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波形钢腹板预应力混凝土箱梁施工技术
发布时间:2015/4/5 11:21:20    发布人:dajianpp

1 工程概况

        金湖至马坝高速公路是连接淮安市金湖县与宁淮高速的一条重要公路,全长23. 347km,中交一公局桥隧工程有限公司承建的金马高速JM - A2 合同段,起讫桩号为K8 + 425 ~ K15 + 825,共7. 4km。本合同段主要为路基、桥梁及涵洞,包括东阳互通区一处,其中东阳互通区的N 线立交桥,全桥11 跨分3 联,分别为( 25 + 25 + 25 + 25 + 25) m + ( 30 + 40 + 30) m +( 25 + 25 + 25) m,第一联、第三联上部结构采用单箱双室预应力混凝土连续箱梁,梁高1. 4m。第二联跨越主线,上部结构采用单箱双室波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁,梁高2. 0m。箱梁悬臂长度为200cm,箱底宽800cm,采用直腹板,箱梁全宽为1200cm。波形钢腹板梁高94cm,钢板厚1. 2cm,标准单波长度120cm,波高20cm; 上下翼缘板宽32cm,钢板厚2cm。波形钢腹板现浇箱梁横断面见图1。


 

2 波形钢腹板预应力混凝土箱梁的特点

        波形钢腹板预应力混凝土箱梁就是用波形钢腹板取代预应力混凝土箱梁的混凝土腹板的箱形梁,简称为波形钢腹板PC 箱梁。其显著的特点是用8 ~ 30mm厚的钢板取代厚30 ~ 80cm 厚的混凝土腹板。由于顶板、底板预应力束放置空间有限而使用体外索是波形钢腹板PC 箱梁的第二特点。波形钢腹板取代混凝土腹板,减轻了自重,彻底解决了箱梁腹板裂缝的难题,还因波形钢腹板的手风琴效果,提高了预应力的效率。

3 波形钢腹板PC 箱梁桥的发展状况

        波形钢腹板PC 箱梁桥源于法国,近年来在日本得到广泛应用,我国对波形钢腹板箱梁桥的研究还处于初级阶段,先后有交通部交通科研院及几所大学等单位,对波形钢腹板PC 箱梁的钢腹板屈曲强度、方案设计、桥面板有效宽度、剪力连接键等做过研究,到目前国内修建好的波形钢腹板箱梁桥较少,但较多地方已开始采用波形钢腹板箱梁桥取代传统的混凝土箱梁桥,标志着我国波形钢腹板PC 箱梁桥的建设进入了一个新的发展阶段。

4 波形钢腹板PC 箱梁桥支架法施工工艺

波形钢腹板PC 箱梁桥根据桥型的不同可采用不同的施工方法,一般较小跨度的波形钢腹板PC 箱梁桥采用支架法现浇施工,对跨径较大的波形钢腹板PC 箱梁桥或桥下搭设支架有困难的场所,通常采用悬臂法浇注施工。金马项目N 线桥采用支架法现浇施工,波形钢腹板PC 箱梁桥支架法施工工艺流程,详见图2。


 

        波形钢腹板PC 箱梁桥支架法施工,与普通的现浇箱梁施工工艺基本一致,所不同的是普通箱梁的腹板为钢筋混凝土,而波形钢腹板箱梁是由波形的钢板来代替钢筋混凝土腹板,以下按施工顺序阐述波形钢腹板的施工工艺。

4. 1 施工准备

        包括施工技术准备和施工现场准备。施工前要认真核对设计文件,编制专项施工技术方案和专项安全技术方案,方案经评审满足现场施工要求,并报业主和监理审批; 对钢筋、砂石、水泥的原材料进行质量检验,并进行混凝土配合比设计; 对现场人员进行技术和安全交底; 对现场墩台、盖梁、支座等组织验收等。施工现场准备包括对各种机械设备、模板支架进行现场检验; 对桥下施工场地进行整平、压实,对基坑、泥浆池和危及支架安全的地基要认真检查、回填夯实。需设置有效的排水系统,规划合理的交通线路,并对支架基础进行混凝土硬化,确保支架安全、可靠。

4. 2 测量放样

         对支架搭设进行测量放样,并用白灰洒出相应的搭设位置,然后按方案内容进行支架搭设、安装底模,按梁体自重荷载1. 2 倍系数的重量对支架进行预压,预压需严格按设计要求或规范要求进行。预压完成后,根据预压处理的数据对底模标高进行精确调整。

4. 3 搭设支架及预压

        在基础施工、搭设支架及预压的同时,应进行波形钢腹板现浇箱梁底板及横隔板钢筋加工,以便在预压结束,底板调整好后及时进行底板及横隔板钢筋的绑扎,并根据实际情况安装体外索转向器。

4. 4 波形钢腹板的加工及制作

        波形钢腹板的加工及制作一般需要2 个月以上的时间,应当提前确定波形钢腹板的生产厂家,以免影响现场施工安排。

4. 4. 1 波形钢腹板原材料的选用

      现阶段,波形钢腹板桥梁用的结构钢主要选用低合金高强度结构钢( GB /T 1591) ,低合金高强度结构钢有A、B、C、D、E 五种,桥梁钢只用C、D、E三种,在选用时,应综合考虑结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢板厚度和工作环境等。东阳互通区N 线桥第二联波形钢腹板PC箱梁的钢腹板采用12mmQ345C 钢板,全联由三跨组成,每跨有3 片波形钢梁腹板构成两个箱室,30m 跨径的波形钢梁腹板有5 个节段组成,40m 跨径的波形钢梁腹板有7 个节段组成,全桥共51 个节段。波形钢梁腹板在墩顶横梁处相互间不设连接,而是通过设置在波形钢梁端部的开孔连接钢板,用穿孔钢筋形式与端横梁连接。

4. 4. 2 波形钢腹板的成型

        波形钢腹板的成型应按《组合结构桥梁用波形钢腹板》( JT /T784 - 2010) 进行。一般以波形板波幅方向做加工钢板宽度方向,采购时据此确定钢板规格,波形钢板制造所使用材料必须有材质证明并应对其进行复验。钢腹板的成型一般有2 种方法,冲压法和模压法。

冲压法的特点是压制设备费用较省; 但由于板材需多次反折移动,厚重的大板制作较困难; 因要进行材料的多次反折,压波作业效率低,误差较大,精度较难控制。

模压法的特点是可以较短时间内压制一个波长;因此可以连续压制,故可能尽钢板长度制作( 仅受运输长度限制) ; 压模的制作费用较高。2 种压波方法均可采用,但精度控制以压模法最好,若大量生产也宜用压模法。

4. 4. 3 波形钢腹板焊接

        波形钢腹板的焊接包括: 波形钢腹板间的连接焊接、波形钢腹板与翼缘板的焊接、连接键与翼缘板的焊接等。对所有焊接均应在施焊之前进行焊接工艺评定。除波形钢腹板间为接高而进行的工厂水平对焊为一级焊缝外,其余波形钢腹板的焊缝均为二级。一、二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷的检验。超声波不能对缺陷作出判断时应采用射线探伤。波形钢腹板与翼缘以及翼缘与抗剪连接件的焊接,应遵守《钢结构工程施工质量验收规范》( GB50205 - 2001)的规定。特别是波形钢腹板与翼缘的密贴度,经过弯曲加工的腹板,必须确保其与翼缘的密贴。对于波形钢腹板的焊接,应遵守《公路桥涵施工技术规范》( JTJ041 - 2000) 的相关规定。

4. 4. 4 波形钢腹板的涂装

      波形钢腹板的涂装应符合《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》( JT /T722 - 2008) 的要求。钢结构的外表面是桥梁涂装的主体。一般采用底涂层+ 中间涂层+ 面涂层的长效重防腐涂层配套体系,并选用高性价比的配套涂料。

       (1) 底漆一般采用环氧富锌底漆及热喷锌/喷铝涂层。N 线桥波形钢腹板的初步设计采用热浸锌处理,在图纸审核及现场考察期间,通过对相关工艺的了解和比较,我们向设计单位提出了优化申请,原设计的热浸锌优化变更成喷涂含锌15% 的锌铝合金,上述优化的原因有三:

        ①热浸锌不适应本桥梁构件的施工,热浸锌是将整个构件全部浸入锌液中对构件的整个表面进行处理,经过热浸锌处理的表面光滑,而波形钢腹板的某些部位需要与混凝土紧密粘结,不适宜全部浸锌处理。

        ②热浸锌的防腐原理,主要是通过钢材表面附着的锌膜,阻止空气与铁反应形成锈蚀,保持这一功效的关键是锌膜的粘帖力度,而现在喷涂锌铝合金的工艺,经过喷砂除锈及表面粗糙化的处理,防腐效果完全不逊与热浸锌处理。

        ③热浸锌施工工艺属高污染的产业,国家已经严格限制相关产业的发展,特别是对于像波形钢腹板这样较大的构件进行浸锌处理,所需的成本较大,与热喷锌铝合金相比较每吨差价达2000 元以上。N 线桥钢腹板底漆最终采用热喷锌铝合金+ 封闭底漆的结构层进行处理,喷锌铝合金前的钢腹板表面除锈等级要求达到GB8923 - 88 标准的Sa3 级,表面粗糙度要求达到( GB9793 - 88 ) 标准的Rz40 ~60μm,分3 层采用电弧喷涂法喷涂施工,每层不小于50μm,共计150μm。

       (2) 中间漆采用环氧云铁,其有优异的屏蔽性能、力学性能及适当的粗糙度而与面漆配套性能好。中间漆的设计厚度为100μm,分2 次喷涂,第一层喷涂与底漆的间隔时间为1 ~ 3 天,2 层环氧云铁喷涂的间隔为8 ~ 14h。

       (3) 面漆宜采用高耐候性面漆。在苛刻的腐蚀环境下,长寿命涂层体系可采用耐候性能更加卓越的交联性氟碳涂料。高性能氟碳面漆粉化减薄速度为0. 5μm/年,30 ~ 40μm 的面涂层足以保证25 年的保护寿命。N 线桥的面漆采用2 层氟碳面漆,每层厚50μm,完全满足设计使用年限( 一般20 ~ 25 年) 内的防腐功效。


 

4. 5 波形钢腹板现场安装及现场喷涂施工工艺流程,详见图3。

        (1) 波形钢腹板的安装在底板钢筋绑扎后、顶板钢筋绑扎前,波形钢腹板宜分段安装,安装顺序从一端向另一端顺序安装,并及时纠偏焊接。波形钢腹板的安装用汽车起重机吊装拼接,施工前安排测量人员对波形钢腹板的安装位置进行准确标高控制和平面放样,见图4。

(2) 波形钢腹板节段间的接头,应采用搭接焊。搭接焊时,为了防止波形钢腹板钢板之间的表面产生缝隙,应当进行临时固定。N 线桥初步设计图中,没有设计高强连接螺栓,包括临时连接螺栓。考虑到现场安装的质量要求,经我项目部申请及设计院的批复,在波形钢梁制作时,每个节段间的连接部位增加了3 个临时连接螺栓。现场施工表明是很有必要的,否则无法使波形钢腹板节段间的搭接贴角焊钢板紧密固定,从而保证焊缝焊接质量。


 

        (3) 波形钢腹板与混凝土顶板、底板连接件施工。波形钢腹板与混凝土上下桥面板的连接,在设计荷载作用时最基本要求是不会发生剪移,为了保证这一性能,目前多采用的有埋入式连接、角钢剪力键连接、开孔钢板连接件连接、及栓钉连接等四种最基本的连接方法,在组合结构中,通常会出现两种或两种以上的组合连接情况,在N 线桥中与上混凝土面板采用双开孔钢板+ 单栓钉的组合进行连接,与下底板的连接采用单开孔钢板+ 双栓钉的组合进行连接。

        (4) 波形钢腹板的现场喷涂。波形钢腹板的现场喷涂指波形钢腹板的现场贴角焊施焊完毕并检测合格后,对现场施焊的部位需进行相应的防腐处理,包括一般设计要求的末道面漆必须在现场喷涂等。现场防腐处理的方案与工厂处理的方案基本相同。波形钢腹板涂装前要进行表面除锈、除尘处理,一般情况下,涂料最好在表面处理完成后4h 内施工于准备涂装的表面; 当所处环境的相对湿度大于60%时,可适当延时,但最长不超过12h; 不管停留多长时间,只要表面出现返锈现象,应重新除锈。在有雨、雾、雪、大风和较大扬尘条件下,应禁止户外作业。涂料应在充分搅拌均匀后方可施工,对于双组分或多组分涂料应先将各组分分别搅拌均匀,再按比例配制并搅拌均匀。大面积喷涂应采用高压无气喷涂施工,细小面积以及复杂形状构件可采用空气喷涂或刷涂施工。涂覆间隔按照设计要求和材料工艺进行底涂、中涂和面涂施工,每道涂层的间隔时间应符合材料供应商的有关要求,超过最大重涂间隔时间时,应进行拉毛处理后涂装。现场末道面漆涂装前,应对运输和装配过程中破损处进行修复处理; 采用淡水、清洗剂等对待涂表面进行清洁处理,除掉表面灰尘和油污等污染物。施工中随时检查湿膜厚度以保证干膜厚度满足设计要求。干膜厚度采用“85 - 15”规定判定,即允许有15%的读数低于规定值,但每一读数不得低于规定值的85%。对于结构主体的外表面可采用“90 - 10”的规则判定。涂层厚度达不到设计要求时,应增加涂装道数,至直合格为止。漆膜厚度测定点的最大值不能超过设计厚度的3 倍。当检测的涂层厚度不大于250μm 时,各道涂层和涂层体系的附着力按划格法进行; 当检测的涂层厚度大于250μm 时,附着力试验按拉力试验进行,涂层体系附着力不小于3MPa。用于钢桥面的富锌底漆涂层附着力不小于5MPa。

4. 6 混凝土施工

        波形钢腹板安装和检测完成之后,就可以根据实际情况进入模板支设及混凝土浇注工序了。混凝土浇注可采用分步法浇注,第一步浇注底板和横隔板混凝土,第二步浇注顶板混凝土。混凝土浇注宜采用水平分层或倾斜分层方法连续浇注。水平分层时上下错开距离应保持在1. 5m 以上,倾斜分层时,倾斜面与水平夹角不得大于25°。浇注混凝土的原则是从低处向高处浇注。浇注混凝土应采用插入式振捣棒施工,振捣时避免振捣器碰撞模板、钢筋、波纹管及其他预埋件,振捣应密实,不漏振、欠振或过振,注意控制混凝土标高,箱梁顶表面的混凝土应压实抹平,在其初凝前进行拉毛处理。转向器、锚具周围振捣宜距离其10cm 左右,防止扰动其位置,并实施二次振捣以确保锚下混凝土密实。横梁处混凝土在底板混凝土振捣密实后分层浇注,分层厚度30cm 左右,每层混凝土振捣时插入下层混凝土5cm 左右。连接处混凝土施工应保证连接部位的混凝土填充密实。混凝土振捣宜选用直径较小混凝土插入式振动棒,并避免碰触连接件。浇注顶面混凝土前,应清除模板、钢筋及波形钢腹板施工时粘结的混凝土,以为确保混凝土的施工质量。

4. 7 预应力施工

(1) 体外索的防腐系统

        体外索的防腐系统是由附着在普通钢绞线外的环氧涂层、包裹在单根钢绞线外的HDPE 小外套及包裹在整束体外索外的HDPE 大外套共同组成。环氧喷涂钢绞线是采用高压静电喷涂法将环氧树脂粉末喷射于钢绞线上,然后加热熔融、固化、冷却,从而在钢丝表面形成一层致密的环氧涂膜。环氧喷涂钢绞线的优点是化学性能优良、温度稳定性优良、对金属材质的附着性好、抗阴极分解好、耐曲折度优良、抗冲击性优良、耐磨性好、低氧渗透性好。HDPE 套筒必须考虑其强度、耐久性、水密性、保护管道在使用时必须不应变形,对外部的冲击也要有一定的强度。

(2) 转向装置

        体外索转向器有集束式和散束式2 种类型,集束式转向器可用于成品和非成品体外索,散束式转向器适用于非成品体外索,东阳互通区N 线桥成品索采用单层集束式转向器。该转向器是由符合设计要求的无缝钢管加工而成。体外索转向器的弯曲半径,从钢绞线受力状态而言越大越好,但如果弯曲半径设置过大,弯曲部的构件尺寸就变大,从而使桥梁自重增加,因此在确保安全的情况下,转向器的弯曲半径可以做的小一点。转向器出口圆滑过渡,可以消除安装、施工的误差所产生的附加应力。同时可以减少HDPE 套管的磨损。

(3) 锚固装置

        目前开发出的、可用于箱梁的体外索锚固系统有常规喇叭管锚下构造式锚固系统和承压板下采用直导管锚下构造式锚固系统。前者分可更换和不需要更换2 种,后张均可更换。可更换和不需要更换两类体外预应力锚固系统均应符合耐久性设计的基本要求。当环境类比和耐久性设计标准条件相同时,二者的耐腐蚀性防护水平应相当,不能因为体外索可更换或不需要更换而降低耐久性设计质量标准。选用体外预应力索锚具时,一般遵循索力可调、可换索体的原则。使用体外预应力索时,需选定相应的能满足构造物的各个条件的施工方法及构造尺寸。需注意各产品体系型号和参数。东阳互通区N 线桥体外索的锚固系统,根据设计及厂家建议选择可换但不可调式的承压板下采用直导管锚下构造式锚固系统作为该桥体外索的锚固系统。

(4) 减震装置

        车辆通行等各种因素会引起结构与索体产生振动,如果索体的自振频率与整个结构的振动频率相近时,可能出现共振,给整个桥梁的安全带来隐患。东阳互通区N 线桥,由于桥梁跨径小,且均设计了转向器,故该桥未设置减振装置,换句话讲,该桥体外索的振动频率与桥梁的振动频率不会产生耦合现象,不会产生对桥梁有害的共振现象,所以N 线桥未设置减震装置,但作为体外索,在设计及施工之初其是必须考虑的因素。

(5) 体外索的施工准备包括体外预应力索的制作、验收、运输、现场存放,锚固体系和转向器的验收与存放,体外预应力索安装设备的准备,张拉设备的标定和准备,灌浆材料与设备的准备等。体外应力索结构锚固区的锚下结构和转向块的固定套管宜与桥梁的主体结构同步施工。锚下构造的转向块部位应定位准确,安装与固定牢固可靠。成品索穿索时,应在成品索的端头设置便于与钢丝绳连接的装置,利用卷扬机牵引成品索缓慢解盘放索,并穿过对应的预留索孔。牵引过程中应采用可靠的保护措施,防止体外索体表面的高密度聚乙烯套受到机械损伤; 安装锚固体系前,精确测量索两锚固端的设计距离,剥除两端的外套,确保张拉后索体外层进入预埋管的长度在10 ~ 60cm 内,用清洗剂清除裸露的钢绞线的防腐油脂。张拉前应具备经批准的张拉程序和现场技术交底; 现场具备预应力施工经验和技能的施工人员; 锚具安装正确,混凝土强度达到设计要求; 施工现场具备确保全体操作人员及设备安全的预防措施等。锚固体系安装就位后,可整体预张,确定预紧后的体外索、转向器及锚固系统定位正确无误后,按张拉程序进行张拉作业,张拉采取以张拉控制应力为主,张拉伸长量校核的双控法; 张拉过程中,构件张拉截面内对称布置的体外预应力索宜对称张拉,两套张拉油泵的张拉应力宜控制同步,按张拉程序进行分级张拉并校核伸长量,实际测量伸长值与理论计算伸长值之间偏差控制在± 6%内。张拉完成并检测合格后,对锚固体系和转向器内部各空隙部分进行防腐蚀防护工艺处理。按设计规定,锚固体系导管及转向器导管等之间的间隙应填充橡胶板条或其他弹性材料进行密封,锚具采用防护罩封闭。

4. 8 支架拆除

        波形钢腹板现浇箱梁混凝土施工,体内及体外预应力全部施工完毕后,就可根据实际情况进行支架拆除、桥面系等相关工程的施工。

5 结语

        波形钢腹板箱梁是一种新型的钢- 混组合结构。与常规结构相比,波形钢腹板组合箱梁结构更加合理,其充分利用了混凝土抗压强度高,波形钢腹板质轻、抗剪屈服强度高的优点,提高了结构的稳定性和材料的使用效率,对于我国桥梁实现轻型化,降低桥梁造价具有重要的意义。

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