CN106894326B - 装配式先张法预应力波形钢腹板组合箱梁的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式先张法预应力波形钢腹板组合箱梁的施工方法，包括由多个预制梁体单元纵向连接而成的组合梁，预制梁体单元包括单独预制的混凝土顶板、预应力混凝土底板和波形钢腹板，预制梁体单元为混凝土顶板宽度大于预应力混凝土底板宽度、且波形钢腹板倾斜设置的倒梯形结构；混凝土顶板内置有纵向连接筋和预应力孔道，其两侧沿纵向间隔开设有多个上栓钉槽口；预应力混凝土底板内置有纵向连接筋和先张拉预应力钢束，其两侧沿纵向间隔开设有多个下栓钉槽口；波形钢腹板上下两端均焊接有带栓钉群的翼缘板。本发明采用分块预制拼装的结构形式进行梁体架设，各部件的体积及重量都相应较小，运输稳定，吊装安全，利于施工。

Description

装配式先张法预应力波形钢腹板组合箱梁的施工方法

技术领域

本发明涉及桥梁建筑技术领域，尤其是涉及一种适于大型桥梁的装配式先张法预应力波形钢腹板组合箱梁的施工方法。

背景技术

传统预制箱梁腹板多为混凝土材质，不仅重量大且易开裂，故混凝土箱梁只适合应用于小跨径（40m以下）的公路桥梁。波形钢腹板PC组合箱梁桥是20世纪80年代出现的一种新型桥梁结构，其所使用的波形钢腹板具有优良的稳定性和不抵抗轴向力的特性，使预应力能有效地加载于预制混凝土顶板和预应力混凝土底板上；此外，波形钢腹板PC组合箱梁桥施工简便，能够有效缩短工期，因此在大中型桥梁（50m以上跨径）中得到了广泛的应用。

波形钢腹板PC组合箱梁在施工时，一般先在预制场内预制一体化结构的包括顶板、底板和波形钢腹板的工字型梁体单元，再在现场将上述拼接单元进行横向和纵向拼接后完成桥梁施工，如中国专利“二次张拉预应力装配式波形钢腹板组合梁及其施工方法”（申请号201510255113.0）就公开了上述结构的工字形预制件，并于相应的时机施加二次预应力，实现工字形预制件的横向拼装。上述工字型拼装单元自身稳定性差，且体积大，吨位重（例如单个预制工字形单元每延米的重量即可达5t左右），其运输成本和吊装成本较高，吊装安全性较低；同时，由于波形钢腹板与顶板和底板之间采用固定连接方式，因此该预制拼装单元内的各部件不可调整、不可替换，增加了后期维护的难度。

中国专利“拼装式预应力混凝土组合箱梁”（申请号200620126505.3）公开了一种组合箱梁的拼装单元，即将钢筋预制混凝土顶板、钢筋预应力混凝土底板和波形钢腹板分为三个部分分别进行整体预制，吊装就位后，在桥位处对三者进行竖向拼接，通过螺栓连接后形成箱梁梁体单元。相对于一体式结构，这种分开预制的箱梁顶板、底板和腹板体积小、重量轻，便于运输和吊装，适用于小跨径的、整孔架设的桥梁。对于大型桥梁，例如桥宽为16.75m的波形钢腹板箱梁桥，其每延米的重量高达10t以上，因此即便采用这种结构，各预制件的体积、重量仍然较大，运输及吊装优势不明显；同时，由于钢腹板竖直设置，具有以下缺点：Ⅰ.抗扭性能较差；Ⅱ.箱梁底板宽度及自重较大；Ⅲ.美观性较差；Ⅳ.直腹板日照面积大，受温度力影响大；此外，该专利没有考虑实际施工时预应力钢束的施加时机和预留孔道等情况，且对于负弯矩区的处理措施也未加论述，缺乏应对梁体荷载变形的措施和具体施工工艺方面的详细考虑，施工可行性较差。

发明内容

本发明提供一种装配式先张法预应力波形钢腹板组合箱梁的施工方法，目的在于解决现有波形钢腹板PC 组合箱梁应用于大型桥梁时容易出现运输、吊装和后期维护等方面的问题。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

本发明所述的装配式先张法预应力波形钢腹板组合箱梁的施工方法，主要包括以下步骤：

第一步，按桥梁设计要求，单独预制组成倒梯形梁体单元的预制混凝土顶板、预应力混凝土底板和波形钢腹板：

对于预制混凝土顶板，先绑扎设置有纵向连接筋和栓钉槽口的顶板钢筋网，所述栓钉槽口沿纵向间隔设置在顶板钢筋网两侧，再将墩顶负弯矩预应力孔道安装在顶板钢筋网内，之后进行浇筑；

对于预应力混凝土底板，先通过张拉设备将先张拉预应力钢束张拉至设计值，再绑扎设置有纵向连接筋和栓钉槽口的底板钢筋网，所述栓钉槽口沿纵向间隔设置在底板钢筋网两侧，之后安装模板，浇筑混凝土，待混凝土达到设计强度后，拆除模板，放松先张拉预应力钢束，完成先张法预应力混凝土底板的预制；

对于波形钢腹板，先冲压加工波形钢板，再在波形钢板两端焊接翼缘板，之后在所述翼缘板上焊接多组间隔设置的栓钉群；

第二步，进行现场装配准备工作：

在现场完成施工的相邻桥台或桥墩之间设置移动支撑装置作为辅助施工平台，同时，将预制完成的预制混凝土顶板、预应力混凝土底板和波形钢腹板运送至施工现场；

第三步，进行倒梯形梁体单元的拼接装配：

使用吊装设备将预应力混凝土底板吊装至移动支撑装置上，再起吊波形钢腹板，并将波形钢腹板底部栓钉群插装在预应力混凝土底板的栓钉槽口中；之后，起吊预制混凝土顶板，同样将波形钢腹板顶部栓钉群插装到预制混凝土顶板的栓钉槽口中；所述波形钢腹板的倾斜角度为25°-40°；

第四步，进行组合梁纵向拼接装配：

将移动支撑装置依次转移至其他桥跨位置，重复第三步作业，完成纵向每一桥跨梁体的施工；绑扎相邻桥跨顶板、底板之间的纵向连接筋，并浇筑形成横向湿接缝梁；当横向湿接缝达到一定强度时，对位于相邻预制混凝土顶板墩顶负弯矩预应力孔道内的张拉钢束进行张拉，形成多跨连续梁体系；

第五步，完成附属设施的架设，结束施工。

本发明提供的装配式先张法预应力波形钢腹板组合箱梁的施工方法，采用单独预制的预制混凝土顶板、预应力混凝土底板和波形钢腹板，并在现场将波形钢腹板倾斜插装在预制混凝土顶板和预应力混凝土底板之间，从而形成外型美观、整体抗扭能力较强的倒梯形预制梁体单元，之后再进行纵向拼接浇筑。上述倒梯形的预制梁体单元结构一方面充分利用了波形钢腹板的“褶皱效应”实现箱梁化整为零，实现在竖向上的进一步分块，将预制构件体积充分减小，特别是预应力混凝土底板的体积、重量减小，易于运输和吊装，有利于桥梁的快速架设，同时避免了整体预制的工字形构件自身稳定性差的问题；另一方面利用了波形钢腹板特有的弱“梁端效应”，在顶板内设置有后张拉预应力钢束，底板内设置先张拉预应力钢束，用于抵抗混凝土收缩徐变产生的应力，与施工过程完美配合，减少了现场钢束张拉工程量，实现施工的最大便捷。此外，倾斜设置的波形钢腹板由于日照面积小，受温度影响较小，有利于延长桥梁寿命。上述腹板通过端部栓钉群插装在顶、底板栓钉槽口内的方式进行连接，连接牢固、施工便捷。

由此可见，本发明的优点可以体现在以下几点：

（1）本发明采用倒梯形的预制拼装单元，各部件、特别是预应力混凝土底板的体积及重量都相应较小，不仅能有效保证预制件在运输过程中的稳定性，而且容易保证吊装过程中构件的安全性，利于施工。

（2）本发明的组合箱梁全部采用体内预应力钢束，利用“弱梁端效应”的特点，大部分先张法预应力钢束，仅在相邻跨径的梁体间张拉少量顶板墩顶负弯矩预应力钢束，现场预应力钢束张拉作业量少，预应力施加效果稳定。

（3）本发明的混凝土构件均为标准件，可规模化进行预制，现场预应力钢束张拉和现浇作业量较小，便于桥梁的快速施工。

附图说明

图1是本发明中倒梯形预制梁体单元的结构示意图。

图2是图1中预制混凝土顶板的结构示意图（省略纵向连接筋）。

图3是图1中预应力混凝土底板的结构示意图（省略纵向连接筋）。

图4是图1中波形钢腹板的结构示意图。

图5、图6是本发明的施工过程示意图。

图7-12是对本发明进行原理性说明的相关附图。

具体实施方式

本发明所述的装配式先张法预应力波形钢腹板组合箱梁的施工方法，主要包括以下步骤：

第一步，按桥梁设计要求，单独预制组成倒梯形梁体单元（如图1所示）的预制混凝土顶板、预应力混凝土底板和波形钢腹板：

具体地，预制如图2所示的预制混凝土顶板1时，先绑扎设置有纵向连接筋和栓钉槽口1.1的顶板钢筋网，所述栓钉槽口1.1沿纵向间隔设置在顶板钢筋网两侧，再将墩顶负弯矩预应力孔道1.2安装在顶板钢筋网内，然后安装限位模板，浇筑混凝土；待混凝土达到设计强度后，拆除限位模板。

预制如图3所示的预应力混凝土底板2时，先在先张法张拉台座上的预定位置固定先张拉预应力钢束2.1并张拉至设计值，再绑扎设置有纵向连接筋和栓钉槽口2.2的底板钢筋网，所述栓钉槽口2.2沿纵向间隔设置在底板钢筋网两侧，之后安装模板，浇筑混凝土，待混凝土达到设计强度后，拆除模板，放松先张拉预应力钢束2.1，完成先张法预应力混凝土底板2的预制，大大减少现场钢束张拉工程量。

预制如图4所示的波形钢腹板3时，先冲压加工波形钢板，再在波形钢板两端焊接翼缘板3.1，之后在所述翼缘板3.1上焊接多组间隔设置的栓钉群3.2；上述栓钉群3.2与顶、底板上的栓钉槽口1.1、2.2位置相对应，形状相配合，可以牢固插装。

第二步，进行现场装配准备工作：

如图5所示，在现场完成施工的相邻桥台或桥墩之间设置移动支撑装置4作为辅助施工平台，同时，将预制完成的预制混凝土顶板1、预应力混凝土底板2和波形钢腹板3运送至施工现场。

第三步，进行倒梯形梁体单元的拼接装配：

使用吊装设备将预应力混凝土底板2吊装至移动支撑装置4上，再起吊波形钢腹板3，并将波形钢腹板3底部栓钉群插装在预应力混凝土底板2的栓钉槽口中；之后，起吊预制混凝土顶板1，同样将波形钢腹板3顶部栓钉群插装到预制混凝土顶板1的栓钉槽口中；所述波形钢腹板3的倾斜角度为25°-40°，此时，倒梯形梁体单元结构最稳固。

第四步，进行组合梁纵向拼接装配：

如图6所示，将移动支撑装置4依次转移至其他桥跨位置，重复第三步作业，完成纵向每一桥跨梁体的施工；绑扎相邻桥跨顶板、底板之间的纵向连接筋，并浇筑形成横向湿接缝5；当横向湿接缝5达到一定强度时，张拉位于相邻桥跨的墩顶负弯矩区顶板预应力孔道1.1内的预应力钢束，用以抵抗墩顶负弯矩，形成多跨连续梁体系；

第五步，完成附属设施的架设，结束施工。

以下是对本发明的预应力混凝土底板采用先张法预应力，并将波形钢腹板倾斜设置的倒梯形结构组合梁（近似于工字形波形钢腹板组合梁）进行竖向拼接这种施工方法的可行性、合理性所做出的具体原理性说明：

首先分析预制混凝土底板在两种状态下的受力。

1.第1状态：

如图7所示的预应力混凝土底板，其内设置的张拉预应力钢束所施加的预应力为N，则预应力混凝土底板上的截面上应力为：

2.第2状态：

当上述预应力混凝土底板组合成为波形钢腹板倾斜设置的倒梯形结构组合梁时，其断面结构（部分）如图8所示。

在预应力混凝土底板上施加预应力N，对组合截面中性轴的弯矩为：

由上下截面的面积矩相等可得：

组合梁全截面的面积为：

整个截面的惯性矩为：

波形钢腹板组合梁由于腹板的不抵抗轴力，在抗弯承载力计算时可不考虑腹板的作用，相当于无腹板截面，因此设定：

则：

顶板的应力：

令高厚比

则顶板的应力：

底板的应力：

对于一般的组合梁断面有，可得

以30m跨径的波形钢腹板组合梁为例。若，此时，带入式（9）和（10）得：

当桥梁的跨径进一步增大时，和进一步增大，式（10）满足

由此可见，第1状态和第2状态下，预应力混凝土底板的应力近似相等。也就是说，先期在预制底板阶段施加的预应力，在叠合成波形钢腹板组合梁后仍基本保持不变。因此称波形钢腹板组合梁采取竖向分层拼装前后受力可基本保持不变的这种力学特征为叠合受力不变性。这种特性为波形钢腹板组合梁的竖向分层拼接提供了基础。

在上述分析的基础上，再来讨论普通钢-混组合工字梁和波形钢腹板组合工字梁的竖向拆分与拼装过程中应力的变化。其中，将预应力作为唯一考虑的外力：

1. 竖向拆分过程：

图9为普通钢-混组合工字梁（倒梯形结构）进行竖向拆分的示意图。

图10为波形钢腹板倾斜设置的倒梯形结构组合梁进行竖向拆分的示意图。

2.先张法预应力+竖向拼接过程：

图11为普通钢-混组合工字梁（倒梯形结构）采用先张法预应力及进行竖向拼接时的示意图。

图12为波形钢腹板倾斜设置的倒梯形结构组合梁采用先张法预应力及进行竖向拼接时的示意图。

对比上述图例可以看出，对于波形钢腹板倾斜设置的倒梯形结构组合梁来说，在底板施加预应力就好像是一个独立的过程；但是普通钢-混组合的情况是完全不同的。 因此，施工中可在预制混凝土底板时施加全部或部分预应力，然后将预制混凝土底板、波形钢腹板和预制混凝土顶板竖向分层拼装，这样能大大减少现场的钢束张拉工作量，提高工厂预制化程度。

Claims (1)

1.一种装配式先张法预应力波形钢腹板组合箱梁的施工方法，其特征在于：主要包括以下步骤：

第一步，按桥梁设计要求，单独预制组成倒梯形梁体单元的预制混凝土顶板、预应力混凝土底板和波形钢腹板：

对于预制混凝土顶板，先绑扎设置有纵向连接筋和栓钉槽口的顶板钢筋网，所述栓钉槽口沿纵向间隔设置在顶板钢筋网两侧，再将墩顶负弯矩预应力孔道安装在顶板钢筋网内，之后进行浇筑；

对于预应力混凝土底板，先通过张拉设备将先张拉预应力钢束张拉至设计值，再绑扎设置有纵向连接筋和栓钉槽口的底板钢筋网，所述栓钉槽口沿纵向间隔设置在底板钢筋网两侧，之后安装模板，浇筑混凝土，待混凝土达到设计强度后，拆除模板，放松先张拉预应力钢束，完成先张法预应力混凝土底板的预制；

对于波形钢腹板，先冲压加工波形钢板，再在波形钢板两端焊接翼缘板，之后在所述翼缘板上焊接多组间隔设置的栓钉群；

第二步，进行现场装配准备工作：

在现场完成施工的相邻桥台或桥墩之间设置移动支撑装置作为辅助施工平台，同时，将预制完成的预制混凝土顶板、预应力混凝土底板和波形钢腹板运送至施工现场；

第三步，进行倒梯形梁体单元的拼接装配：

使用吊装设备将预应力混凝土底板吊装至移动支撑装置上，再起吊波形钢腹板，并将波形钢腹板底部栓钉群插装在预应力混凝土底板的栓钉槽口中；之后，起吊预制混凝土顶板，同样将波形钢腹板顶部栓钉群插装到预制混凝土顶板的栓钉槽口中；所述波形钢腹板的倾斜角度为25°-40°；

第四步，进行组合梁纵向拼接装配：

将移动支撑装置依次转移至其他桥跨位置，重复第三步作业，完成纵向每一桥跨梁体的施工；绑扎相邻桥跨顶板、底板之间的纵向连接筋，并浇筑形成横向湿接缝；当横向湿接缝达到一定强度时，对位于相邻预制混凝土顶板墩顶负弯矩预应力孔道内的张拉钢束进行张拉，形成多跨连续梁体系；

第五步，完成附属设施的架设，结束施工。