算工况。通过对错位法、后支点挂篮2种工艺计算比选, 分析错位法在波形钢腹板箱梁施工中的适用性。

1) 错位法挂篮

按拟定施工方案, 顶底板一次浇筑, 底板与波形钢腹板结合区采用主从耦合结点处理。计算模型如图3所示。

底板主应力计算结果表明, 梁段底板90%区域拉应力<1MPa (或处于受压状态) , 两侧倒角与波形钢腹板结合处顶面混凝土存在2MPa左右的应力分布带, 高约5～10cm, 存在开裂风险。

2) 后支点挂篮

为验证底板钢混结合区拉力超标带是否由施工工艺引起, 对后支点挂篮进行验算, 计算模型如图4所示。计算结果表明, 去除应力集中区域, 波形钢腹板与底板钢混结合区混凝土存在约2.2MPa的主拉应力分布带。

3) 对比分析

在2种施工工艺中, 底板钢混结合区顶面混凝土存在一定开裂风险。通过对比箱梁横、纵向拉应力分布可知, 后支点挂篮虽为整个箱体受力, 因底板锚点力较大, 造成钢混结合区顶面混凝土拉应力偏大。

波形钢腹板承载力计算采用顶底板同时浇筑, 上翼缘最大综合应力约为180MPa, 位于最重节段与上一节段顶板交界处。最大变形约为8mm, 如果上翼缘不焊接, 其下翼缘腹板应力将达400MPa左右, 结构存在强度破坏风险。

波形钢腹板错位法施工工艺可行, 需严格按设计工艺施工, 加强监控检测, 施工控制关键点: (1) 重点控制上翼缘对接焊缝质量; (2) 腹板高厚比较大, 稳定性差, 横向支撑对整个结构稳定起重要作用; (3) 在底板钢混结合区增焊剪力钉, 防止底板混凝土开裂; (4) 顶板预应力张拉区混凝土受力较复杂, 张拉过程中易出现混凝土压溃及拉崩, 需加强该区域配筋及混凝土振捣质量。

由于目前国内错位法施工工艺尚不成熟, 因此, 通过缩尺模型试验研究确保结构安全与施工可行性。

选取中间墩箱梁节段建立模型, 右侧采用错位法模拟, 左侧悬臂端采用传统后支点挂篮模拟。缩尺比例4∶1, 双肢薄壁墩通过地锚与基础连接。

根据缩尺模型预先布置好的应力测点, 对关键施工工况进行理论分析, 得到错位法施工的应力理论值, 将实测值与TDV模拟计算值进行对比, 如图5所示。

由图5可知, 随着施工的进行直至合龙, 测试截面波形钢腹板、底板应力变化基本一致, 现场测试应力变化趋势与TDV理论值基本一致, 误差较小, 可通过验证, 表明错位法施工能保证结构安全。

针对错位法施工特点, 结合波形钢腹板结构特点, 挂篮需全新设计, 使之成为波形钢腹板桥专用施工装备, 需解决以下问题: (1) 传统连续刚构桥挂篮多采用型钢焊接, 自身结构重且安装周期长, 费时费工, 不适合采用波形钢腹板承重, 首先考虑安装简单且自重轻的微型挂篮; (2) 跨度不大时, 波形钢腹板可直接利用塔式起重机进行安装、定位, 无需进行此方面特殊设计, 可降低挂篮高度和自重; (3) 由于采用波形钢腹板承重, 需设计适用的行走系统, 能够利用双PBL键作为行走轨道, 且满足施工便捷、高效、安全要求。

挂篮采用箱梁悬挑波形钢腹板承重, 由主桁系统、行走机构、锚固系统、悬吊系统、模板系统、工作平台等部分组成。该设备将波形钢腹板箱梁顶板浇筑、底板浇筑、腹板安装3道工序划分为可平行作业的工作面, 大幅提高施工效率。

1) 主桁系统考虑运输和现场拼装等因素, 主桁构件分段设计, 单件最大质量≤2.5t, 材质Q235B (见图6) 。

2) 行走系统挂篮采用PBL键作为行走轨道, 利用液压千斤顶行走。

3) 锚固、悬吊系统顶底板锚固及悬吊系统采用双向铰接吊杆连接器, 保证锚栓不受弯剪。

4) 模板系统模板系统包括顶模及底模。腹板内侧顶模及两侧翼缘模板设计为桁架式支撑结构, 设置2道滑梁, 滑梁前端悬挂在波形钢腹板上, 后端锚固于混凝土顶板上;底模采用前端悬挂、后端锚固结构, 保证混凝土浇筑时波形钢腹板不发生侧向位移及底板漏浆现象。

根据箱梁结构特点, 对挂篮结构施加混凝土荷载、模板荷载、脚手架荷载、人群施工荷载和风荷载。对各种工况下的受力情况, 采用ANSYS软件建模进行计算分析, 如图7所示。挂篮各主要部件应力、变形及控制工况如表1所示。

由表1可知, 挂篮各主要部件受力、变形符合规范要求, 在行走和使用时结构安全可靠。

浇筑0号块, 预埋起始段波形钢腹板。张拉0号块预应力, 吊装1, 2号块波形钢腹板, 与0号块波形钢腹板栓焊连接, 以波形钢腹板作为支撑安装挂篮主梁、底板吊挂系统、行走系统。浇筑1号块底板。

1) 挂篮前移, 浇筑2号块底板与1号块顶板混凝土, 混凝土达到设计强度90%后张拉1号块顶板预应力, 安装3号块波形钢腹板 (见图8, 9) 。

2) 挂篮前移1个节段, 错位施工3号块底板、2号块顶板, 依次循环对称悬臂浇筑n+1号块底板、n号块顶板 (见图9) 。

1) 波形钢腹板安装定位

波形钢腹板施工步骤:吊装到位→初调 (标高调节) →螺栓拧紧→高程复核及偏距调节→安装横向支撑→波形钢腹板焊接→焊缝探伤检测。每个标准节段两侧共4块, 波形钢腹板起吊时利用PBL键作为吊点进行垂直吊装, 采用2点吊装方式, 使用卡环与钢丝绳组合。2根钢丝绳间夹角≤60°, 起吊过程中辅助缆风绳牵引, 防止波形钢腹板旋转。波形钢腹板标高调节应严格按照监控数据进行, 利用塔式起重机调整波形钢腹板标高, 水平位置可由悬挂于底板的手拉葫芦调整。波形钢腹板初定位后施拧连接螺栓。

2) 波形钢腹板连接

为连接方便, 采用螺栓先作临时固定后施焊的连接方法。通过高强螺栓将波形钢腹板进行临时固定, 为现场施焊提供稳定的支撑和固定作用, 确保焊接质量, 减少因施工造成的内部应力, 并降低成本。施焊前根据监控指令, 对标高进行复核, 施焊后及时安装临时支架, 将左右侧波形钢腹板连成整体。挂篮安装前, 在2块波形钢腹板间设置临时支撑, 增加抗扭稳定性。波形钢腹板定位完成后安装支撑, 上方顶板张拉完成后拆除。

本文对波形钢腹板桥箱梁结构特点及错位法施工工艺进行深入研究, 研发适用于波形钢腹板桥的新型挂篮。利用波形钢腹板作为主承重结构, 节省大量钢材, 经济性较好;结构简单, 安装、行走方便;在保证施工质量的同时有效提高工效及安全性。