波纹钢腹板PC箱梁

2024-06-23

波纹钢腹板PC箱梁（精选六篇）

波纹钢腹板PC箱梁篇1

1 优化的目的和基本原理

优化分析在结构工程中的适当应用可以在一定程度上降低工程的费用。根据已有的工程经验看,与传统的设计相比,优化设计可以使工程总造价降低5%~30%[2,3]。

设计人员把工程实际问题转化为优化模型,将有限元分析技术与优化设计方法结合起来,就可以利用相关计算方法在较短的时间内完成优化设计。

1.1 采用ANSYS软件进行优化分析的三大要素[4,5]

1)目标函数(OBJ)。就是最终的优化目的。它必须是设计变量的函数(即目标函数随设计变量的改变而改变),且在一次优化过程中,只能设定一个目标函数(即目标函数必须唯一)。目标函数的选取对优化结果的优劣至关重要。其选取主要依靠经验。

2)状态变量(约束条件)(SV)。就是整个研究过程中必须始终满足的设计要求,即取值必须服从结构的力学性能和材料的特性,可以同时指定多个。

3)设计变量(自变量)(Design Variables)。就是在优化过程中所选取的变量。优化目标的实现就是要寻求这些变量的最优组合。设计变量的初值和取值范围,应根据工程经验尽量设置在合理范围内。这样有利于加快收敛速度,减少优化设计的运行时间。

ANSYS程序提供了两种优化方法:零阶方法和一阶方法。大多数的优化问题都可用这两种方法解决。零阶方法可以处理大多数的工程问题,包括单步运行法、随机法、乘子法、最优梯度法、扫描法和子问题法;一阶方法使用因变量的一阶偏导数,更易获得局部最小值,精度较高,但占用机时较多,且对不存在一阶偏导数的目标函数不适用。

1.2 优化设计步骤

1)建立优化分析文件。包括参数化建模(PREP7);加载与求解(/SOLU);提取所需的有限元分析结果,并赋值给状态变量(SV)和目标函数(OBJ)(/POST1 or/POST26)。

2)建立优化控制文件。包括进入优化设计模块,指定优化分析文件;声明优化变量,选择优化方法,还可使用编好的外部优化程序;指定优化循环控制方式;进行优化分析。

3)查看和分析优化结果,进而修正设计变量,进入循环。

4)查看优化设计序列结果及结果后处理。

2 钢腹板参数优化分析

2.1 主要参数

一跨径为40 m的简支波纹钢腹板箱梁桥,计算跨径L为39.28 m;顶板宽为10 m,厚为0.25 m;底板宽为5 m,厚为0.25 m;梁高为h。波纹钢腹板竖向倾角为β,厚度为t。图1为钢腹板波形尺寸。图1中钢腹板折叠角度为α,q表示一个波长,hb表示波高,b为水平两折点之间的距离,d表示斜长在水平线上的投影长度,d=b·cosα。

顶、底板和横隔板采用50号混凝土,弹性模量3.5×104MPa,泊松比0.166 7,密度2.5×103 kg/m3。标准抗压强度fck=32.4 MPa;标准抗拉强度ftk=2.65 MPa,设计抗压强度fck=24.4 MPa,设计抗拉强度ftd=1.89 MPa。波纹钢腹板采用Q345 C级低合金结构钢板,弹性模量为2.1×105 MPa,泊松比为0.3,密度为7.8×103 kg/m3。节点竖向位移限值为L/600。

基本假定:建模中假设波纹钢腹板与混凝土顶、底板完全固结,不考虑钢筋和桥面铺装作用。

2.2 有限元模型的建立

采用solid45单元来模拟50号混凝土,shell63单元来模拟钢腹板。波纹钢腹板箱梁桥局部有限元模型图如图2所示。

1)边界条件。按简支梁考虑,左端约束UX、UY、UZ、ROTX、ROTZ,右端约束UY、UZ、ROTX、ROTZ。两支承端用实体单元来模拟横隔板。

2)加载情况。在自重作用下,根据JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》中公路Ⅰ级标准和桥宽考虑三车道加载(一车道均布荷载为10.5 kN/m),换算成平均面压加载值为3.5 kN/m2,集中力Pk按波纹钢腹板剪力最不利位置加载,横向按线荷载加载,线荷载为106.667 k N/m。

3)顶、底板施加预应力的模拟。在梁两支承端的顶、底板面施加局部面荷载来模拟顶、底板的后张预应力钢筋作用。

2.3 约束条件及目标函数的选取

1)约束条件。选取钢腹板的控制剪切应力τi和等效应力。目标函数:选取钢腹板的体积V。其中钢腹板控制剪切应力τi的计算公式[1]如下。

式中:τi为钢腹板的控制剪切应力,τcr,i为钢腹板的合成屈曲应力;τcr,l为钢腹板的局部屈曲应力;τcr,g为钢腹板的整体屈曲应力;n≈1.5;k1为5.35;k2为31.6;E=2.06×105MPa;v=0.3;t为钢腹板厚度。

2)波纹钢腹板优化设计数学模型为

根据国内外研究成果,各设计变量的取值范围如下。

各约束条件的取值范围如下。

式中:V(X)为钢腹板体积;hw为钢腹板竖向高度;L为计算跨径(L=39.28 m)。

2.4 优化方法的选取

本文采用零阶方法(子问题法)进行优化分析。若结果不够好,再用一阶方法Firs进行优化分析。

3 优化结果分析

优化分析中,利用子问题法,由初始值(hw=1.8 m,α=arccos(d/b)=arccos(250/305),β=0°,b=305 mm,t=8 mm)算得τi=338.03 MPa>210 MPa,不满足设计要求。再选取优化设计序列中第一个满足解(hw=1.884 9 m,α=41.208°,β=0°,b=382.12 mm,t=7.06 mm)进行优化,在第16次循环得到最优序列(hw=1.554 6 m,α=20.284°,β=4.264°,b=341.91 mm,t=6.01 mm)。优化结果如表1所示。目标函数V(X)的变化情况见图3。

由表1和图3可以看出,波纹钢腹板的体积由第1步的1.191 5 m3下降到第16步的0.759 37 m3,体积明显减少,减少值为36%。也就是说,可以节省钢板用量36%。

4 结语

用ANSYS参数化设计语言(APDL)建立简支波纹钢腹板箱梁桥模型进行优化分析,可避免复杂的反复计算,而利用计算机来求解,速度快,效率高。即使初始值不符合要求,也可通过优化结果选出一组满足要求的解来替换初始值,进而进行优化分析和设计。

计算结果表明:随着循环次数的增加,设计变量、状态变量均趋于稳定,只在一定的范围内变化,而目标函数在波动较大的几次循环后,也呈逐渐减小趋势,趋于最小值。此种方法可使材料用量明显减少,对于不同桥型也可用类似的方法进行优化分析和设计。

参考文献

[1]陈宝春,黄玲,吴庆雄.波形钢腹板部分斜拉桥[J].世界桥梁,2004(4):5-8.

[2]王辉明,赵文,乐风江.基于有限元分析的平面桁架结构优化设计研究[J].新疆大学学报:自然科学版,2004(4):434-437.

[3]吴嘉嘉.预应力混凝土简支T梁的优化设计及参数分析[J].铁道建筑,2006(2):7-9.

[4]李黎明.ANSYS有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.

波纹钢腹板桥梁的腹板优化设计探讨篇2

波纹钢腹板桥梁的腹板优化设计探讨

在波纹钢腹板桥梁的设计过程中,如何确定波纹钢腹板的形状是设计的抗剪性能、经济效益出发,探讨了选择波纹钢腹板形状的`原则,在此基础上提出了选择波纹钢腹板形状的实用方法并建立了相关计算公式,最后总结了选择波纹钢腹板形状的步骤,并通过教例分析说明本文方法有助于进行波纹钢腹板设计.

作者：苏俭刘钊 Su Jian Liu Zhao 作者单位：东南大学土木工程学院,江苏南京,210096 刊名：现代交通技术英文刊名：MODERN TRANSPORTATION TECHNOLOGY 年，卷(期)： 6(3) 分类号：U443.321 关键词：桥梁波纹钢腹板稳定抗剪性能优化设计 bridge corrugated steel web stability shear behavior optimal design

组合箱梁波纹钢腹板安装施工技术篇3

1施工准备

1)组织有关工程管理和技术人员对施工图纸进行会审，通过熟悉、掌握图纸内容，做到准确按图施工。同时结合本单位的设备和技术条件，制定出波纹钢腹板的专项施工方案或施工作业指导书。2)对安装波纹钢腹板所使用的机械和检测设备的性能进行检验，保证施工过程中各种设备的工作状态良好，使用功能齐全。3)波纹腹板所使用的钢板与连接钢材，高强度螺栓、焊条、焊丝、焊剂等，应符合设计要求，并应具有出厂合格证等质量证明文件，还应根据现行国家标准的规定作必要的复试检验，符合标准后方可使用。4)在波纹钢腹板施工前，应对各工序的施工人员进行必要的技术交底，对相关的施工技术要点、工艺方法、质量标准等进行详细的说明，确保箱梁的施工质量满足规范和设计要求，预防发生安全和质量事故。

2波纹钢腹板的制作与验收

1)组织业主、设计、监理、施工技术人员到加工现场进行实地考查，并对加工过程进行了解，按设计要求对加工进行了检查。2)波纹钢腹板采用12mm厚的Q345C钢板，钢板质量应符合设计要求及国家现行标准的规定。进场后的钢材应有质量证明书和复试报告。3)波纹钢腹板在工厂中冷轧成型，每片波纹钢腹板各分为5段加工，每段9.6m。加工时应注意控制波形钢板的弯折角度和波长。4)波纹钢腹板加工与制作的施工技术要求、质量标准等应严格按照设计文件及相关规范要求进行。5)波纹钢腹板在加工、预拼完成后，及时清除刺屑、焊渣、飞溅物及油污等，并对其进行严格的防腐处理，进行浸锌防护，并且≥350克/m2，施工后在外表面再涂一层桔红色面漆。6)波纹钢腹板出厂验收时，应具备如下资料：

(1) 钢材连接材料和渡锌材料的质量证明或试验报告。

(2) 焊接工艺评定报告。

(3) 高强度螺栓摩擦面抗滑移系数检验报告、焊缝无损检验报告和涂层检测资料。

(4) 预拼装记录。

(5) 钢腹板发运清单。

3波纹钢腹板的运输与存放

1)工厂加工好的钢腹板，用长板车运至施工现场。运输过程中，确定了合理的绑扎方法和临时支点，防止在运输过程中变形。2)在直接绑扎进行吊运时，使用橡胶、木材等对钢腹板进行防护，并对施工过程中操作人员进行强调文明装卸，防止钢板变形及损伤表面涂层。3)在装运前对每块波形钢腹板进行编号，预先排定波形钢腹板的安装顺序，进入现场后进行检验并顺序摆放于桥头两侧的路基上。4)钢腹板底部用枕木支垫，并根据现场施工条件进行了简单的地面硬化措施，防止钢腹板表面粘染灰尘、泥土和油污等，堆放时注意支点要合理，防止钢板产生变形。

4波纹钢腹板的安装

1)波纹钢腹板的安装与箱梁底板钢筋绑扎同时进行。波纹钢腹板采用一台25t汽车吊进行吊装。先安装边腹板，最后安装中腹板。吊装顺序为：(1)→(2)→(3)→(4)→(5)→(6)→(7)→(8)→(9)→(10)→(11)→(12)→(13)→(14)→(15)。吊装平面示意图如下：

2)安装前，加工厂家来人对安装进行了现场指导，并会同业主、监理对波形钢腹板的质量进行检查，钢腹板的各项检验指标均附合设计要求。并清除飞边、毛刺、焊接飞溅物，摩擦面应保持干燥、整洁，不得在雨中作业。

3)波纹形钢腹板进行现场拼装时，现场施工技术人员对其进行精确定位。腹板两侧及翼缘板底部设置支撑架，保证钢腹板的位置准确，支撑架的形式见图3。

在边腹板与中腹板需设置临时支撑以加强钢腹板的定位，如图4，每隔5m在腹板顶端设置横拉钢筋及加强方木。

4)在波纹钢腹板上下端设置定位钢筋以保证腹板的倾斜角度。同时，顶板和底板的横向筋与腹板的焊钉绑在一起，以加强结构的整体刚度。安装过程中必须保证结构的稳定性和不导致永久性变形。

5)波纹钢腹板采用96个M22, 10.9级摩擦型高强螺栓并配合贴角焊缝的连接方式。

6) 高强度螺栓的施工

高强度螺栓连接副:

(1) 高强度螺栓连接副的型式、规格及技术条件应符合设计要求和现行国家标准的规定，生产厂应出具质量证明书。

(2) 螺栓的储运应符合下列要求：

A、螺栓存放应防潮、防雨、防粉尘，并按类型和规格分类存放。

B、螺栓应轻拿轻放，防止撞击、损坏包装和损伤螺纹。

C、螺栓应在使用时方可打开包装箱，并按当天使用的数量领取。使用剩余的螺栓应当天回收，并应按批号和规格保管。

D、螺栓的发放和回收应作记录。

(3) 对保管时间过长或保管不善而造成螺栓生锈及沾染脏物等可能改变螺栓的扭矩系数或性能的螺栓，应视情况进行清洗、除锈和润滑等处理，并对螺栓进行扭矩系数或预拉力检验，合格后方可使用。

高强度螺栓连接的摩擦面：

(1) 由制造厂处理的钢腹板的摩擦面，安装前应复验所附试件的抗滑移系数，合格后方可安装。在钢腹板运输过程中摩擦面不得损伤。

(2) 摩擦面应保持平整、干燥，表面不得有氧化铁皮、毛刺、焊疤油漆或油污等。严禁在高强度螺栓摩擦面上作任何标记。

高强度螺栓的安装：

(1) 高强度螺栓连接安装时，在每个节点上应穿入临时螺栓和冲钉，穿入的数量要求为：不应少于安装孔总数的三分之一;临时螺栓不应少于2个;冲钉不宜多于临时螺栓的30%。

(2) 不得用高强度螺栓兼做临时螺栓，以防损伤螺纹引起扭矩系数的变化。

(3) 螺栓穿入方向应一致，并便于操作。

(4) 螺栓应自由穿入孔内，对不能自由穿入的螺栓孔，应用铰刀或挫刀进行修整，不得将螺栓强行装入或用火焰切割螺栓孔。修整后的螺栓孔最大直径不得大于1.2D (D为螺栓孔的公称直径)，修孔时应将周围螺栓全部拧紧，使板叠密贴，防止切屑落入板叠间。

(5) 高强度螺栓连接的板叠接触面应平整，当接触有间隙时，小于1m m的间隙可不处理;1m m～3m m的间隙，应将高出的一侧磨成1:10的斜面，打磨方向应与受力方向垂直，大于3m m的间隙应加垫板，垫板两面的处理方法与钢板相同。

(6) 不得在雨中安装高强度螺栓。

高强度螺栓的紧固：

(1) 高强度螺栓紧固用的扭矩扳手，班前和班后应进行校核，对误差大于3%的扭矩扳手要更换或重新标定。根据本工程的需要，选用YD-25型液压扳手进行高强度螺栓的紧固。

(2) 高强度螺栓的安装应按一定顺序施拧，宜由螺栓群中央顺序向外拧紧，并应在当天终拧完毕。

(3) 高强度螺栓的拧紧，应分初拧和终拧，初拧扭矩宜按下列公式计算：(该公式取自《钢结构施工技术规范》)

式中：T0—初拧扭矩(N.m) Pc—施工预拉力(KN)

P—高强度螺栓设计预拉力190 (KN)

△P—预拉力损失值(KN)，宜取设计预拉力的10%

d—高强度螺栓螺纹直径22 (m m)

(4) 经初拧后的高强度螺栓应采用专用扳手终拧，直至梅花卡头被扳手拧掉。

(5) 高强度螺栓应在螺母上施加扭矩，其紧固顺序一般应由接头中心顺序向外侧进行。初拧和终拧后螺栓应用不同颜色的涂料在螺母上作出标记。

高强度螺栓连接的检查验收及封闭：

(1) 用0.3～0.5kg的小锤逐颗敲击螺栓，检查其紧固程序，防止螺栓漏拧。

(2) 高强度螺栓终拧结束后，应以目测尾部梅花头拧掉为合格，对欠扭者应及时补拧，超拧者应取予更换。

(3) 经检查合格的高强度螺栓节点，应及时用厚涂料或腻子封闭。

5结语

钢—混凝土组合箱梁在国内的施工并不成熟，波纹钢腹板施工技术有待于广大读者进一步探讨以趋完善。

摘要：青海省国道G214线三道河中桥是由中铁十三局集团公司承建的新型试验桥, 该桥上部结构为钢-混凝土组合箱梁, 采用波纹钢腹板, 本文将着重介绍波纹钢腹板的安装施工技术。

波纹钢腹板PC箱梁篇4

关键词：波形钢腹板,PC组合箱梁,悬臂施工

1 概述

波形钢腹板PC组合箱梁构造简单,结构受力明确。波形钢腹板主要承受由弯矩与扭矩产生的剪应力。除在顶底板中配置预应力束外,还配置体外索承担二期恒载及活载,减轻结构自重。与相同跨径的普通预应力箱梁相比,波形钢腹板的预应力箱梁其自重可减轻25%～30%,缩短施工周期并降低工程造价,因此波形钢腹板预应力箱梁出现后很快就得到了推广应用。

1986年,世界上首座波形钢腹板箱梁桥法国Cognac桥建成。日本自1993年修建了首座波形钢腹板箱梁桥新开桥之后,不断对该结构进行深入的研究,其应用从早期中小跨径的简支梁、连续梁发展到大跨径连续刚构、连续梁桥。随着理论研究与实践经验的不断加深,2003—2006年日本又发展到大跨径部分斜拉桥和斜拉桥,跨径也在不断地刷新。

波形钢腹板PC组合箱梁施工根据桥跨结构及地形,可采取支架现浇、挂篮悬臂浇筑、节段预制拼装、顶推等多种方法施工。本文仅对采用悬臂施工大跨径波形钢腹板PC梁桥的代表工程进行分析介绍,见表1、表2。

2 工程实例介绍

2.1 日见大桥

该桥为世界首例波纹钢腹板部分斜拉桥。主跨为180 m,等截面主梁梁高为4 m,如图2所示。主梁采用预应力箱梁结构,其腹板为波形钢腹板,为减小顶底板的尺寸,也便于预应力筋的检测,纵向预应力采用体外束。其斜拉索挂设张拉滞后挂篮施工,波形钢腹板利用桥面运输车运至挂篮后部,在挂篮顶设起吊桁车辅助安装钢腹板。桥面运输车及挂篮结构如图3、图4所示。

注:表中波形钢腹板参数如图1所示。

2.2 栗东桥

该桥分上、下行两线桥宽均为19.6 m,桥墩高约70 m,主桥桥塔高31m。变截面主梁跨中截面高4.5 m、墩顶处高7.5 m。主梁截面如图5所示。基于减轻自重、提高施工效率及质量、易于未来维修等考虑,该桥采用了波形钢腹板复合式箱形梁配合外置预应力的结构设计。箱梁节段为4.0、4.8 m两种,其4.8 m节段平均工期为18 d,4.0 m段平均工期为14 d。波形钢腹板接合时,外腹板采用焊接,内腹板采用高强螺栓连接。斜拉索的锚固块采用波形钢腹板和隔墙框架一体化的构造。为方便运输,钢制隔墙框架分成8个部分,构件之间用高强螺栓连接。该桥挂篮施工如图6所示。

2.3 矢作川桥

矢作川桥是世界上第一座波形钢腹板PC梁与钢箱梁结合的混合结构桥。该桥采用两塔加中间墩结构,塔高109.6 m。上部结构为结合梁,桥面总宽43.8 m,截面形式如图7所示,其主跨跨径为235 m,主跨中间有137 m钢箱梁(5 m结合段+127 m钢箱梁+5 m结合段),顶底板为混凝土、腹板波纹钢板的单箱5室结构,中间墩部分上部结构为单箱五室钢箱梁。它是目前世界上跨度最大的波形钢腹板混合梁斜拉桥。由于东西两岸施工条件不同,东岸桥塔两侧波形钢腹板采取预制阶段分块吊装方案,西侧桥塔两边采取挂篮对称悬臂浇筑施工。该桥挂篮、提升站、大型移动作业车如图8、图9、图10所示。

2.4 津久见川桥

该桥总宽10.7 m,跨中梁高3.7 m,截面形式如图11所示。该桥是日本首次采用了波形钢板作施工架设材料,其挂篮施工如图12所示。其施工方法称为悬臂施工(传统工法与RW工法的区别如图13所示)。移动作业平台较传统的挂篮更简单、更轻便;顶底板施工安排在不同节段同时进行,因而施工作业面更平顺、宽阔。为简化施工,该桥采用了预制横梁和顶板预制PC模板并全部采用了体外索,将体外索锚固在预制横梁的齿块上,简化了预应力索的锚固工作。

传统工法作业区波形板安装、立模、配筋、混凝土浇筑、预应力均在n节段进行,施工作业面受限,周期长。传统工法受力情况:挂篮较重,施工节段重量较小,力臂较大,波形板不承担施工荷载。RW工法受力情况:挂篮较轻,施工重量较大,力臂较小,波形板承受施工荷载。新工法设计的移动平台,新工法作业区扩大到n-1、n、n+1 3个节段,n+1节段波形板安装、n节段底板施工、n-1节段顶板施工,3个作业面流水施工,使单个梁段施工周期较常规工法节省约5 d时间。

2.5 鄄城黄河桥

单幅上部箱梁为单箱单室,顶宽13.5 m,底宽6.5 m,墩顶根部梁高为7 m,跨中梁高为3.5 m。梁高按2次抛物线变化。箱梁标准节段长4.8 m,最大节段重165 t。

鄄城黄河桥为国内最大规模应用、世界上连续长度最长的波形钢腹板PC组合箱梁桥,亦是国内首次将波形钢腹板PC组合箱梁桥应用于大跨径桥梁,该桥的完工标志着国内波形钢腹板PC梁建设跨上了新台阶。鉴于该桥桥位一部分跨越黄河,一部分为黄河滩地,悬臂施工挂篮基于上述考虑钢腹板吊装安装功能需求,将挂篮分为水中挂篮和陆地挂篮2种形式,水中挂篮钢腹板自栈桥运输至墩旁塔吊处,由塔吊吊至桥面,利用桥面运输车自挂篮后部运输安装,总体挂篮结构类似于加高高度的三角挂篮。陆地挂篮波形钢腹板自黄河滩地运输至挂篮施工正下方,自挂篮前端吊装。挂篮结构类似常规菱形挂篮,在前段增设吊装桁架。该桥挂篮结构如图14、图15所示。

3 总结先进性及创新点

日见桥和栗东桥是波形腹板PC组合梁应用到部分斜拉桥的开山之作,过去的预应力混凝土斜拉桥和部分斜拉桥主梁在斜拉索的锚固区常用混凝土横隔板来加强。日见桥与栗东桥则采用了钢横隔板。钢横隔板主要承担斜拉索的竖向分力,为箱梁提供抗扭刚度,同时对体外索起转向及定位作用。采用钢横梁有利于减轻自重、满足局部受力要求并提高施工效率。与波形钢腹板相得益彰。波形腹板PC梁一般采用单室截面,栗东桥由于桥面较宽,主梁采用了单箱三室截面。在波形腹板PC梁中采用多室截面,这在世界上也是第一次。该桥的建成也验证了通过较少的横隔板增设可以使波形钢腹板PC组合箱梁桥获得与预应力混凝土箱梁桥一致的抗扭刚度。

矢作川桥将波形钢腹板的应该拓展到大跨径斜拉桥,在世界桥梁建设历史中具有里程碑意义,其东侧塔柱范围内的主梁阶段预制分块吊装方案因地制宜、量体裁衣,是参建工程师智慧的结晶。

RW工法虽然施工实例还多应用在垂直钢腹板、桥面宽度较窄的桥形,但其大胆地利用钢腹板的刚度较大这个优势,将挂篮吊架施加在未安装混凝土顶板的钢腹板顶,不失为悬臂施工一个创新性突破。

波形钢腹板PC组合箱梁施工由于结构较复杂,其悬臂施工工期较单一的混凝土或钢结构稍长。连续梁或刚构的波形钢腹板PC组合箱梁悬臂施工节段工期受到腹板高度、梁体分段长度、预应力体系等设计因素影响,部分斜拉桥和斜拉桥波形钢腹板PC组合箱梁悬臂施工虽不采用牵索挂篮,但总体施工进度受塔柱和斜拉索张拉的影响。将斜拉索锚固体系塔端设计为上下连续钢锚箱、梁端设计为钢结构且与箱梁横梁联结为整体,提高体外预应力在箱梁预应力体系的使用比例,能有效缩短施工工期。

4 结语

从波形钢腹板桥梁的建设历史就可以看出法国工程师的创新意识,矢作川桥建设及津久见川桥的RW工法更是日本工程师智慧的结晶。我国在波形钢腹板PC梁建设中正处于摸索阶段,本文归纳这些具有代表性的悬臂施工桥梁方法实例,具有指导意义,希望能给同行提供借鉴和参考,让波形钢腹板PC组合箱梁在我国桥梁建设中得到更广泛的应用。

参考文献

[1]袁智熙,汪元锋.浅谈波形钢腹板PC桥设计与施工[J].湖南交通科技,2012(3).

[2]钱建漳.波形钢腹板预应力混凝土结合形箱梁的发展现状与施工[J].公路交通技术,2006(6).

[3]万水,蒋正国,孟文节.波形钢腹板PC箱梁桥的结构特点与施工[A].第十五届全国结构工程学术会议论文集[C].2006.

波纹钢腹板PC箱梁篇5

波纹钢腹板预应力连续箱梁是由混凝土顶底板、体外预应力筋和波纹钢腹板三者构成的组合结构, 是对传统的混凝土桥梁的一种改进。此类结构与普通混凝土桥梁相比优点在于: (1) 它恰当地将钢、混凝土结合起来, 混凝土顶底板抗弯, 波纹钢腹板抗剪, 充分发挥了材料的使用效率。 (2) 采用波纹钢腹板减轻结构自重, 抗震性能好, 经济美观。 (3) 运输和吊装方便, 缩短了施工周期;此外解决了现在很多大跨连续梁或连续刚构中出现的混凝土腹板开裂问题, 提高结构的耐久性。在日本得到了大力的推广应用, 我国目前也成功建成了多座波形钢腹板桥梁, 本文结合滁河特大桥施工, 详细介绍波纹钢腹板变截面预应力连续箱梁施工技术。

1工程概况

滁河特大桥在南京市六合区龙袍镇和东沟镇交界处跨越滁河, 全桥共分七联。其中主桥为53+96+53m的波纹钢腹板变截面预应力连续箱梁, 箱梁为单箱单室截面, 波纹钢腹板采用Q345c钢材, 波长1.6m, 波高22cm, 腹板钢板厚度为10~18mm。水平面板宽0.43m, 水平折叠角度为30.7°, 弯折半径为15t (t为波形钢腹板厚度) 。 (图1)

2施工过程说明

(1) 0、01和1号块:作为一个施工单元采用落地支架法施工, 首先进行落地支架搭设及翼缘板满堂支架的搭设, 预压后进行模板、钢筋、钢腹板安装及预应力管道施工, 后进行底板混凝土、内衬混凝土及顶板混凝土浇筑。 (图2) (2) 拼装挂篮悬臂浇筑2号~13号段, 起吊设备采用中央分隔带处的塔吊 (在14号主墩及15#主墩各一台) , 每个块段施工包括:安装、定位、焊接波纹钢腹板;挂篮行走;安装模板;钢筋、预应力管道及预埋件施工;之后进行砼浇筑。 (图3) (3) 15号~16号边跨段:16与15号块段施工与0及01号块施工类似, 采用满堂支架法施工, 施工过程中注意预应力管道的布设。 (图4) (4) 合龙段:14#合龙块采用吊架法施工, 为保证箱梁的线型和合龙精度满足设计要求, 在挂篮悬浇过程中要不断根据箱梁实测挠度修正各块段立模标高。 (图5)

3钢腹板施工关键技术

3.1钢腹板定位

(1) 落地支架施工处的钢腹板定位 (0、01及1号块) 。波形钢腹板用平板车运输至塔吊吊点正下方, 起吊纵向移动至设计位置, 转换吊点到手拉葫芦上, 手拉葫芦固定于支立在翼缘板上的型钢。内侧使用定长钢管进行定位。钢管共设置6道, 上中下各两道。波纹板的标高通过手拉葫芦进行调整。 (如图4) (2) 挂篮悬臂处的钢腹板定位 (2-13号块) 。悬臂施工时波形钢腹板用塔吊起吊纵向移动至设计位置, 转换吊点到手拉葫芦上, 手拉葫芦固定于焊接在挂篮主梁上的型钢。通过松、紧手拉葫芦进行标高调整。 (图6) (3) 合龙段处的钢腹板安装定位 (14号块) 。由于合龙时两端节段已经施工完毕, 合龙段波纹钢腹板塔吊起吊至设计位置, 在倒“Π”形钢板上焊定位钢筋临时固定于两端节段的钢腹板上。标高与两端节段波纹板标高相平。

3.2波纹钢腹板间的组件焊接

各块段的波纹钢腹板在工厂加工完成后运至工地, 节段与节段间波纹钢腹板在施工现场焊接完成。钢腹板定位要求相邻腹板紧密贴在一起后保证间隙小于0.5mm。焊接采用贴角焊。

3.2.1贴角焊施工要点。 (1) 波纹钢腹板钢材为Q345C, 其性能必须符合规范要求, 并具有国家技术质量监督部门确认的产品质量说明及出厂合格证明。焊条、焊丝、焊剂、电渣焊熔嘴等焊接材料与母材的匹配应符合设计要求及国家现行行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81的规定。 (2) 焊接前应将钢腹板表面的氧化物、油污、熔渣及其他有害杂质清除干净。在正式焊接前应试焊, 焊缝经检验合格后方能正式焊接。 (3) 焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷;不得有表面气孔、夹渣、弧坑裂纹、电弧擦伤等缺陷。且不得有咬伤、未焊满、根部收缩等缺陷。 (4) 贴角焊缝外观应达到:外形均匀、成型较好, 焊道与焊道、焊道与波纹钢腹板间过渡较平滑, 焊渣和飞溅物基本清除干净。 (图7)

3.2.2底板结合钢筋采用帮条单面焊连接。结合钢筋中心距离波纹钢腹板底缘30cm。在波纹钢腹板通长范围内布设。

3.3波纹钢腹板与顶、底板混凝土的连接

3.3.1波纹钢腹板采用钢筋混凝土榫的形式与顶板连接。波纹钢腹板顶部焊接倒“Π”形开孔钢板, 倒“Π”形底钢板厚16mm, 宽500mm, 兼做箱梁顶板加腋处混凝土浇筑时的底模。倒“Π”形上两列开孔钢板厚为16mm和20mm两种, 钢板上设置直径60mm的圆孔, 并贯通横桥向Φ20钢筋。

3.3.2波纹钢腹板与底板采用波纹钢腹板嵌入连接方式, 嵌入深度为280mm。波纹钢腹板进入底板混凝土部分设置两行直径60mm的圆孔, 并贯通横桥向Φ20钢筋。

3.3.3箱梁顶板和底板穿过钢板孔洞的钢筋应定位准确, 确保穿孔钢筋从孔洞中心穿过。

在底板与顶板处, 沿水平在波纹板每行圆孔内外均设置一道定位钢筋, 确保过孔钢筋的准确对中。 (图8、9)

3.4波纹钢腹板与内衬混凝土、转向块、横隔板的连接

为确保波纹钢腹板受到的剪力能有效传递到下部, 本桥在0及01号块波纹板内侧设置内衬混凝土, 在边跨4、8、11号块设置3道横隔板, 在中跨4.8.11及14号块共设置7道横隔板。

3.4.1波纹钢腹板与内衬混凝土和体外预应力转向块横隔板采用剪力钉连接形式。浇筑时将剪力钉埋入混凝土内, 剪力钉直径19mm, 长度为20cm。 (图10)

3.4.2波纹钢腹板与边跨端部横隔板、0号块横隔板采用钢板直接嵌入混凝土的方式连接, 嵌入段设置钢筋混凝土榫, 开孔直径为60mm, 贯穿Φ20过孔钢筋, 与箱梁顶底板过孔钢筋要求一致, 确保穿孔钢筋从孔洞中心穿过。

4体外预应力施工

4.1说明

(1) 箱梁采用纵、横双向预应力体系, 纵向预应力采用体内、体外相结合的体系。箱梁悬臂施工和箱梁合龙时的预应力全部采用体内预应力, 以抵抗一期恒载和施工临时荷载;箱梁在连续状态下张拉的体外预应力用于抵抗二期恒载和活载。 (2) 本桥半幅设置6道15-22型体外预应力钢束, 设置两道15-22型体外预应力备用钢束。预应力钢束采用无粘结PE高强低松弛光面钢绞线, 其主要技术标准符合《无粘结预应力钢绞线》 (JG161-2004) 的规定。每根钢丝间注有油脂, 整股钢绞线为外挤压PE (聚乙烯) 层的成型钢绞线。 (3) 锚固块和定位块处采用预埋无缝钢管成孔。钢束转向处采用的转向装置除了必须满足结构受力要求外, 还必须能够有效地进行体外束的定位、安装、张拉、监测及单根更换。

4.2钢绞线下料

穿束前必须将本阶段所有的钢绞线下料完毕, 卷盘、妥善存放并做好临时防护措施, 按照图纸计算长度及工作长度进行钢绞线的下料, 下料过程中要注意对PE层的保护, 避免刮擦损伤。

4.3穿束

体外预应力钢束穿束采用卷扬机配合人工穿束的方式, 卷扬机钢丝绳与钢绞线间采用专用的连接器进行连接 (图11) 。钢绞线穿束方向为从14号主墩到16号过渡墩;从15#主墩到13号过渡墩。卷扬机固定在边跨引桥端部桥面上, 在伸缩缝处设置转向滑轮, 穿束前对各横隔板的孔道进行编号, 根据精确测量的索两端锚固的实际距离, 剥除两端PE层, 确保在张拉后索的PE层进入密封筒的长度在200mm-400mm之间。人工从过渡墩处孔道穿钢丝绳按顺序逐孔穿至主墩处与钢绞线连接, 启动卷扬机牵引钢绞线至过渡墩端横梁。在每个横隔板处人工配合穿减震器, 钢绞线通过减震器要与转向器孔道一致。预应力钢束各自独立且相互平行。 (图12)

4.4体外预应力钢束张拉

体外预应力在全桥合龙后、桥面二期铺装及护栏等附属设施施工之前完成张拉。体外预应力采用在中跨交叉锚固与墩顶横隔板的方式, 张拉时应两端、上下游对称张拉。张拉采用四台单孔26t千斤顶两端两侧对称张拉, 采用张拉力与伸长量双控。

4.5张拉完成后切除多余的钢绞线, 锚头进行防腐处理, 安装保护罩, 灌注防腐油脂, 安装减震橡胶装置。 (图13)

5结束语

滁河特大桥波纹钢腹板连续箱梁成功实施充分展现了波纹钢腹板及预应力体外束桥的优势, 它有效地将钢、混结合起来, 减轻了结构自重, 提高了结构稳定性及材料使用效率, 该桥型结构美观、抗震性能好, 同时缩短了施工周期, 且体外预应力钢束桥梁与普通体内预应力桥梁相比易检查、易维护, 波纹钢腹板与预应力体外束组合结构桥应当具有广阔的应用前景。

摘要：通过滁河特大桥波纹钢腹板预应力连续箱梁的施工, 详细介绍了波纹钢腹板梁及预应力体外束的施工技术及质量控制要点。

关键词：波纹钢腹板,预应力体外束,施工技术

参考文献

[1]任红伟, 陈海波, 宋建永.波纹钢腹板预应力组合箱梁桥的设计计算分析[J].公路交通科技, 2008 (8) :92-96.

[2]白国艳.波纹钢腹板预应力混凝土组合箱梁施工技术[J].国防交通工程与技术, 2009 (05) :39-42.

[3]徐君兰, 顾安邦.波形钢腹板组合箱梁桥的结构与受力分析[J].重庆交通学报, 2005 (02) :1-4.

[4]李闯.体外预应力体系浅析[J].公路交通科技, 2010 (5) :80-83.

[5]熊学玉.体外预应力结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.

波纹钢腹板PC箱梁篇6

1 发展概况

预应力混凝土箱梁腹板面积一般占总截面面积的25%~35%。若能减小其腹板厚度, 则减轻相当可观的箱梁自重, 降低箱梁的纵向预应力值。为达到这一效果, 在20世纪80年代, 法国学者首先提出采用平面钢腹板替代传统混凝土腹板, 并在箱室空间内设置体外预应力钢束的想法。但由于钢板与混凝土的变形量相差甚大, 钢腹板对混凝土顶、底板因收缩、徐变而引起的在顺桥向变形产生较大约束, 进而使得顶、底板内的预应力向钢腹板转移, 有20%~25%的预应力为钢腹板所吸收, 降低预应力的使用效率[1,2]。

1975年, 法国Campenon Bernard公司首先提出采用沿顺桥向可伸缩的波形钢腹板替代平面钢腹板的想法。这种波折状的腹板有效避免钢腹板对混凝土顶、底板的约束作用而造成的截面预应力损失, 构成一种更为合理的箱梁结构。随后, 世界第一座波形钢腹板PC组合箱梁桥——Cognac桥于1986年建成。

20世纪末开始, 日本引入波形钢腹板PC组合箱梁, 并在此基础上进行大量研究。随后, 修建新开桥、日见桥、矢作川桥、松木七号桥等。桥跨形式涵盖了连续梁、简支梁、连续刚构桥、斜拉桥和部分斜拉桥。

我国对波形钢腹板PC组合箱梁力学性能的研究始于1998年。2005年, 我国第一座波形钢腹板PC组合箱梁桥——江苏淮安长征人行桥竣工。随后建成的河南光山县的泼河大桥、山东鄄城黄河公路大桥、卫河大桥、深圳平盐铁路大桥、南山大桥、重庆大堰河桥、宁波甬新河桥、河北紫金大桥等标志着我国对波形钢腹板PC组合箱梁桥技术的掌握进入了一个新的发展阶段。

2 构造特点

波形钢腹板PC组合箱梁是一种新型钢-混凝土组合结构 (见图1) 。其箱梁结构的顶底板仍采用传统的钢筋混凝土形式。混凝土体内设置有预应力钢束。与传统预应力混凝土箱梁所不同的是, 波形钢腹板替代混凝土腹板。传统腹板内的弯起钢束则以设置在箱室内的体外预应力钢束替代[3]。这一新型结构的最大优势是减轻主梁自重, 进而减小下部结构的工程量。此外, 波形钢腹板在控制腹板斜向开裂上也有很大优势。

3 设计方法

3.1 整体设计

波形钢腹板的主要几何参数见图2。腹板高度h决定于箱梁的整体布置, 钢腹板厚度t按抗剪强度计算的结果选取, 而最大波折段长度a和最小波高d则分别取决于局部屈曲强度和整体屈曲强度。在确定几何参数后, 计算合成屈曲强度, 检验其是否满足钢腹板的剪切屈服强度[4]。

目前常用的波形钢腹板有1000型、1200型及1600型。相较于1000型及1200型, 1600型波形钢腹板具有缩短工期的优点, 国内外在建和已建的同类型工程中均采用1600型波形钢腹板[4]。

3.2 波形钢腹板之间的连接

受限于制造、运输及施工, 波形钢腹板通常在顺桥向被切割成节段, 需在现场完成拼装。连接通常采取焊接、高强度螺栓连接或两者相结合的方式。由于波形钢腹板在纵桥向刚度较小, 不承担轴向应力, 钢腹板采用单面摩擦连接对焊接在强度方面能充分保证。

在日本, 通常采用连接部分焊接翼缘板, 再用螺栓连接方法和把钢板相互对接坡口焊的方法, 而在其他国家是将钢板重迭, 进行贴角焊的方法[5]。波形钢腹板连接方式示意图见图3。

3.3 波形钢腹板与混凝土顶、底板的连接

波形钢腹板与混凝土顶、底板之间有效传递剪应力是决定波形钢腹板PC组合箱梁整体受力性能的关键。结合部的设计既要考虑钢材和混凝土材料之间的纵向水平剪力的有效控制, 也要考虑两者之间的水平剪力, 以确保波形钢腹板与混凝土顶、底板之间不会产生相对位移。以下几种是工程中常见的连接件形式。

1) 嵌入型连接件 (见图4) 。做法是在波形钢腹板的上、下缘打孔, 穿过贯通钢筋, 在腹板上、下端焊接纵向约束钢筋, 埋入混凝土。施工方便, 且有效避免翼缘型连接中常出现的焊缝疲劳问题, 但削弱其防腐性能。

2) 角钢剪力连接件 (见图5) 。做法是在翼缘板上焊接角钢, 在角钢上焊接U形钢筋并打孔, 穿过纵向贯通钢筋。角钢上焊接的U形钢筋使变形具有延性, 而纵向贯通钢筋能够承担腹板面外弯矩的作用。

3) PBL剪力连接件 (见图6) 。PBL剪力连接件属于刚性连接件, 其抗剪刚度更高、承载力更大、延展性也更好。由于加工方便、经济适用、疲劳寿命长等优点, 它被广泛应用于大型组合结构的结合段中。PBL连接件经过发展, 可与锚钉组合使用, 以发挥各自长处, 从而又衍生出进化的形式, 如TWIN-PBL和S-PBL形式。

3.4 体内、外预应力混合型配束方式

波形钢腹板PC组和箱梁采用体内、体外预应力并用的方式。混凝土顶、底板中配置纵向预应力筋, 用以抵抗施工时的荷载及自重。箱室内配置体外预应力钢束, 通过梁端的横梁和跨内的横隔板来转向, 实现曲线或折线配筋, 用以抵抗活载。通常在桥台后设置有张拉室, 与箱梁贯通, 便于体外预应力束的日检、维修及更换或添加[6]。

4 波形钢腹板矮塔斜拉桥应用实例——南昌朝阳大桥

波形钢腹板矮塔斜拉桥是近年来兴起的新桥型, 它将波形钢腹板PC组合箱梁应用到矮塔斜拉桥中, 充分发挥各自的结构优势。目前, 日本已建造2座波形钢腹板矮塔斜拉桥, 分别为主跨180 m的日见梦大桥和主跨170 m的栗东桥[7]。在南昌朝阳大桥开工以前, 国内仅有一座主跨70 m的波形钢腹板无背索部分斜拉桥——新密市溱水路大桥[8], 尚无真正的波形钢腹板矮塔斜拉桥。南昌朝阳大桥的建成将填补我国在波形钢腹板矮塔斜拉桥领域的空白, 完善国内对波形钢腹板PC组合箱梁的研究。

南昌朝阳大桥位于赣江 (南昌—湖口) 河段, 其主桥通航孔桥的结构形式为波形钢腹板PC组合箱梁矮塔斜拉桥, 主跨150 m, 边跨79 m, 最终跨径布置为79 m+150 m×5+79 m的六塔斜拉桥 (见图7) 。

朝阳大桥为单索面斜拉桥, 且车道数量多, 桥面宽达37 m。若选用混凝土结构则自重太大, 而全钢结构对于150 m的跨径则显得经济性较差。故朝阳大桥最终选择波形钢腹板PC组合箱梁作为其主梁形式。朝阳大桥为机动车、人非双层桥梁, 主梁梁高主要由箱梁下层人行、非机动车通行净高控制, 为4.7 m, 其断面形式为单箱五室。结合国内外已建工程实例、我国标准及规范所列规格, 南昌朝阳大桥的跨径和规模以及屈曲分析, 推荐采用1600型波形钢腹板, 平板段长度为430 mm, 斜板段长度为370 mm, 波高220 mm。跨中区域, 外侧和内侧的四道腹板厚度18 mm, 中间两道为12 mm;支点区域, 6道腹板厚度都加厚至22 mm。波形钢腹板之间的连接采用单面摩擦型高强度螺栓。钢腹板与混凝土顶板之间的连接采用TWIN-PBL形式, 钢腹板与混凝土底板之间的连接采用S-PBL连接+锚钉形式及型钢连接件。

5 结语

与传统预应力混凝土箱梁相比, 波形钢腹板PC组合箱梁的优点总结为以下几点。

1) 采用轻质的波形钢腹板后, 箱梁的自重减轻明显, 从而地震激励作用的效果相应降低, 抗震性能得以提升。

2) 上部结构自重减轻的同时, 桥梁跨越能力提升, 下部结构工程量相应减少, 降低工程的整体造价。

3) 混凝土顶、底板在箱梁结构中主要抗弯及抗压;波形钢腹板则抗剪。充分发挥混凝土抗压强度高及波形钢腹板抗剪能力强的材料优势。此外, 由于波形钢腹板的纵向刚度较小, 纵向预应力钢束可以集中加载于顶、底板, 有效提高预应力的效率。

4) 传统预应力混凝土箱梁的腹板受外荷载作用以及混凝土收缩、徐变的影响, 常出现开裂, 继而导致混凝土截面削弱以及钢筋腐蚀等连锁问题的发生。以波形钢腹板替代混凝土腹板后, 结构耐久性大大提高。

5) 波形钢腹板在工厂预制后, 现场仅需拼装。省去大量模板外, 节省混凝土浇筑的时间, 施工进度加快。

6) 体外预应力钢束在长期运营后不可避免会出现损坏, 但因其裸露在外, 更换简单快速, 便于桥梁维护。

波形钢腹板PC组合箱梁的结构形式经济高效, 可应用的桥跨形式多样, 涵盖了从简支梁、连续梁、连续刚构到部分斜拉桥、斜拉桥等所有常见的结构形式。随着中国对波形钢腹板PC组合箱梁结构研究的不断深入, 施工经验不断累积和日益成熟, 这一结构必将在中国的桥梁工程中得到更大的发展。

参考文献

[1]徐强, 万水.波形钢腹板PC组合箱梁桥的设计与应用[M].北京:人民交通出版社, 2010.

[2]ELGAALY M, HAMILTON R W, SESHADRI A.Shear Strength of Beams with Corrugated Webs[J].Journal of Structural Engineering, 1996, 122 (4) :1478-1493.