+ 设为首页 + 收藏本站
 
 
最新技术资料
 
 
技术资料
 
大跨径波形钢腹板pc组合箱梁桥的设计与施工
发布时间:2015/3/16 11:02:56    发布人:dajianpp
罗霞1,韦建刚1,陈宝春1,张启标2,吴庆雄1
(1、福州大学土木工程学院,福建,福州市,350108;2、湖州交通规划设计院,浙江,湖州,313000)
 
摘要:波形钢腹板PC组合箱梁桥是近年来兴起的一种新型桥梁,它充分利用了混凝土和钢的材料优点,受力合理,实现主梁相对轻型化,免除混凝土腹板内预埋管道的烦杂工艺,从而方便施工,减少工程量,缩短工期,降低成本本文以跨径布置为52m+90m+52m的浙江省湖州市南浔区应界桥为例,介绍了这种新型桥型的主要结构(如主梁波形钢腹板连接件预应力体系)的设计与施工方案,为将来类似工程的应用提供参考和借鉴。
关键词:波形钢腹板;体外预应力;组合箱梁桥;设计;施工
 
    波形钢腹板预应力混凝土(PC)组合箱梁桥是一种新型的钢-混凝土组合结构[1],其中波形钢腹板箱梁结构在顶、底板采用钢筋混凝土结构,在混凝土体内布置预应力钢束,并在箱内空间设置体外预应力钢束,混凝土腹板用波形钢腹板替代,大幅减轻主梁自重,有效控制腹板的斜裂缝,减少下部结构的工程量[2]。自1998年以来,中国开展了波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁力学特性等方面的专项研究,并将研究成果推广到桥梁建设中。目前国内已建成的该类桥梁有:江苏淮安长征人行桥、河南光山泼河大桥、重庆永川的大堰河桥、青海三道河桥、宁波甬新河桥、山东东营银座人行桥和河南卫河高速公路桥等[3,4]。这些桥梁的建成,推动我国波形钢腹板PC组合箱梁桥进入—个新的发展阶段。本文将以浙江省湖州市南浔区应届桥为例,介绍这种新型组合结构桥梁的设计与施工方案,为将来类似工程的应用提供参考和借鉴。
1.工程概述
本工程为旧桥改建工程。根据南浔区域规划及老应界桥病害情况,应界桥改建桥址,南移至宝马线附近的人瑞西路上,与已建的人瑞路相接。应界桥桥梁跨径布置为7×25m+(52+90+52)m+7×25m,全长549m。主桥为(52+90+52)m三跨波形钢腹板预应力混凝土变截面连续梁,位于半径R=1500m的竖曲线上。引桥采用7×25m先简支后结构连续预应力混凝土T梁。桥梁横向布置为2.75m (人行道及栏杆)+2.5m(非机动车道)+2×3.5m(行车道)+0.5m(路缘带)+0.75m(波形护栏)+0.5中央分隔带+0.75m(波形护栏)+0.5m(路缘带)+2×3.5m(行车道)+2.5m(非机动车道)+2.75m(人行道及栏杆),全宽27.5m。
主桥主墩采用实体矩形墩,群桩接承台基础。过渡墩均采用柱式墩,群桩接承台基础。桥台的结构形式考虑采用肋板式桥台。引桥桥墩采用桩柱接盖梁式墩,钻孔灌注桩基础。桥梁设计荷载为公路-级。主桥的总体布置见图1。
2.波形钢腹板PC组合箱梁桥的结构设计
2.1 组合箱梁构造
主桥分左右双幅,单幅采用单箱单室截面,箱梁顶宽为13.5m,底板宽度为7.5m。梁高和底板厚度均采用二次抛物线规律由跨中向根部变化,跨中梁高2.8m,底板厚0.28m,根部梁高5.8m,底板厚0.8m。箱梁翼缘悬臂3m,悬臂端厚度20cm,悬臂根部厚度70cm。底板从支点的80cm渐变到跨中截面的28cm。箱梁在边跨设置3道横隔板,在中跨设置7道横隔板,横隔板厚50cm。主桥主梁标准横断面见图2。
为提高支点截面的抗剪能力,在距边跨端部5.32m范围内的波形钢腹板内侧浇筑内衬混凝土,中墩位置的内衬混凝土长度为8.2m,内衬混凝土厚度从30cm变化到70cm(边墩)和80cm(中墩)。内衬混凝土构造见图3。

2.2波形钢腹板
波形钢腹板的波纹形状首先取决于其力学性质,波形钢腹板除了满足剪应力的要求外,还要满足剪切屈服稳定性(包括整体屈曲、局部屈曲、合成屈曲),其次压力机的制作能力、运输尺寸的限制、现场吊装和拼装要求决定了每块波形板的形状,另外,还需兼顾经济性、美观性等方面的要求[5,6]考虑上述因素,主桥主梁的波形钢腹板采用了适合本桥建设规模的1600型,其波长1.6m,波高0.22m,水平面板宽0.43m,水平折叠角度30.7º,弯折半径为15t(t为波形钢腹板厚度),其厚度根据不同位置选用10mm、14mm、16mm和18mm四种型号。波形钢腹板的结构构造见图4。

2.3连接件构造
2.3.1波形钢腹板与顶、底板混凝土的连接件
在波形钢腹板PC组合箱梁桥结构设计中,波形钢腹板与混凝土上、下翼板的连接是设计的关键环节,它直接关系到整个组合梁的承载能力。设计时必须考虑到钢材和混凝土材料两者之间发生的纵向水平剪力是否满足要求,是否能够有效地控制二者之间产生的水平剪切力,以确保桥梁运营时,钢腹板和混凝土材料之间不产生相对位移,因此需要对抗剪连接件进行合理地设计[7]
本桥波形钢腹板采用Twin-PBL连接件的形式与顶板连接,如图5(a)所示。波形钢腹板顶部焊接倒“TT”形开孔钢板,底钢板板厚16mm,宽600mm,兼作箱梁顶板加腋处混凝土浇筑时的底模,开孔钢板的厚度有16mm和20mm两种,钢板上设置直径60mm的圆孔,并贯穿直径为25mm的横桥向钢筋。
波形钢腹板与底板的连接采用嵌入式连接件,如图5(b)所示。它充分利用了埋入混凝土板中的波形钢腹板斜板段抗剪的效能,减少了抗剪部件的使用,也使得焊接总量大幅度地减少,便于施工,缩短工期[8]。本桥的波形板嵌入深度为280mm,嵌入部分设置两排直径为60mm的圆孔,圆孔纵向间距为160mm,竖向间距为110mm,孔内贯通直径为20mm的横桥向钢筋。


2.3.2波形钢腹板与内衬混凝土、横隔梁的连接
波形钢腹板与内衬混凝土采用焊钉进行连接,如图6(a)所示。波形钢腹板与横隔梁之间也采用Twin-PBL连接件进行连接,其钢板开孔直径为60mm,贯穿钢筋直径20mm,如图6(b)所示。

2.4预应力体系设计
2.4.1预应力束布置
箱梁纵向预应力采用体内与体外相结合的体系,其中体内预应力索用于抵抗一期恒载和施工过程临时荷载,而体外预应力则用于抵抗二期恒载和活载。
悬臂顶板束采用19φs15.20体内预应力钢束,中跨底板合拢束均采用17φs15.20体内预应力钢束,边跨底板和顶板合拢束、中跨顶板合拢束采用15φs15.20体内预应力钢束,锚下控制张拉应1395MPa。
本桥采用的体外预应力体系是以“易安装、可检查、可维修、可更换”为出发点进行设计,采用了具备有效防腐措施的体外预应力体系,可方便进行单根换束、多次张拉、补张拉等操作。体外预应力钢束采用22φs15.20类型钢绞线,锚下控制张拉应力1209MPa。箱梁顶板横向预应力采用2φs15.20钢绞线,锚下控制张拉预应力1395MPa。具体布置见图7。
 

2.4.2体外索转向装置
体外预应力桥梁中体外预应力索的转向装置是一种特殊构造,是体外预应力结构的关键构造,其在跨内是唯一与混凝土体有联系的构件,由于受到较大的的集中力和预应力筋的摩擦力使得其构造和受力较为复杂。转向块的作用是传递体外束产生的水平和垂直横向力,限制体外束自由长度,调整体外束的偏心距。合理布置转向块,调整体外预应力筋线性。有利于改善结构抗弯、抗剪的受力性能[9]
本桥在钢束转向处设置钢束转向装置,在钢束直线通过混凝土构件的位置设置钢束定位装置,钢束转向装置曲线要素应严格与钢束的曲线要素一致。转向器和保护套采用无缝钢管和内衬HDPE组成。无缝钢管的表面粗糙度小于等于0.12,为防止体外束索体与钢管接触而磨损,采用HDPE护套。转向器大样如图8所示。

2.4.3减震器设置
体外索的锚固点与弯折点之间或者两个弯折点之间的自由段长度不宜太长,否则应设置防震动装置,以避免微震磨损[10]。根据《无粘结预应力混凝土结构技术规程》(JGJ92-2004规程[11]规定,除非震动分析许可,体外预应力束的自由段长度不应超过8m。本桥体外束自由段长度超过8m借鉴于日本高速公路《设计要领》[12],可在跨径1/4以内设置体外预应力筋减震器,钢束防震定位装置每隔8~10m设置一个。减震器的纵桥向布置可见图7,具体大样如图9所示。
 

3.波形钢腹板PC组合箱梁桥的施工方法
3.1 施工流程
主桥的主要施工过程如下所示:
1)基础、承台和桥墩施工完成后,搭设墩旁支架。吊装1号波形钢腹板,临时固定,绑扎0、1号块箱梁钢筋,浇筑0、1号块箱梁混凝土。待混凝土达到设计强度90%且养护龄期不小于14天后,张拉顶板纵向体内预应力钢束并锚固灌浆。0号块临时固结,并在已浇梁段上安装挂篮,如图10(a)所示。
2)吊装、临时固结2号波形钢腹板,并与1号波形钢腹板连接,绑扎2号块箱梁钢筋,浇筑箱梁混凝土。待混凝土达到设计强度90%且养护龄期不小于14天后,张拉顶板纵向体内预应力钢束并锚固灌浆,前移挂篮。重复以上步骤,施工到合龙梁段。当挂篮前移且其后锚固点移出已浇筑梁段后,张拉该梁段横向预应力。n节段混凝土浇筑时浇筑n-1节段加劲肋立柱,后一道横隔板的节段混凝土施工后,施工前一道横隔板。边跨过渡墩旁搭设支架并预压,设置临时纵向约束,安装边跨现浇段波形钢腹板并浇筑边跨现浇段,如图10(b)所示。
3)待边跨合拢段两侧混凝土强度达到90%设计强度,且养护时间不小于7天后,移动挂篮并改装或拆除,安装边跨合拢吊架。边跨合拢段两端进行压重,调整两端标高,并进行合拢段临时锁定。吊装合拢段钢腹板,并与两侧钢腹板连接,绑扎合拢段箱梁钢筋,浇筑箱梁混凝土;浇筑混凝土时边跨合拢段两端压重同步卸载。边跨合拢段混凝土达到设计强度的90%且养护龄期不小于14天后,拆除边跨现浇段临时纵向约束和主墩临时固结,对称张拉边跨纵向合拢段底板束及顶板束并锚固灌浆,如图10(c)所示。
4)移动中跨挂篮并改装或拆除,安装中跨合拢吊架。中跨合拢段两端进行压重,调整两端标高,并进行合拢段临时锁定。吊装合拢段钢腹板,并与两侧钢腹板连接,绑扎合拢段箱梁钢筋,浇筑箱梁混凝土,浇筑混凝土时合拢段两端压重同步卸载。边跨合拢段混凝土达到设计强度的90%且养护龄期不小于114天后,对称张拉中跨纵向合拢段底板预应力束并锚固灌浆,张拉按照先长束后短束的原则。拆除中跨合拢段吊架,张拉中跨剩余横向预应力束,如图10(d)所示。
5)拆除墩旁支架,张拉通长体外预应力束,先张拉全桥通长体外预应力束,再张拉中跨体外预应力束,完成桥面铺装及其他附属设施,如图10(e)所示。

3.2 施工要点
1)波纹钢腹板采用Q345D,波纹钢腹板刚度小,在制作运输过程中应注意边角保护,在钢板表面涂装未完全干透时不得进行搬运,在运输过程中应对防腐涂装采取保护措施。波纹钢腹板制造过程中,为保证焊缝质量的前提下,应尽量采用焊接收缩变形小的焊接方法措施。所有类型的焊接在施焊前,应做焊接工艺评定试验以确定正式施焊工艺。所有的焊缝的屈服强度、抗拉强度、低温冲韧性等不应低于母材规定值,并符合现行国家标准。波纹钢腹板在制作、运输和架设过程中应确保其形状,防止发生面外变形。
2)预应力钢束应严格按照设计提供的张拉顺序和张拉控制应力进行,施加预应力采用张拉吨位与引伸量双控。箱梁两侧腹板应对称张拉,同束钢绞线应采用两端同步张拉,千斤顶的升、降压速度相近。
3)悬臂施工时,主墩应进行临时固结。临时固结方案应能够抵抗施工过程中可能出现的最大不平衡弯矩5305t.m(挂篮计算重量为70t),不平衡弯矩应包括不平衡梁段重、挂蓝等机具重量及位置、风荷载等因素,并留有至少1.2的安全系数。墩身及箱梁0号块施工时应注意预埋相应的预埋件,采取的临时固结措施应能保证桥梁安全和美观,可采用预应力临时锚固系统。
4)合龙段混凝土浇筑前应对合龙段进行临时锁定,防止合龙段混凝土在施加预应力之前开裂。在合龙段两侧的一个梁段施工时,注意预埋临时锁定的预埋件。
3.3施工监控
大跨度波形钢腹板预应力混凝土箱形连续梁的施工,在我国经验不多,其施工除严格遵守《公路桥涵施工技术规范》(JTG/JF50-2011)[13]外,还应参照日本类似桥梁的建设经验与我国大跨度桥梁建设经验,加强施工监控。按我国大跨度桥梁施工惯例,施工监控可委托第三方施行。
鉴于波形钢腹板预应力混凝土桥技术的新颖性,施工监控应具备较高结构计算分析能力,以便在施工过程中利用实测参数及时调整监控计算,确保成桥线形。据以前经验,本桥挠度计算结果中,剪力影响可超过20%,故施工监控中应采用较合理的计算方法与计算软件。
4.结语:
相对于常规混凝土连续梁桥而言,波形钢腹板PC组合箱梁桥具有抗震性能好,预应力效率高,工作量小,进度快,造型美观,可有效避免腹板开裂的特点,且可采用更换式的体外预应力体系,便于后期维修养护。因此越来越多地被国内工程界所重视,国外已经成功修建的桥例促进了我国的科研人员及工程师们加快对这类结构的研究步伐。
湖州市南浔区应届桥是我国对波形钢腹板PC组合箱梁桥的又一次应用,通过对该桥的研究探索和成功实践,使得波形钢腹板PC组合箱梁桥在国内的应用得到进一步的推广,可为将来类似工程的应用提供参考和借鉴。
 
 
参考文献:
[1]波形钢腹板PC组合箱梁桥的建造[J].卢炳灿,张用军,万水,徐乃洋.黑龙江工程学院学报(自然科学版).2005,19(3)
[2]波形钢腹板在桥梁结构中的应用与展望[J].孙虎平,高中俊,郭红军,宋丹.城市道桥与防洪.2011,(2)
[3]波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计与应用[M]. 徐强,万水.人民交通出版社.2010.
[4] 我国几座波形钢腹板PC组合箱梁的设计与建造[J].李淑琴,陈建兵 ,万水.陈华利.工程力学.2009,26.
[5] 波形钢腹板PC组合箱梁桥设计[J].常兴文.交通标准化.2006,(7).
[6]波形钢腹板的设计方法[J].黄琪.长安大学学报(自然科学版). 2009,(3)
[7] 波形钢腹板箱梁设计与计算分析[J].陈金旺.中外公路.2009,29(5).
[8]波形钢腹板PC 箱梁桥应用综述[J].陈宝春,黄卿维.公路.2005 ,(7).
[9]体外预应力桥梁关键部位典型构造形式及其配筋研究[D].卢春玲.长沙理工大学学位论文.2006.
[10]卫河大桥波形钢腹板箱梁的设计[J].吴继峰,汤意,吴萍. 公路.2010 ,(1).
         [11]《无粘结预应力混凝土结构技术规程》(JGJ92-2004)[S].建筑工程行业标准. 2004.
[12]《设计要领》(第2集 桥梁建设编) [M].日本高速道路株式会社(NEXCO).高速道路通用技术研究所.2006.
         [13]《公路桥涵施工技术规范》(JTG/JF50-2011)[S].中华人民共和国行业标准. 2011.
 
设为首页 | 加入收藏 | 联系我们 | 法律声明 | 在线咨询 | 网站后台
 
版权所有:河南大建桥梁钢构股份有限公司   地址:郑州市经开区南三环经开二十五大街交叉口西南角  备案号: 豫ICP备12017700号-1