高墩大跨度波形钢腹板PC组合梁桥施工技术

宋胜录

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2. 上海建工四建集团有限公司 上海 201103

与传统的预应力混凝土箱梁结构形式相比，波形钢腹板PC组合结构具有自重轻、施工方便、抗震性能好等优点，具有很好的推广应用前景[1]。波形钢腹板PC组合结构因其结构受力和施工性能优势以及良好的经济效益，得到了国内工程界越来越多的认可，目前在国内外均得到了广泛的应用[2]。

1 工程概况

伊朗德黑兰北部高速公路6#特大桥建设地点位于伊朗首都德黑兰北部山区，跨越桑干河谷，是Tehran-Shrine高速公路一期工程的关键性工程。该桥为高墩大跨度波形钢腹板PC箱梁桥，全长319 m，跨径布置为83 m＋153 m＋83 m（图1）。主桥采用双幅桥布置，桥面宽2 m×13.1 m，单幅主桥箱梁采用单箱单室断面。主桥顶、底板采用C50混凝土，腹板采用波形钢腹板。根部梁高8.8 m，顶板宽13.1 m，底板宽6.5 m。波形钢腹板厚度为10～22 mm，波形采用1600型，波板水平幅宽430 mm，斜幅宽430 mm，斜幅水平方向长370 mm，波高220 mm。跨中梁高3.5 m，为主跨的1/43，梁高从根部到跨中按照1.8次抛物线变化（图2）。最大悬臂共划分为15个节段，主墩最高65 m，单幅桥每个桥台处需安装4只阻尼器，全桥共采用16只阻尼器，每只阻尼器按最大阻尼力±2 000 kN，最大位移±350 mm设计。

图1 伊朗6#桥立面布置示意

图2 主梁横截面（单位：cm）

2 施工工艺特点及难点

2.1施工工艺

根据相关设计要求及施工现场的条件限制，总体施工方案为：墩顶0#、1#块采用托架现浇法施工，待0#、1#块施工完成后，在0#、1#块上拼装悬臂挂篮，2#～17#块采用挂篮悬臂浇筑施工，边跨直浇段采用落地支架现浇施工。其中，波形钢腹板1#～5#段采用塔吊吊装安装，6#～17#段及合龙段采用小平车水平运输挂篮，再配合电动葫芦安装。合龙段混凝土采用吊架进行施工，合龙时采用先边跨、后中跨的顺序进行施工。

2.2施工难点

1）地处山区，交通运输困难，特别是波形钢腹板的运输与安装，难度相对较大。伊朗6#桥建设所用波形钢腹板，采用中国国内制造，然后运输至现场进行安装施工（约1 100 t波形钢腹板）的方式，波形钢腹板要经过海运、1 000 km的陆路运输，然后才能到达安装现场。

2）山区高墩大跨度波形钢腹板桥悬臂施工时，波形钢腹板箱梁顶部的水平运输及安装施工存在难题。在山东鄄城黄河大桥的波形钢腹板挂篮施工中，波形钢腹板采取桥面竖直运输方式[3-6]，挂篮设计得比较笨重（挂篮设计必须满足波形钢腹板在桥面上竖直安装的要求）。参考此案例，通过施工方案优化，将悬臂根部范围的波形钢腹板节段缩短为3.2 m模数，减轻节段质量，根部1#～5#段采用塔吊安装施工，将挂篮设计为轻型挂篮，通过在挂篮顶部设置电动葫芦，满足波形钢腹板的吊装要求，从而解决了6#～17#大悬臂节段的波形钢腹板桥面水平运输及安装的难题。

3）高温环境下，大跨度波形钢腹板桥合龙施工存在变形的难题。伊朗6#桥左幅桥于2016年6月进行中跨合龙，当地正处于高温条件，现场温度达37 ℃，且山区昼夜温差较大。在合龙施工中，提前对桥面洒水降温，将波形钢腹板先行单边进行安装焊接，再临时进行骨架的单边焊接，并通过连续的温度测试，选择在相对温度较低的环境下进行中跨合龙施工，从而保证了整个中跨合龙施工的顺利进行。

3高墩大跨波形钢腹板组合梁桥悬臂施工技术

3.1高墩波形钢腹板0#、1#块托架施工

由于0#块墩身较高，采用传统的落地支架法进行施工难度大。因此通过方案优化比选，采用墩身预埋牛腿、加焊三角支架和贝雷架的托架法进行施工，其具有施工方便快速、受力明确、实用性强、构件可循环利用，且对墩身影响小等优点，且能够适合各种高墩0#块的施工。根据伊朗6#桥的特点，结合现场施工要求，进行了专项托架设计，托架采用型钢和贝雷架进行支承。

0#、1#节段波形钢腹板的安装精度直接决定了后续波形钢腹板悬臂施工的安装精度。由于波形钢腹板自重较大、定位精度要求高，且0#块普通钢筋密集，故波形钢腹板安装定位困难。如何使其牢靠、精确定位是保证0#、1#段施工质量的关键。经研究，通过制作一个马凳（钢支架）定位钢腹板的底部，然后利用手拉葫芦进行精确定位，并将箱梁两侧钢腹板用固定框架进行连接，形成稳定的固定体系，从而实现对波形钢腹板的精确定位。

0#、1#块混凝土施工属于高空大体积混凝土施工。受当地材料供应、施工现场混凝土搅拌站生产及运输能力的限制，需对0#块混凝土配合比设计及浇筑工序进行特殊设计。

1）因地制宜采用天然砂掺加石屑作为混凝土细骨料进行混凝土配合比设计，不仅大大改善了细骨料的级配特性，而且解决了伊朗当地天然砂缺乏的问题，通过配合比试验，能够满足C50高强混凝土的配制及泵送性能要求。天然砂掺加石屑混凝土配合比为：水泥∶水∶天然砂∶石屑∶碎石＝495∶193∶468∶190∶1 004。其中，外加剂采用质量分数为1%的ZWL-Ⅳ高效减水剂。

2）采取分2次进行浇筑的方法进行施工。第1次混凝土浇筑高度为3.5 m，第2次混凝土浇筑高度为5.3 m，解决了混凝土搅拌生产能力和运输限制的难题。

3.2高墩大跨波形钢腹板桥悬臂施工挂篮设计

通过吸取国内外大跨度波形钢腹板桥悬臂施工的挂篮形式设计经验[2]，最终采用菱形结构，单肢挂篮自重67 t（最大梁质量为197.7 t），挂篮自重与最大箱梁节段自重比例为0.338。

该菱形挂篮设计由以下几个主要部分组成（图3）：

图3 挂篮结构示意

1）主桁系统：挂篮主桁架为型钢组合结构，由主梁、立柱、拉杆组成单片主桁，通过节点板及销轴连接成桁架结构，共2片，并采用横向平联桁架连接成为一体。

2）底模平台：由纵梁和下横梁组成整体平台，挂篮底板纵梁为HN400 mm×200 mm型钢。

3）吊挂系统：由前上横梁、前后吊挂精轧螺纹钢筋组成，前上横梁为结构主要承力构件，采用2I56a型钢。

4）锚固系统：由锚固部件、精轧螺纹钢筋、分配梁等组成，以便挂篮在灌注混凝土时具有必要的稳定性。

5）波形钢腹板安装系统：挂篮桁架顶部设置5 t移动桁车及一个5 t电动葫芦。

该菱形挂篮的设计创新点如下：

1）挂篮采用优化的菱形型钢组合结构，并通过节点板及销轴连接成桁架结构，结构清晰，受力明确。

2）菱形架高度比传统设计标高增高2 000 mm，以满足钢腹板的高度空间要求。

3）挂篮采用精加工装配式通用构件设计，减少运输成本，提高现场安装精度，拆装方便，并能够循环利用。

4）主结构采用材质Q345的钢材，可进一步提高受力抗变形性能。其他非结构件用材的截面，经验算后适度减少15%左右，进一步减轻了挂篮自重（图4）。

图4 挂篮拼装完成

3.3钢腹板的桥面水平运输及安装定位

波形钢腹板创新性地采用了塔吊吊装、水平小车运输与安装的方法，将波形钢腹板悬臂施工时传统的箱梁顶垂直运输改为水平运输（图5），不仅大大降低了挂篮的设计高度，而且也提高了运板的安全性和稳定性。

图5 波形钢腹板水平运输小车

1#～5#节段波形钢腹板采用塔吊吊装定位，6#～17#及合龙段采用5 t挂篮桁车配合5 t手拉葫芦进行精确定位（图6）。考虑到波形钢腹板的纵向波形，其与平面钢板相比，平面稳定性更好，运输、吊装及定位安装等过程的变形均较小。针对悬臂施工波形钢腹板的定位，其主要方法为：

图6 波形钢腹板定位施工

1）在波形钢腹板定位调整及临时固定就位后，进行根部波形钢板之间的连接焊接。

2）波形钢腹板根部生根定位：利用波形钢腹板上部及下部埋入混凝土顶底板内的剪力键钢筋预留孔及波形钢腹板之间的螺栓孔，采用螺栓临时固定连接。

3）前端固定定位：在波形钢腹板前端底部设置临时马凳（钢支撑），调节固定波形钢腹板前端标高及位置。

4）左右两幅波形钢腹板前端连接固定：通过在内侧设置临时连接钢桁架，将左右两幅波形钢腹板进行连接固定。

3.4波形钢腹板桥悬臂施工控制

为确保主桥在施工过程中结构受力和变形始终处于安全范围内、成桥后主梁的线形符合设计要求、结构恒载受力状态接近设计期望，在伊朗6#桥建设过程中进行了全过程施工控制。合龙施工完成后，主桥应力实测与理论值差别控制在±2 MPa范围内，极少测点差值为－4 MPa，桥梁整体受力在可控范围内，成桥后线形平顺，实测与理论偏差在2 cm以内，成桥线形控制良好。

4 结语

本工程桥位位于地震烈度9度区，为减轻自重，进一步提高该桥结构抗震性能，缩短施工周期，减少施工对环境的影响，经过多方案对比研究，提出了83 m＋153 m＋83 m＝319 m的波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁桥。德黑兰北部高速公路6#桥成功实现了大跨度波形钢腹板桥在伊朗国家的应用。该桥于2016年10月顺利实现桥梁主跨结构合龙。

2020年2月，德黑兰北部高速公路一期工程顺利实现通车，其作为一种新型结构形式在地震多发的伊朗国家进行推广与应用，对我国桥梁建造技术走向世界具有重要的历史意义。