通过横向预制拼装 实现三化 --标准化设计 工厂化生产 装配化施工
文/汤意
钢-混凝土组合结构桥梁既能克服钢桥和混凝土桥梁的弱点，又能发挥各自优点。国外研究统计表明：其在跨径30～110m范围内具有竞争力，在60～80m跨径范围内有明显优势。欧美等国跨径15m以下的桥梁多采用钢筋混凝土梁桥，15～25m跨径采用预应力混凝土梁桥，25～60m跨径常采用钢-混组合梁桥。
波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥（以下简称波形钢腹板PC箱梁桥）是用波形钢板代替混凝土腹板形成的一种组合结构，与传统混凝土箱梁相比，波形钢腹板PC箱梁自重减轻15%～25%，充分发挥了钢-混组合结构的优势，在我国已有多座波形钢腹板PC箱梁桥建成通车。但目前30～60m跨径的波形钢腹板PC箱梁桥，主要采用现浇的形式，影响了其经济性和推广使用。
因此，波形钢腹板PC梁桥预制装配化是需要解决的关键问题。预制装配化是指采用工业化生产方式的技术，选用合理的可装配式结构体系，基于模数化、标准化设计，在工厂按工业化产品模式完成预制，再将其运输到现场，经机械化装配后形成满足预定功能要求的工程结构。
利用波形钢腹板PC箱梁结构特点，通过采用横向预制拼装技术，可实现中等跨径波形钢腹板PC梁桥的标准化设计，工厂化生产，装配化施工。
横向预制拼装波形钢腹板PC箱梁
技术方案
将波形钢腹板PC箱梁截面先 “化整为零”为两个波形钢腹板PC工字梁单元，再将预制的两两波形钢腹板PC工字梁单元通过湿接缝横向连接，“化零为整”拼装，形成波形钢腹板PC连续箱梁（图1）。具体实现流程为：工厂化预制波形钢腹板PC工字梁→架设波形钢腹板PC工字梁→浇筑顶、底板混凝土湿接缝形成组合箱梁（或仅浇筑顶板湿接缝）→浇筑各跨间的墩顶横梁→张拉墩顶负弯矩钢筋或体外预应力钢筋形成连续箱梁（图2）。
图1 波形钢腹板PC工字梁横向连接形成箱梁
图2 现浇混凝土横梁形成连续箱梁
技术特点
1.工厂化预制波形钢腹板PC工字梁，施工质量容易控制；桥梁上下部结构可以平行作业，加快了施工进度。
2.波形钢腹板PC梁桥的二期恒载和活载由形成的箱梁承担，预制波形钢腹板PC工字梁，仅承担结构自重和施工荷载，故每片预制的工字梁截面尺寸可减小，安装重量减轻，相应增大了应用跨径。
3. 具有独特的结构优势。预制波形钢腹板PC工字梁除采用后张法预应力体系，根据预制梁的规模和场地条件，还可采用生产效率高、耐久性好、造价省的先张法体系。
断面组成
以单幅桥宽12.75m为例，40m以上跨径采用图3所示的波形钢腹板PC箱梁布置形式，40m以下采用图4所示波形钢腹板组合T梁布置形式。
图3 横向预制拼装波形钢腹板组合箱梁断面布置
图4 横向预制拼装波形钢腹板组合T梁断面布置
简支转连续结构
各跨波形钢腹板PC箱梁采用先简支后连续方式形成连续箱梁。在墩顶中横梁浇筑完成后，墩顶负弯矩可采用墩顶设置负弯矩钢筋或张拉体外预应力钢筋的方法来抵抗（图2）。
预制波形钢腹板PC工字梁
截面设计
波形钢腹板PC工字梁因腹板重量减轻,改变了混凝土梁相对钢桥自重过大的缺点,使30～60m成为经济适用跨径。与混凝土T梁相比，波形钢腹板PC工字梁预制构件尺寸可加大,相应地减少主梁片数。以12.75m桥宽为例,30m、40m和50m跨径混凝土T梁需6片,而对应的波形钢腹板PC工字梁只需4片,且单片工字梁吊装重量小于混凝土T梁(见表1)。
在净空不受限制的地区，波形钢腹板PC工字梁还可适当增加梁高，以提高材料使用效率。在保持混凝土数量基本不增加的情况下，波形钢腹板高度增加1.2倍，则波形钢腹板PC箱梁截面抗弯强度可提高约2倍。所以应用到运输条件不受限制的特大型桥梁的引桥，其适用范围还可以扩展到60m以上跨径。
波形钢腹板
波形钢腹板常用的Q345抗剪设计强度为180MPa，约是混凝土抗剪设计强度的100倍，可以有效解决混凝土箱梁腹板开裂等问题。波形钢腹板的形状尺寸是按照剪切屈服前不发生剪切屈曲、极限荷载作用时不发生剪切屈曲两个条件设计的，同时考虑桥梁横向刚度等综合因素。
2011年5月，中国工程建设标准化协会发布了《波纹腹板钢结构应用技术规程》（CECS290：2011），国内已有多条建筑用波纹腹板自动化生产线投入生产。跨径60m以下的波形钢腹板PC工字梁，其波形钢腹板为等高度、厚度20mm以下，可利用建筑波纹腹板自动化生产线来加工，以降低波形钢腹板生产成本。由于采用混合型抗剪连接件（本文内有详述），翼缘板与波形钢腹板采用自动焊接，加工完成的波形钢腹板运到预制厂以后，节段间采用高强螺栓连接，保证了在施工现场没有焊接作业。
通过采取以上措施，简化了施工工艺，有效保证了施工质量，大幅降低了生产成本。
横梁、横隔板
波形钢腹板PC工字梁的端横梁不仅能起到横向扩散荷载作用，还起到稳定及传递预应力荷载的作用。跨中设置3道横隔板，主要起连接各工字梁共同受力和满足工字梁在预制阶段承压后的稳定性。当配置体外预应力时，横隔板还起到转向块的作用。
预应力体系
由于波形钢腹板表观模量很小，故不承受轴向力，不抵抗正弯矩，预应力能有效地施加在混凝土顶、底板上，有效提高了预应力钢材的效率。50m以上跨径，采用体内预应力和体外预应力混合体系；50m以下跨径不需设置体外预应力，仅设置体内预应力和墩顶负弯矩钢筋。
波形钢腹板工字梁除设计后张法体系外，还设计了先张法体系供选择采用。
连接件
1.常用的连接件形式
波形钢腹板与混凝土顶、底板的结合部构造直接关系到桥梁承载能力，是波形钢腹板梁的最关键部位。结合部构造需能抵抗结构中钢材和混凝土材料两者间的水平剪切力，确保组合结构受力时，两种不同材料之间不会产生相对位移。
波形钢腹板与混凝土顶、底板的连接方式主要有嵌入型和翼缘型两种形式（图5）。嵌入型和翼缘型连接件各有特点：嵌入型连接件构造施工简单，焊接工作量小，抗疲劳性能好，用钢量省，经济性好。为了防止水的浸入造成腐蚀，在波形板和混凝土的连接面要进行密封处理，同时要采用在波形钢板的空隙间填充橡胶以防止混凝土漏出。翼缘型连接件的抗剪切承载力高，连接部分刚度大，但用钢量增加，焊缝多，构造和施工相对复杂。
2.设计采用的连接件形式
波形钢腹板与混凝土底板的连接采用嵌入型连接件（图5a）。
波形钢腹板与混凝土顶板的连接设计了一种混合型连接件，其构造是在嵌入型连接件的基础上，在与混凝土顶板的结合面位置上，纵向采用焊接两块翼缘板（图6）。该种连接件兼具嵌入型连接件和翼缘型连接件的优点，连接部位的刚度提高，能满足混凝土顶板承受和传递车辆荷载的作用，具有便于施工，耐久性好的特点。其次这种混合型连接件比双PBL连接件能节省30%的钢材，按连接件用钢量占波形钢腹板用钢量的20%计，通过采用这种混合型连接件，波形钢腹板用钢量能降低5%以上。
图5 连接件形式
图6 与顶板连接采用混合型连接件
技术指标
跨径30m、40m、50m相应的每平方米桥梁上部材料用量指标（不含护栏和铺装）见表2～4。
对比波形钢腹板PC箱梁桥统计指标（图7）可知，用钢量指标增大是由于预制拼装波形钢腹板PC箱梁的腹板数量增多。其余指标均正常或占优。
与钢-混组合梁桥相比，用钢量指标占优。据国内已建成的多座钢-混组合梁桥的统计，20～30m跨径单位面积用钢量约为150kg/m2，40～50m跨径为270kg/m2。
图7 波形钢腹板PC箱梁桥的材料用量指标图
适应城市高架桥建设特点的技术方案
城市高架桥大量使用满堂支架现浇施工方法，造成桥下断行，对地面交通影响很大。采用预制装配式波形钢腹板PC箱梁，可以做到无支架施工，基本不影响桥下道路通行。但考虑到城市高架桥施工场地、运输条件和桥梁美观要求，可采用“少支架施工横向预制拼装波形钢腹板PC箱梁桥”方案。
少支架施工横向预制拼装
波形钢腹板PC箱梁桥技术方案
在桥墩外侧搭设临时支架，支撑预制的波形钢腹板PC工字梁，再浇筑顶、底板湿接缝横向拼装形成箱梁，最后在支架上纵向浇筑墩顶横梁或安装预制的墩顶横梁，形成多跨连续梁或连续刚构（图8）。
图8
技术特点
本方法预制的波形钢腹板PC工字梁通过桥墩上部横梁连接成整体，减少了预制波形钢腹板PC工字梁的长度，既方便了运输和吊装工作，又能保证施工中道路不断行。为满足城市桥梁景观需要，桥墩采用隐性盖梁，上部横梁和墩身作为单独构件设计成需要的造型进行预制或现浇。
预制波形钢腹板PC工字梁除采用直腹板外，预制边梁还可采用更美观的斜腹板梁（图9）。
图9
应用与展望
我公司设计建成的河南内乡至邓州高速公路张庄分离式立交桥（图10），上部设计采用2孔40m横向预制拼装波形钢腹板PC箱梁。与预应力混凝土箱梁相比，具有吊装工作量少、构件轻、整体刚度大、抗震性能好等一系列优点，具有更好的经济性与施工便易性。
图10 张庄分离式立交桥
横向预制拼装波形钢腹板PC箱梁桥施工工艺与装配式PC梁桥基本相同，易于被设计单位和施工单位掌握。随着钢材价格的降低和规模化生产，能够使其经济性指标达到或低于同等跨径预制混凝土梁的水平。目前我国的装配式桥梁结构多为预应力混凝土结构，当跨径大于50m时无合理装配式结构桥型，预制拼装波形钢腹板PC箱梁解决了这一问题，可成为我国30～60m跨径公路和城市桥梁常用的桥式。
2013年4月，建设部依托同济大学成立了“国家土建工程结构预制装配化工程技术研究中心”，旨在全国研发推广土建结构预制装配化技术。波形钢腹板PC箱梁桥预制装配化，符合国家对土木建筑业的发展战略，已入选2014年度交通运输建设科技成果推广目录（编号：2014036）。今后通过进一步技术改进，横向预制拼装波形钢腹板PC箱梁桥可向更大跨径推广应用。
(作者单位：河南省交通规划勘察设计院有限责任公司)
(编辑：魏薇)