分块预制式二次预应力波形钢腹板组合梁的施工方法与流程

本发明涉及桥梁建筑技术领域，尤其是涉及一种适用于大型桥梁的分块预制式二次预应力波形钢腹板组合梁的施工方法。

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。自1988 年ACSI协会将波形钢腹板PC 组合箱梁进行介绍后，波形钢腹板 PC组合梁作为一种经济、高效、施工简便的新型桥梁形式，取得了桥梁工作者的广泛认同并被拓展应用于大中型桥梁（50m以上跨径）的实际工程中。

现有波形钢腹板PC 组合箱梁多采用如下两种形式进行施工：

一种是将整个箱梁梁体的钢筋预制混凝土顶板、钢筋预制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，之后再吊装就位，在桥位处采用螺栓连接拼装。中国专利“拼装式预应力混凝土组合箱梁”（申请号200620126505.3）就公开了上述结构的预制件，并着重介绍了波形钢腹板与顶板、底板的连接方式。但是，由于这种结构的箱梁顶板、底板和腹板均为一体式结构，单个预制构件的重量仍然很重。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，施工时即便分别吊装单个预制构件仍然十分困难。其次，为方便运输，预制构件的长度通常不会很长，上述整孔架设结构仅限于小跨径的桥梁，对于大跨径的桥梁，顶板和腹板还是会采用分段预制的形式。另外，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，如果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，施工的可行性较差。

另一种是将顶板、底板和波形钢腹板固定连成工字结构的预制拼装单元，在现场将多个工字结构的拼装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。上述预制的拼装单元体积大，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），而且自身的稳定性也较差，易造成运输成本和吊装成本上升，在安装过程中对起吊设备要求较高，吊装安全性较低；同时由于拼装单元中的波形钢腹板与顶板和底板之间固定连接，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；同时伴随着交通量的日益增大，梁体的承载能力无法适应新情况下的交通状况。

技术实现要素：

本发明提供一种分块预制式二次预应力波形钢腹板组合梁的施工方法，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：

本发明所述的分块预制式二次预应力波形钢腹板组合梁的施工方法，主要包括以下步骤：

第一步，按桥梁设计要求，单独预制组成工字型梁体单元的预制混凝土顶板、预制混凝土底板和波形钢腹板：

对于预制混凝土顶板，先绑扎带有横向连接筋和纵向连接筋的顶板钢筋网，再将墩顶负弯矩预应力孔道和上剪力连接件的剪力钉安装在顶板钢筋网内，之后进行浇筑；

对于预制混凝土底板，先绑扎带有横向连接筋和纵向连接筋的底板钢筋网，再将一次预应力孔道、二次预应力孔道和下剪力连接件的剪力钉安装在底板钢筋网内，当浇筑完成拆除模板后，对位于所述一次预应力孔道内的张拉钢束进行张拉；

对于波形钢腹板，先冲压加工波形钢板，再在波形钢板周缘预留用于连接上、下剪力连接件的螺栓孔；

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、预制混凝土底板和波形钢腹板运送至施工现场；

第三步，进行组合梁横向拼接装配：

用吊装设备将预制混凝土底板、波形钢腹板和预制混凝土顶板依次吊装至移动支撑装置上，并用螺栓栓接方式进行预制混凝土底板与波形钢腹板、波形钢腹板与预制混凝土顶板的连接，完成第一片工字型梁体单元的装配施工；

接着将移动支撑装置沿桥宽方向横向转移，按照第一片工字型梁体单元的施工步骤完成该桥跨内沿横向设置的其他工字型梁体单元的装配施工；

之后绑扎相邻工字型梁体单元之间的横向连接筋，浇筑形成预制混凝土顶板纵向湿接缝和预制混凝土底板纵向湿接缝，并在预制混凝土底板纵向湿接缝达到一定强度后，对位于预制混凝土底板二次预应力孔道内的张拉钢束进行张拉；

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；

绑扎相邻桥跨之间的纵向连接筋，浇筑形成横向湿接缝或横梁，并按照先边梁后中梁的顺序，采用对称张拉原则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。

所述上剪力连接件和下剪力连接件结构相同，均包括连接板和垂直焊接在所述连接板上的边缘开设有连接孔的波形翼板，连接板的另一面焊接有预埋在预制混凝土顶板或预制混凝土底板中的剪力钉。

组成所述工字型梁体单元的单个预制混凝土顶板、预制混凝土底板和波形钢腹板的长度分别为5-30米。

本发明所述的分块预制式二次预应力波形钢腹板组合梁的施工方法，采用单独预制工字型梁体单元的预制混凝土顶板、预制混凝土底板和波形钢腹板，再现场进行拼接施工的方式。本发明对现有的整体预制的工字形构件在竖向上进一步进行分块，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，将预制构件体积充分减小，使构件体积减小，更加易于运输和吊装，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；另一方面也利用波形钢腹板特有的弱“梁端效应”，在顶板内设置有用于穿设负弯矩预应力张拉钢束的孔道，在预制混凝土底板内采用了一次预应力钢束和二次预应力钢束，与施工过程完美配合，实现施工的最大便捷。其中，在预制混凝土底板预制完成后张拉一次预应力钢束，用于抵抗混凝土收缩徐变产生的应力，而在箱梁拼接完成后，张拉二次预应力钢束，能减少组合箱梁因收缩徐变产生的反拱；顶板和底板上预埋有用于与波形钢腹板连接的剪力连接件，相邻的顶板和底板在桥梁施工现场可以通过浇筑湿接缝方式进行横向和/或纵向的拼接以获得各种要求的桥宽、桥跨。所以，本发明将工字型梁体单元中的顶板、底板和腹板分解开进行预制，有效减轻了各预制件的体积及重量，大大降低了运输及吊装难度；而且由于波形钢腹板通过螺栓与顶板和底板进行连接，若后期交通量增大时，还可以通过对波形钢腹板的更换，实现对梁体高度的调整或维护，从而达到了增加桥梁结构承载能力的目的；上述预制件之间活动相连，可以重复安装与拆卸，因此在桥梁拆除后还能将部分预制件重复利用，为桥梁结构的可循环发展提供了一种有效思路。具体来说，本发明的优点可以体现在以下几点：

（1）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，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）本发明中的波形钢腹板可进行拆卸安装，方便后期对梁体的维护及检查，同时可对受损伤的波形钢腹板进行更换，实现调整梁体高度、增加结构承载能力的目的。

（3）本发明中桥梁各部件可进行拆卸，使得桥梁各部件可以重复利用，避免了混凝土和组合结构桥梁难以实现重复利用的问题。

（4）本发明除波形钢板的高度可变外，其他混凝土构件均为标准件，具备大规模标准化生产的条件。

（5）本发明在形式简单的移动支撑装置上进行拼装，不需要在周边设置专门的拼装场，更适合城市桥梁的快速施工。

附图说明

图1是本发明中工字型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。

图3是图1中预制混凝土底板的结构示意图。

图4图2、3中上、下剪力连接件的结构示意图。

图5、图6、图7是施工过程示意图。

图8-13是对本发明进行原理性说明的相关附图。

具体实施方式

本发明所述的分块预制式二次预应力波形钢腹板组合梁的施工方法，主要包括以下步骤：

第一步，按桥梁设计要求，单独进行预制混凝土顶板1、预制混凝土底板2和波形钢腹板3的预制，上述预制件通过螺栓4拼接后能够组成如图1所示的工字型梁体单元。

具体地，预制如图2所示的预制混凝土顶板1时，先绑扎带有横向连接筋1.1和纵向连接筋1.2的顶板钢筋网，再将墩顶负弯矩预应力孔道1.3和上剪力连接件1.4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所示的预制混凝土底板2时，先绑扎带有横向连接筋2.1和纵向连接筋2.2的底板钢筋网，再将一次预应力孔道2.3、二次预应力孔道2.4和下剪力连接件2.5安装在底板钢筋网内，然后安装限位模板，浇筑混凝土；待混凝土达到设计强度拆除限位模板后，需要对位于一次预应力孔道2.3内的张拉钢束进行张拉，用于抵抗底板在吊装和架设过程中由于自重产生的弯矩。

预制波形钢腹板3时，先冲压加工波形钢板，再在波形钢板周缘预留用于连接上、下剪力连接件1.4、2.5的螺栓孔。

上述上剪力连接件1.4和下剪力连接件2.5均为预制成型件，为了降低预制成本，两者采用相同的结构。以上剪力连接件1.4为例，如图4所示，包括预埋在预制混凝土顶板1内且端部带有防脱块的剪力钉1.4a，剪力钉焊接在连接板1.4b上，连接板1.4b另一面垂直焊接有带有连接孔的波形翼板1.4c。上述连接孔的位置与波形钢腹板3周缘螺栓孔的位置相对应，将两者对齐后，穿设固定螺栓4（如图1所示），即可方便、快捷地完成预制混凝土顶板1与波形钢腹板3的拼接。

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5之间设置移动支撑装置6作为辅助施工平台（如图5所示），同时，将预制完成的预制混凝土顶板1、预制混凝土底板2和波形钢腹板3运送至施工现场。

第三步，进行组合梁横向拼接装配：

用吊装设备将预制混凝土底板2、波形钢腹板3和预制混凝土顶板1依次吊装至移动支撑装置6上，用固定螺栓4将下剪力连接件2.5与波形钢腹板3、上剪力连接件1.4与波形钢腹板3分别连接，完成由预制混凝土顶板1、预制混凝土底板2和波形钢腹板3组成的第一片工字型梁体单元的装配施工；

接着将移动支撑装置6沿桥宽方向横向转移，按照第一片工字型梁体单元的施工步骤完成该桥跨内沿横向设置的其他工字型梁体单元的装配施工；

之后分别绑扎相邻工字型梁体单元顶板、底板之间的横向连接筋1.1、2.1，并浇筑形成预制混凝土顶板纵向湿接缝7和预制混凝土底板纵向湿接缝8（如图6所示）；在预制混凝土底板纵向湿接缝8达到一定强度后，对位于预制混凝土底板二次预应力孔道2.4内的张拉钢束进行张拉，用于抵抗二期荷载产生的弯矩；

由于拼装上述工字型梁体单元时，在竖直方向不需要较强的刚度支撑，因此移动支撑装置6可采用安装有支撑架的平板车。

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1.2、2.2，并浇筑形成横向湿接缝或横梁9（如图7所示）；在横向湿接缝或横梁9达到一定强度时，按照先边梁后中梁的顺序，采用对称张拉原则对位于相邻预制混凝土顶板墩顶负弯矩预应力孔道1.3内的张拉钢束进行张拉，用于抵抗相邻跨径箱梁的墩顶负弯矩，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。

为了减少现场浇筑湿接缝的工作量，提高施工效率，组成工字型梁体单元的单个预制混凝土顶板1、预制混凝土底板2和波形钢腹板3的长度分别为5-30米。

以下是对本发明波形钢腹板组合工字梁进行竖向拼接，并于适当时机施加二次预应力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8所示的预制混凝土底板，其内设置的张拉预应力钢束所施加的预应力为N，则预制混凝土底板上的截面上应力为：

2.第2状态：

当上述预制混凝土底板组合成为工字形波形钢腹板组合梁时，其工字形断面结构如图9所示。

在底板施加预应力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，预制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10为普通钢-混组合工字梁进行竖向拆分的示意图。

图11为波形钢腹板组合工字梁进行竖向拆分的示意图。

2. 竖向拼接+二张拉过程：

图12为普通钢-混组合工字梁进行竖向拆分及二次张拉时的示意图。

图13为波形钢腹板组合工字梁进行竖向拆分及二次张拉时的示意图。

对比上述图例可以看出，对于波形钢腹板组合工字梁来说，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。