波形钢腹板PC箱梁已广泛应用于现代桥梁工程中波形钢腹板较传统平腹板可避免腹板在剪力和扭矩作用下的局部变形,从而采用更薄的钢板产生更强的承载力。计算及试验数据表明,采用波形钢腹板比采用传统平腹板可节省钢材20%~50%,而波形钢腹板PC箱梁桥较传统预应力混凝土桥可节省造价10%左右。由于波形钢腹板优秀的承载力表现和经济性,世界各国已在桥梁建设中广泛应用波形钢腹板,日本是应用最多的国家,达130座;我国在此方面尚属于推广应用阶段,目前有资料可查的仅有24座。

随着钢-混凝土组合桥梁的不断推广和桥梁设计的不断创新,鼓励国内桥梁专家在材料和工艺方面的不断突破与尝试。泸定大渡河特大桥工程,首次在索塔横梁中设计应用波形钢腹板PC组合箱梁,利用其较好的抗剪和抗扭曲能力,代替传统横梁混凝土腹板,以减轻横梁自重,并能有效避免混凝土腹板开裂等问题。

泸定大渡河特大桥主桥为1 100m单跨悬索桥(见图1),大桥两岸各设置1座188m高索塔,索塔由塔柱、横梁组成的门式框架结构(见图2),自上而下设置3道横梁。横梁为钢-混凝土结构,顶、底板为预应力混凝土结构,腹板为波形钢腹板。横梁波形钢腹板分解如图3所示。

与常见波形钢腹板PC箱梁桥相比,本工程波形钢腹板具有高、大、厚的特点:横梁最大跨度31.4m,波形钢腹板最大高度7m,波长160cm,波高22cm,水平面板宽43cm,水平折叠角度为30.7°,最小弯折半径为360mm,钢腹板厚度为24mm,材质为Q345D低合金高强度钢。波形钢腹板波形构造如图4所示。

波形板采用冷成型工艺,无牵制模压机组一次模压成型。无牵制模压法是在同一横断面上同时不超过2个受压区牵制,且模压时两侧钢板不受牵制,可自由伸缩。无牵制模压机组设计如图5所示。

考虑波形板高度较长,且为一次压制成型,目前国内暂无类似设备能够满足生产要求,因此根据加工构件尺寸特点,选用10 000t C型油压机,工作平台为2.5m×15m,参考无牵制模压原理图,对油压机成型进行改造,使之成为适用本截面尺寸构件加工的专用无牵制模压机组。改造后的无牵制模压机组,经计算预留模压反弹量,反复试机校正模压精度后,正式进行一次模压成型,制备波形板零件。

标准节段长3.2m,由2个1.6m标准1600型波形板组成。波形板成型采用冷成型,将标准节段波形板分为2个单波,模压成型后将2块单波板组拼,形成3.2m标准节段波形板。波形板成型后依次装配下翼板、上翼板、T-PBL剪力件(见图6),完成标准节段制作。

1)钢支撑防变形由于竖向PBL剪力板焊缝较长,且密集集中在波形板一侧,因此,加设钢支撑对加劲板及波形板进行刚性固定,约束焊接剪力件而导致的波形板变形。

2)小拼装单元规避焊接应力集中采用翼缘板小拼装形式,装配焊接完毕后,再进行总装,降低了翼缘板焊接难度,同时也规避了焊缝应力集中导致的较大焊接变形。

3)分段跳焊PBL剪力件,减小焊接变形波形板上通长PBL剪力件遵循“由内到外,分段跳焊”原则进行焊接。单块剪力件焊接以焊缝中部为基点,向两侧分段跳焊,分段长度为500mm,可有效减少构件的焊接变形。

消除焊接残余应力的措施主要有4种:(1)利用对零件整平消减应力;(2)进行局部烘烤释放应力;(3)采用超声波振动消除焊接残余应力;(4)振动时效装置消除构件内应力。

本工程波形钢腹板制作过程中,采用超声波振动配合零件整平和局部烘烤的手段进行焊接残余应力消除,效果显著。

工厂预拼装的目的在于检验构件工厂加工精度能否保证现场拼装、安装的质量要求,确保下道工序的正常运转和安装质量达到规范、设计要求及满足现场一次拼装和吊装成功率,减少现场拼装和安装误差。

根据构件分段,分别对上、中、下横梁的内外侧波形腹板进行全尺寸预拼装,拼装刚性平台尺寸为10m×36m,采用卧拼法,辅以线锤和全站仪进行预拼装测量。

1)桥塔采用梁柱同步施工法施工,即塔柱施工至横梁位置,安装波形钢腹板,绑扎横梁钢筋,同步浇筑梁柱混凝土。

2)横梁施工采用钢管支撑体系,通过贝雷片梁和分配梁形成土建模板支撑和波形钢腹板安装支撑。

3)横梁波形钢腹板采用分段吊装、高空原位拼装的方法进行施工。横梁波形钢腹板的布置具有中心对称、双轴对称的特点,安装顺序为“梁端→梁中,内板→外板”,可保证每个构件安装时都有已有结构作为连接点,提高了施工的安全性。

本桥桥址处于高海拔峡谷地区,受中亚热带季风气候影响,加之高海拔峡谷地区的管峡效应,常年均有大风,设计最大风速为32.6m/s。横梁波形钢腹板安装过程中,受水平风荷载作用,可能发生侧向倾覆。因此,需安装侧向支撑架,对抗风荷载倾覆力。抗风支撑措施侧立面如图7所示。

使用有限元软件对最不利工况进行受力分析,验算支撑措施的抗风承载力是否满足要求,若不能满足,调整支撑方案,直至验算通过。

波形钢腹板的现场焊接较厂内制作焊接条件更苛刻,主要控制点有:(1)焊接环境的控制;(2)焊接工艺的执行。

1)焊接环境的控制,重点是控制焊接环境风速和温、湿度。本工程焊接作业均为高空作业,且地处高海拔峡谷风环境下,无防风屏障,焊接风速控制主要依靠搭设防风棚。防风棚的搭设依据焊缝所在部位和构件搭接形式的不同,分为4面围挡、3面围挡和2面围挡3种不同形式,检查其有效性的指标是棚内风速≤2m/s。防风棚应有足够的强度、刚度且固定牢固,兼具防雨、雪功能。焊接环境温度应≥5℃,湿度应≤80%。

2)工地焊接,主要采用CO₂气体保护焊,焊接工艺有以下几个方面需要严格控制:(1)CO₂气体纯度应>99.5%;(2)焊接前必须彻底清除待焊(包括定位焊)区域内的有害物质,焊接时严禁在母材的非焊接部位引弧,焊接后应清理焊缝表面的熔渣和两侧的飞溅物;(3)对于加了衬垫板的坡口熔透焊,焊接前需检查焊缝间隙是否足够、衬垫板是否与母材贴紧,避免焊缝不能熔透;(4)波形钢腹板间的竖向搭接角焊缝采用跳焊法减少焊接应力。

应用于桥梁工程的钢构件,防护涂装的配套选择多种多样,主要依据腐蚀环境、工况条件、防腐设计年限选择涂层配套体系。本工程波形钢腹板选择长效性防护涂层配套,如表1所示。

1)厂内涂装涂装前对构件表面进行抛丸处理,除锈等级为Sa2.5,表面粗糙度值R_z在40~70μm。涂装采用高压无气喷涂,分层涂装。喷涂时的环境温度宜在5~38℃,相对湿度宜≤85%。

2)现场涂装现场的节点油漆补涂和面漆涂装采用有气喷涂。涂装前对焊缝、螺栓节点和涂层损坏区域进行打磨处理,采用机械打磨除锈St3.0级,打磨应适当扩大受损区域并将周围涂层打磨成平滑过渡的斜坡,然后按照该部位的涂装体系要求逐层补涂。现场面漆的涂装亦需要控制涂装环境的风速、温度和湿度,大风或雨、雪天气不宜进行现场涂装。

泸定大渡河特大桥工程应用波形钢腹板PC组合箱梁作为索塔横梁,在国内尚属首例,施工技术无先例可循。本工程采用无牵制模压法,实现巨型波形板的一次冷压成型;合理选择拼装、焊接和应力消除工艺,减少波形钢腹板制作过程中的变形和残余应力;设置抗风支撑措施,确保现场高空、大风环境下安装作业的安全性;设置防护棚,减少不良气候对现场焊接质量的不利影响。本文对索塔横梁波形钢腹板综合施工技术进行总结,可供同类工程参考。