波形钢腹板桥梁施工控制措施分析

钟梓豪

(广西北投公路建设投资集团有限公司,广西 南宁 530025)

0 引言

波形钢腹板组合梁桥是现代桥梁建设中应用最多的一种形式,与传统技术相比,其顶板部分仍是传统的混凝土结构,但在腹板方面进行了一些改良,主要以波形钢腹板为主。这种方法的优势是,当顶板出现徐变、收缩的时候,钢腹板可以灵活地进行收缩,从而达到稳定的目的。但是,采用波形钢腹板作为一种比较切实可行的结构型式,还需深入研究,以确定合理的结构设计和计算方法,以保证其整体性能[1]。

波形钢腹板PC复合梁桥与传统的混凝土腹板桥相比,省去了工形梁腹板的混凝土材料,用波形钢腹板代替,这是因为钢腹板比混凝土材料更轻便,能有效地减少桥梁的荷载。其充分发挥了混凝土的高抗压强度和波形钢腹板的高剪切屈服强度,将钢与混凝土两者充分融合,既能增加强度,又能防止材料短缺,提高材料的利用率[2]。与此类似,在其他形式中,波形钢的纵向刚度较低,克服了传统混凝土腹板因纵向变形而导致的截面预应力降低的问题。同时,通过网状钢板的网状结构,使整座桥的外观和构造都得到了完美的体现,是一种很有价值的新型桥梁。因此,近几年来,该类型桥梁在我国已经被广泛地应用,已有几十座同类型桥梁在施工。本文结合南淝河大桥工程实例,对其施工过程的要点进行分析。

1 工程概况

裕溪路至包河大道的郎溪路是南淝河大桥中最关键的一段,主桥的起始桩号如下:K5+275.577～K5+618.577。主桥在横向上分成四个部分:左幅宽19 m,右幅宽19 m,中幅宽26 m,幅间宽1 m。根据该桥在1 500 m长的平坦曲线上的实际情况,考虑了航道布局和施工的便利性,提出了“主跨等”的设计思想。其中,桥梁跨距分取为:中幅为95 m+153 m+95 m;左幅为92.313 m+153 m+92.494 m;右幅为97.687 m+153 m+97.506 m。主桥上部结构采用悬臂浇筑法,将悬浇段分为15个节段,0#墩长9 m,高8.5 m;1#墩长3.2 m;2#～15#块的长度都是4.8 m,其中2#块需要的混凝土是230.5 m3。

南淝河大桥的上部箱梁底部梁高为10.9 m,中部梁为4 m,顶部为2%的双向斜坡,基板为水平。梁高和基板的纵向厚度按1.8次抛物线进行计算。整个截面为单箱单室箱梁,其顶部宽度为13 m,底部宽度为7 m,悬臂长为3 m。箱梁顶、底板和基腹板均为C60混凝土,其顶板厚度为0.34 m,基板厚度为0.3～1.75 m。腹板为Q420qDNH型耐候钢,其直径为14～28 mm,比同等直径的预应力混凝土桥梁轻20%。在边跨箱梁上设4个钢筋混凝土横向隔板,在中跨箱梁上设8个钢筋混凝土横向隔板,其厚度为0.3 m。箱梁为双向预应力系统,由顶板、横向预应力和纵向预应力三部分组成。

波形钢腹板的高度与施工环境、构件制作工艺等因素密切相关,因此在进行结构施工时应考虑多种因素。

从纵向受力特性看,波形钢腹板PC箱梁桥与普通PC箱梁桥基本一致,均随着自身重量的降低而降低刚度。梁高的设计可以借鉴传统PC箱梁桥,在波形钢腹板PC箱梁桥中,由于其结构特性,即使增加了梁的高度,也不会对桥梁的静荷载产生太大的影响[3]。

2 波形钢腹板桥梁施工控制措施

波形钢腹板桥梁能够有效降低自身重量,使得包括基础结构等下部结构的重量也能够得到显著的下降,材料用料降低的同时能够有效降低工程造价,其经济效益是十分显著的。作为一种新型桥梁结构,相比于传统桥梁施工有一定的不同,本文通过对影响其施工质量的关键环节进行分析,分别从波形钢腹板的制作加工、位移偏差的影响、挂篮浇筑施工工艺、钢筋及混凝土施工工艺、体外预应力施加以及防腐工艺等环节,论证施工控制措施的要点,为波形钢腹板桥梁的顺利施工提供参考。

2.1 波形钢腹板制作加工

在荷载作用下,主梁在竖向受弯矩的同时,也要承受扭应力。通常,由波纹板来承受负荷所带来的剪切应力。但是,由于波形钢腹板梁桥腹板的剪力与混凝土腹板的实际情况有所不同,因此波形钢腹板梁桥在纵向上是均匀的,而且由于竖向压力较低,因此一般将其作为纯剪切结构。考虑到波形钢腹板的受力状况,既要承受剪切和弯矩的压力,又要考虑波形钢腹板的受力形态,即既要承受剪切和弯矩的双重作用,又要考虑弯曲和屈服应力。因此,需要对腹板的屈曲稳定进行计算,以合理选择波形钢腹板的几何尺寸[4]。

南淝河大桥采用的波形钢腹板在满足受力要求的前提下,其选材还符合《低合金高强度结构钢》中的相关技术规定,均在专业厂家采用大型模压机加工成型。同时根据《钢结构工程施工及验收规范》(GB50205-2001),进行波形钢腹板加工工艺和组织方案的编写工作,确保制作加工能够顺利实施。波形钢腹板的很多转折处需要设置成圆弧,在焊接时要进行工艺评定试验,目的是为了保证所有的焊缝能够达到规范要求的屈服强度、拉伸强度和低温冲击韧性等指标[5]。

南淝河大桥波形钢板焊接验收合格后,按照设计和规范的要求进行号段预拼装,成形之后根据设计图的间距要求进行开孔以便于桥位组装。钢腹板成型后应堆放整齐,不能出现不均匀沉降导致受力不均。同时在具体使用过程中要严格检查钢腹板偏位情况并对其进行调整。

2.2 施工位移偏差对波形钢腹板加工的影响

波形板钢腹板的安装高程对其加工尺寸的影响是显著的。在南淝河大桥桥面设计时,考虑因桥梁纵横坡及荷载作用而设置预拱度,而波形钢腹板的安装受到预拱度的直接影响,需要在波形钢腹板加工时给予特别的关注。特别是对于南淝河大桥这类无支架支撑的大跨度波形钢腹板桥梁,在施工过程中随着混凝土浇筑、施工临时荷载以及预应力张拉等因素的共同作用会对安装高程产生很大的位移增量。同时,南淝河大桥波形钢腹板在施工过程中进行了严密的监测,在波形钢腹板加工过程中充分考虑预拱度和桥面纵横坡对施工位移增量的影响。

2.3 挂篮悬臂浇筑施工技术

南淝河大桥波形钢腹板桥梁施工过程中需要用到挂篮。该工程所用的挂篮主体是菱形结构。在进行挂篮施工时要进行挂篮荷载试验检验其可靠性,确保整个箱梁的施工质量和安全[6]。

对于该项目波形钢腹板的安装焊接工序而言,需要根据钢腹板的奇偶数端头开孔来决定挂篮的数量和人员配备。在具体施工过程中,要用全站仪将底模端头的下翼缘板位置确定下来,将螺栓穿入孔中进行焊接,同时在焊接时要用二氧化碳作为保护气体来进行焊接成型。

在南淝河大桥波形钢腹板具体施工过程中,要检查挂篮各个部件之间的联结情况,针对存在的问题要及时进行处理。同时要确保挂篮能够同步行走,避免出现脉冲式行走方式。钢腹板下料长度要根据现场的实际情况来决定,整个过程要严格按照工艺流程进行,确保焊接过程均衡快速,且在焊接完成之后要及时将焊渣敲掉。

2.4 波形钢腹板钢筋及混凝土施工流程要点

波形钢腹板钢筋施工时要根据其直径来选择合适的处理手段。对于直径<25 mm且>12 mm的钢筋,其连接方式采用的是闪光对接焊接;而对于直径>25 mm的钢筋则采用机械连接方式。南淝河大桥中应用到的波形钢腹板,特别是针对1#、2#块以及直线段波形钢腹板,其钢筋要和栓钉绑扎在一起,将钢腹板下翼缘板U型钢筋在钢腹板运到现场吊装前进行焊接。

南淝河大桥波形钢腹板施工时还采用了高性能混凝土,在具体浇筑时要特别注意连接部位的振捣顺序和时间。混凝土振捣由波形钢腹板的内侧向外侧进行,要将气泡振捣出来,对于料不足的地方要及时进行补料。为了确保波形钢腹板下翼缘钢板处的空气排除干净,要专门在下翼缘板上开设圆孔,使气体能够排除,直至混凝土浇筑从圆孔冒出为止,能够有效保证混凝土的密实性。

2.5 波形钢腹板的体外预应力施工

南淝河大桥波形钢腹板箱梁施工时采取了内外部施工相结合的方式,这与常规的混凝土预应力箱梁有所不同。在顶板、底板上都安装了纵向预应力钢筋,并通过这些预应力钢筋承担着浇筑过程中的压力以及自身的载荷。但因为钢筋腹层属于钢筋腹板的单元,所以施加在钢筋箱体上并不是竖向预应力,而是在箱体中安装了体外预应力,并通过转向器实现了旋转,所以实现了曲线的折线配筋,最后施加在0#块与现浇块末端之间的梁上。张拉浇筑完成之后,再用设计方法把预应力钢筋固定,让体外索承受外部载荷。如果需要,在使用过程中关闭交通,或在夜间车辆不多的情况下进行张拉、替换,以加强桥梁结构或增加其承载力[7]。

在进行体外预应力张拉时,有下列要点:

(1)施工时如发现有任何异常,必须立即中止或停止施工,并确认现场的状况,通知监理及设计部门,查明事故原因,并在处理后继续进行[8]。

(2)在进行实际受力之前,必须先将千斤顶扶正,并使之垂直于锚杆末端。

(3)在施工过程中,要注意油压计的读数。张拉动作要慢、对称,防止过载,并做好记录。

(4)在张拉的一端,操作者在张拉前应确保对讲机通信畅通,能同时张拉,使张拉速度均匀,直至张拉结束。

2.6 波形钢腹板的防腐蚀施工要点

南淝河大桥采用的是耐候钢,由于加入了铜、镍等元素,使其抗腐蚀性大大增强,达到了超低合金钢的水平。

在耐候钢中添加了大量的抗腐蚀剂后,能在空气中形成一层氧化膜,使其不能直接接触空气,在一定程度上减缓氧化过程,从而降低大气对钢材的侵蚀。通过这种氧化膜,可以增强耐候钢的抗腐蚀性能,既节省了时间,又节约了能源,而且更容易更新,使之能够持续地发展[9]。

为了保证桥梁的耐用性,在设计中,波形钢腹板的内外壁都进行了简单的油漆喷刷;同时,根据一般钢结构的要求,施工现场要保持清洁,表面的油脂等要清除。一般可在室外进行除锈处理,也可在室内或工厂进行。

3 结语

本文针对南淝河大桥波形钢腹板施工控制措施,从制作加工、施工位移偏差对其的影响、挂篮浇筑施工工艺、钢筋及混凝土施工工艺、体外预应力施加以及防腐工艺等方面进行了多角度的分析,从而有效控制波形钢腹板的施工质量和安全。同时指出,波形钢腹板施工涉及众多工序和流程,每个工序都会对最终的产品质量产生影响,因此在具体施工过程中要予以特别的关注,保证波形钢腹板能够保质保量完成施工。