节段预制拼装波形钢腹板箱梁桥设计关键技术

马增

摘要 南京长江五桥北引桥首次将节段预制拼装技术应用于波形钢腹板组合箱梁桥的设计与建造中，充分利用了节段预制拼装技术高效环保、波形钢腹板组合结构桥梁力学性能优等优势，提升了桥梁的工业化建造水平。以南京五桥跨堤桥为背景，总结节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁设计关键要点，为同类型项目提供参考借鉴。

关键词 节段预制拼装;波形钢腹板;工业化建造;设计

中图分类号 TU398.9 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0163-03

0 引言

基于波形钢腹板组合桥梁优异的受力性能和良好的景观效应，国内已成功建成多座该类桥梁。波形钢腹板组合桥梁在设计、建造等方面也取得了丰硕成果，近年来，桥梁施工开始向工厂化、装配化、标准化方向发展，利用节段预制拼装技术，将波形钢腹板组合箱梁进行纵向分块，现场快速拼装的工艺，有利于实现波形钢腹板组合箱梁工业化建造[1]。

1 项目概况

南京长江五桥北引桥中的跨堤桥、跨立新路桥以及跨丰子河路桥为波形钢腹板连续箱梁桥。跨堤桥跨越浦口侧长江大堤，为适应桥梁主线与长江大堤及滨江大道的斜交，跨堤桥两侧边跨错墩布置，左幅桥跨为41+78+45 m，右幅为45+78+41 m，总长164 m。综合考虑滨江环境的适应性和工程规模等建设条件，南京五桥跨堤桥首次在波形钢腹板箱梁桥中采用了节段预制拼装施工工艺。该文以跨堤桥为背景，总结节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁设计关键要点。

2 结构设计

南京五桥跨堤桥主梁采用分幅布置，边中跨比分别为0.526和0.577。跨堤桥在中墩墩顶位置设置纵向E型耗能装置。主梁标准横断面如图1所示，跨中梁高2.2 m，高跨比为1/35.5，根部梁高4.5 m，高跨比为1/17.3，梁高和底板厚度均以1.8次抛物线的形式由跨中向根部变化。桥梁横断面总宽38 m，单幅结构顶板宽18.65 m，设置三道波形钢腹板。

根部设置3 m厚横隔，端部设置2.2 m厚端横隔，兼具支承和纵向体外束锚固。桥跨内于体外索转向处设置钢筋混凝土转向块，转向块采用倒T形，顶部厚50 cm，底部加宽至120 cm，转向块与节段整体预制。

与现浇波形钢腹板箱梁相比，预制拼装箱梁的理念是节段化设计，如何有效地化整为零，進行可靠地吊装组拼。须系统研究节段划分原则，连接构造，节段预制、吊运、匹配过程的受力控制等关键技术问题。

2.1 节段划分

对于节段划分，主要考虑如下几点：

（1）为实现节段预制过程的标准化，波形钢腹板箱梁的节段划分须充分考虑混凝土顶底板及波形钢腹板波形构造相关性，同时应考虑转向块、预应力齿块，端部梁段等设置。

（2）节段划分长度主要取决于节段重量，应尽可能使节段重量均匀。

（3）节段长度宜取为波形钢腹板波长的整数倍以使接缝设在波形钢腹板的平板段上。

根据构造及施工架设需要，南京五桥跨堤桥全桥共划分为19种预制节段。其中墩顶0#梁段为现浇节段，长度为3 m。1#～14#节段为变高梁段，长度分别为1.5 m、2.4 m及3.2 m。15#梁段为跨中合龙段，长度为3.2 m。16#～19#梁段均为边跨端部梁段，长度分别为2.4 m、1.6 m、1.4 m及2.06 m，最大吊重约为99.4 t，如图2。

2.2 节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁抗剪连接件设计

波形钢腹板与顶底板的抗剪连接件方式大致分为埋入式和翼缘式。

埋入式连接件依靠波形钢腹板与混凝土的相互约束以及横向钢筋进行剪力传递及横向弯矩分配;翼缘式连接件则依靠翼缘板上方不同构造满足钢混连接的受力需求。考虑到耐久性和混凝土顶板浇筑，混凝土顶板推荐采用带翼缘板的连接形式。对于混凝土底板连接，埋入式连接件构造简单，施工方便，且连接传力部分全部埋入混凝土中，结合部处的防腐更易处理[2]。

从连接件的构造特点及节段预制拼装施工适用性方面，对四种典型抗剪连接件进行比较，并根据短线匹配预制工艺特点进行推荐，如表1。

综上所述，对于混凝土与波形钢腹板之间的抗剪连接件，该项目顶板处推荐采用开孔钢板翼缘式，底板处采用埋入式。

2.3 节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁节段连接设计

波形钢腹板节段间钢腹板连接可以分为对接焊缝连接、贴角焊缝连接、高强螺栓连接，具体的连接形式和构造尺寸须由承载力要求和连接施工的可操作性决定[3]。该项目波形钢腹板采用对接焊连接方式，较传统方式的搭接焊及栓接连接方式有如下优点：

（1）采用熔透对接焊缝，强度不低于母材的强度，焊缝受力均匀，抗疲劳性好，且可通过超声波等无损方式检测焊接质量。

（2）熔透对接焊缝仅一条对接焊缝，与必须周圈围焊的搭接焊缝相比，具有焊接量少、操作方便、工效高及用钢量少的特点。

（3）采用拼接板栓接方式连接，波形腹板需增加制孔，对栓接面进行摩擦面处理，不管是接缝单面还是双面摩擦，栓接均增加了用钢量和螺栓用量，且现场高强螺栓施工需初拧、复拧、终拧，施工工序多、时间长，与熔透对接焊缝相比，不仅工序多、工效低，而且用工量和用钢量多，成本高。

（4）采用熔透对接焊缝，焊接后磨平焊缝余高，焊缝与波形腹板板厚一致，涂装后，整体外形美观流畅。

综上所述，熔透对接焊缝具有施工便捷，节约钢材、焊材、螺栓用量，减少工厂内制造及工地连接的用工量，工效快等诸多优点，整体经济效益最优。

该项目推荐采用对接焊。为实现精确的对接焊连接，必须确保整体预拼后，梁段不发生较大的变形，其中控制的重点在于波形钢腹板的根部变形须控制在1.5 mm以内，这就要求整个施工过程梁段不发生畸变变形。为保证对接焊质量，相邻腹板焊缝间隙不应大于8 mm，在顶、底板过焊孔附近采用包焊。

混凝土顶、底板节段连接采用齿键胶拼，顶、底板齿键是节段匹配定位的关键，同时提供接缝间的抗剪受力，在翼缘处应设置必要的齿键，防止节段间横向变形引起的错台。施工过程在混凝土顶底板设置临时拉杆，顶板设置了四对临时拉杆，底板设置了两对拉杆，以保证节段悬臂拼装阶段接缝的压应力储备。

3 基于施工期箱梁节段变形控制的设计

波形钢腹板组合箱梁节段施工期变形控制是实现梁段间精确拼装的关键设计过程，需重点研究以下几个关键技术：

（1）梁段匹配过程变形控制：在梁段匹配、浇筑顶板混凝土时，新浇混凝土会给匹配梁段顶板一个纵向压力，该纵向压力可能导致匹配梁段变形，影响新浇梁段的几何形状，预制过程中应确保纵向变形不大于1 mm。

（2）梁段吊装过程变形控制：节段波形钢腹板箱梁的抗扭及横向抗弯刚度相对较低，箱梁吊装过程中可能造成波形钢腹板节段梁顶、底板出现相对扭曲、位移或整体位移情况，影响架设线形精度。

（3）箱梁扭转和畸变变形控制：波形钢腹板节段箱梁吊装、运输等过程中，钢腹板支撑的混凝土顶板结构，在倾斜、振动等工况下，容易产生水平力，形成节段箱梁扭转和畸变的诱因，在钢腹板和混凝土顶底板结合位置容易产生开裂，降低结构的使用性能。

为提高运输及吊装等施工过程中端口抗扭转性能，在节段两侧端口设置临时拉索或刚性支撑。节段在运输和吊装过程中，水平力作用可按下式验算临时支撑：

Fh=max{1.2×Gt×sini，0.2×Gb}                               （1）

式中：Fh——箱口臨时支撑验算水平力;

Gt——混凝土顶板重;

Gb——混凝土底板重;

i——运输道路不利纵坡，可按9°取。

该项目在箱梁内设置两对型钢剪刀支撑，型钢采用槽钢，作用在顶板上的水平力取12 t，通过支撑系统，使混凝土顶底板横向变形差在验算水平力作用下控制在1.5 mm以内。支撑结构与混凝土顶底板连接位置应提前设置预埋件，并采用螺栓等措施连接支撑杆，防止对顶底板混凝土产生局部破坏。

4 节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁建造精度控制技术

节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁的精度控制是实现现场快速拼装的重要因素。通过波形钢腹板工厂制造长线预拼，获得波形钢腹板的节段匹配关系，并利用匹配件进行定位。在节段梁短线预制过程采用精度控制技术还原工厂制造线形，预制完成混凝土顶底板，完成节段箱体预制。利用混凝土顶底板齿键匹配拼装，将混凝土结构安装精度统一至钢结构的控制精度，实现了桥梁建造的全过程高精度控制。桥位节段混凝土顶底板拼装到位后，张拉节段纵向预应力，施工钢腹板对接焊缝，再施工前一节段顶板横向预应力，精确分析控制施工过程节段受力和变形。

与传统的现浇波形钢腹板组合箱梁相比，节段预制拼装波形钢腹板箱梁减少了现场劳动力投入，每个节段的施工周期缩短至1天，全桥缩短工期约3个月，显著减少了工程投资。相较与预制拼装混凝土箱梁，轻量的钢腹板可减轻梁重约20%，对于梁段起吊设备要求有所降低，有利于增加节段长度，提高施工速度，更加适用于复杂环境的梁段架设。

5 结语

通过节段预制拼装建造技术的应用，提升了工程建设的现代化水平。节段预制拼装波形钢腹板组合箱梁桥在跨线桥梁、环保要求高等地区的中大跨度桥梁的设计建设中有较大的优势，有利于实现绿色环保的桥梁建设，为同类型项目提供参考借鉴。

参考文献

[1]刘晓刚， 樊健生， 聂建国.预应力波形钢腹板组合梁承载力及变形研究[J].建筑结构学报， 2013（S1）： 28-32.

[2]陈水生， 刘律， 桂水荣.波形钢腹板PC组合箱梁桥在我国的研究进展及应用[J].公路工程， 2015（3）： 57-62.

[3]楼亚东， 梁朝安， 等.波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁施工技术[J].施工技术， 2015（9）：52-55.