波形钢腹板PC组合结构在桥梁中的应用研究

2022-12-15项伟康

工程建设与设计 2022年22期

项伟康

（杭州市交通工程集团有限公司，杭州 310000）

1 引言

波形钢腹板PC组合结构属于新型钢混组合结构，与传统的施工技术相比，该技术有效解决了混凝土腹板收缩、自重大以及箱梁腹板厚度大的问题，在耐久性、稳定性方面具有明显优势。因此，为顺应未来桥梁工程项目的施工要求，应掌握波形钢腹板PC组合结构的施工手段与质量控制方法，争取有效杜绝施工质量问题。

2 工程项目简介

本课题的背景工程伊朗北部高速公路BR-06号特大桥位于伊朗德黑兰北部山区塔隆河谷与桑干河谷交汇处上游，桥梁按上、下行分幅布置，单幅桥面宽度为13.1 m，跨径布置为83 m+153 m+83 m。1号、2号墩身均为空心薄壁箱形墩；1号墩及桥台下部基础均为扩大基础，墩高约31 m；2号墩为灌注桩基础，墩高65.5 m，具体结构如图1所示。

图1 案例桥梁结构图

在案例工程项目中，根部梁高8.8 m，跨中及边墩处梁高3.5 m，底板厚0.3～1.1 m，梁高及底板厚均按1.8次抛物线变化。波形钢腹板厚度为10～24 mm，波形采用1600型，波板水平段长度430 mm、斜长430 mm、斜段水平方向长370 mm、波高220 mm。预应力束采用1 860级钢铰线束，顶板束采用22φS15.2 mm钢束，底板束采用15φS15.2 mm钢束，体外束采用22φS15.2 mm钢束。

3 关键施工工艺分析

3.1 波形钢腹板现场施工

该项目中使用的波形钢腹板由专业厂家生产，将其加工成为规格为3 m的材料后，由专业设备运输至现场，根据图纸编号分段拼装，并检测钢腹板轴线位置；采用人工配合施工方法，预先在箱梁底部顶面确定支点衬垫，下放后配合临时斜杆定位，经过纵向及横向微调后，达到设计图纸要求的精确位置即可。

3.2 连接控制箱梁

施工中的关键点包括：

1）连接腹板。目前常见的波形钢腹板连接方式是高强螺栓连接与焊缝连接的工艺，其中，焊缝连接包括贴角连接、坡口连接，高强螺栓连接包括双面摩擦连接、单面摩擦连接等。在综合考虑各种技术的适应性之后，本项目采用了贴角焊缝的施工工艺，在焊接期间叮嘱施工人员及时清理焊渣，并根据质量管理规范对焊缝的外观与焊接质量进行评估，并配合超声探伤技术评估焊接施工效果。

2）该项目中波形钢板与混凝土顶板经Twin-PBL连接，与混凝土底板的连接为S-PBL+栓钉连接，其结构如图2所示。

图2 连接结构示意图

同时根据当地现场勘查结果，因为桥梁位于9度抗震地区，设计地震加速度为0.4g，为强化桥梁的抗震性能，在制作位置选择摩擦摆支座，且单幅桥的桥台位置均设置黏滞阻尼器（纵向）。

3）横向连接设计。在案例项目中，横向连接主要是通过栓钉连接件实现横向连接的，在永久固定钢腹板之后，可通过高强度螺栓做紧固，且可以从跨中对称两端的位置做固定，最终用控制螺栓将轴线垂直固定在钢板表面（见图3）。

图3 横向固定示意图

3.3 预应力控制体系施工

3.3.1 体内预应力控制

桥梁结构中纵向体系为顶板纵向预应力、底板纵向预应力与顶板横向预应力等，该项目在施工中严格按照GB/T 5224—2014《预应力混凝土用钢绞线》中的相关规定展开[1]。先埋设预应力管道，按照设计图纸设定纵向钢筋与横向钢筋的间距与位置之后，放置聚乙烯塑料波纹管道，该材料具有预应力强度高的优点，在施工结束后即可安装锚具。之后做钢绞线的下料与穿束，此时需施工人员通过智能张拉设备分别从横向预应力、纵向预应力两个方面施工，当监测结果显示预应力满足设计要求后即可做下一阶段施工。

3.3.2 体外预应力施工

该项目在体外预应力施工中选择单丝环氧涂层无黏结低松弛预应力钢绞线，并将边跨体外一端锚固在端横梁上，另一端则要锚固在墩顶横梁位置，边界体外束均使用单端张拉的方法。将预应力筋分别锚固在顶端衡量位置，中跨体外束使用双端张拉的方法，并经过预埋在跨间横隔的转向器实现。

3.4 防腐处理

在该项目中，防腐处理是其中的重点内容，在综合考虑长期防腐、控制成本、外观新颖等方面的要求后，最终选择了环氧富锌底漆＋环氧云铁中间漆＋氟碳面漆配套的防腐体系。在施工前彻底清理钢材料表面，直至表面呈现金属色泽且无氧化皮、焊渣等污染物之后即可施工。施工中的涂装层数与漆膜厚度等均要满足设计规范，并通过高压无气喷涂机施工，要求施工中的原材料、操作人员技能水平等满足质量控制标准。

4 施工过程中的注意事项

波形钢腹板PC组合结构的施工技术复杂，为保证施工质量满意，在具体操作阶段还应该重点考虑以下问题。

4.1 考虑剪切变形箱梁挠度

根据施工经验可知，在保证荷载均匀分布的情况下，在计算波形钢腹板PC组合结构的箱梁挠度时可忽视剪切滞后效应对整个结构稳定性的影响，但是整个结构所承担的剪切变形效应依然会影响施工效果[2]。所以，在数据处理中，针对剪切作用下梁部的挠度进行检测，挠度的计算采用式（1）：

式中，yc为剪切变形挠度；Q为均布荷载；G为剪切弹性模量；α为剪切系数；A为梁的剪切刚度。

4.2 弯曲力学性能分析

4.2.1 箱梁截面正应力分布

从性能来看，波形钢腹板PC组合结构具有手风琴效应，受弯曲荷载等因素影响，腹板对弯矩的影响可以忽视，并且钢腹板所承担的应力小，这与传统梁体平截面的正应力分布存在差异，所以，在忽略钢腹板具体情况的基础上，顶底板应力呈现出线性分布，且波形钢腹板所承担的纵向应变明显低于混凝土底板，所以，相关学者根据这一现象展开研究后，认为在施工中应根据其应力变化并满足纵向应力基本表保持不变的质量要求[3]。同时受到手风琴效应的影响，该结构可以有效避免大变形效应问题，而受组合结构中的体内与体外预应力体系作用影响，只会有极少的预应力被传递到腹板上，所以，与传统的箱梁体结构相比，在手风琴作用下结构所承担的有效预应力会明显增加。

整个波形钢腹板PC组合结构在弯曲荷载作用的影响下，其弯矩几乎完全由混凝土顶板承担，且钢腹板正向应力较低，纵向正应变几乎为零，所以，在施工中可不考虑该指标对纵向刚度的影响。

4.2.2 混凝土箱梁抗弯刚度指标分析

在本次研究中，按照钢腹板组合箱梁拟平截面的特性，在弯曲荷载的作用下顶板截面的正应力满足线性分布的基本特征，所以，在本次研究中将重点考虑混凝土抗弯刚度等指标对整个结构性能的影响。混凝土抗弯刚度的计算公式为：

式中，EI为箱梁抗弯刚度；Ic为混凝土定与底板截面的惯性矩；Ec为混凝土弹性模量。

在波形钢腹板PC组合结构中，为进一步改善梁结构在负弯矩区的力学性能，该工程项目选择在支座周围添加一定长度的内衬混凝土，这是因为与纯钢腹板箱梁相比，采用内衬混凝土施工工艺之后可以进一步限制翼缘等部位对箱梁产生的屈曲力，进而提升整个组合的弯曲强度与延性。同时根据本工程项目的具体情况以及可能出现的组合梁钢腹板破坏模式，在施工中应重点考虑以下几方面问题：（1）在极限状态下应满足上下缘钢板的强度极限值要求；（2）在结构中的波形钢腹板与内衬混凝土的底板以及顶板等完全连接，并共同发挥着弯矩作用，维持整个结构的稳定，不会出现滑移现象。（3）受拉区翼缘周围的波形钢腹板受拉伸作用影响而达到屈曲极限时，混凝土退出工作。同时根据混合腹板梁端组合界面的合力分布情况判断梁弯曲强度后可以发现，在极限状态下内衬混凝土与钢腹板内力的分布较为均匀，此时整个结构的中性轴可以按照平衡方程的方法展开计算，其计算公式为：

式中，h1为屈曲范围；h为箱梁高度；tc为内衬混凝土厚度；ts为波形钢板厚度值；fc为混凝土的抗压强度（一般取标准值或者实验室检测结果）；fy为钢板屈曲应力。

之后从整个结构来看，波形钢腹板PC组合结构的内衬混凝土受压，此时截面上的中性轴位置会因为荷载的变化而逐渐上升，翼缘在受拉后快速出现屈曲，可以按照式（3）计算屈曲范围；而当波形钢腹板PC组合结构混凝土与钢梁发生最大应变之后，可以按照材料本构关系计算出相应的应力，而该应力则是结构所能承受的极限值，可以用于施工质量控制。