本發明涉及橋梁建筑技術領域，尤其是涉及一種適用于大型橋梁的分塊預制式二次預應力波形鋼腹板組合梁的施工方法。

背景技術：

傳統預制箱梁腹板多為混凝土材質，不僅重量大且易開裂，故混凝土箱梁只適合應用于小跨徑（40m以下）的公路橋梁。自1988 年ACSI協會將波形鋼腹板PC 組合箱梁進行介紹后，波形鋼腹板 PC組合梁作為一種經濟、高效、施工簡便的新型橋梁形式，取得了橋梁工作者的廣泛認同并被拓展應用于大中型橋梁（50m以上跨徑）的實際工程中。

現有波形鋼腹板PC 組合箱梁多采用如下兩種形式進行施工：

一種是將整個箱梁梁體的鋼筋預制混凝土頂板、鋼筋預制混凝土底板和波形鋼腹板分為三個部分分別進行整體預制，之后再吊裝就位，在橋位處采用螺栓連接拼裝。中國專利“拼裝式預應力混凝土組合箱梁”（申請號200620126505.3）就公開了上述結構的預制件，并著重介紹了波形鋼腹板與頂板、底板的連接方式。但是，由于這種結構的箱梁頂板、底板和腹板均為一體式結構，單個預制構件的重量仍然很重。例如橋寬為16.75m的波形鋼腹板箱梁橋，其每延米的重量高達10t以上，施工時即便分別吊裝單個預制構件仍然十分困難。其次，為方便運輸，預制構件的長度通常不會很長，上述整孔架設結構僅限于小跨徑的橋梁，對于大跨徑的橋梁，頂板和腹板還是會采用分段預制的形式。另外，該專利沒有考慮實際施工時預應力鋼束的施加時機和預留孔道等情況，且對于負彎矩區的處理措施也未加論述，如果缺乏應對梁體荷載變形的措施和具體施工工藝方面的詳細考慮，施工的可行性較差。

另一種是將頂板、底板和波形鋼腹板固定連成工字結構的預制拼裝單元，在現場將多個工字結構的拼裝單元進行橫向和縱向拼接后完成橋梁施工，如中國專利“二次張拉預應力裝配式波形鋼腹板組合梁及其施工方法”（申請號201510255113.0）就公開了上述結構的工字形預制件，并于相應的時機施加二次預應力，實現工字形預制件的橫向拼裝。上述預制的拼裝單元體積大，噸位重（例如單個預制工字形單元每延米的重量即可達5t左右），而且自身的穩定性也較差，易造成運輸成本和吊裝成本上升，在安裝過程中對起吊設備要求較高，吊裝安全性較低；同時由于拼裝單元中的波形鋼腹板與頂板和底板之間固定連接，因此該預制拼裝單元內的各部件不可調整、不可替換，增加了后期維護的難度；同時伴隨著交通量的日益增大，梁體的承載能力無法適應新情況下的交通狀況。

技術實現要素：

本發明提供一種分塊預制式二次預應力波形鋼腹板組合梁的施工方法，目的在于解決現有波形鋼腹板PC 組合箱梁應用于大型橋梁時容易出現運輸、吊裝和后期維護等方面的問題。

為實現上述目的，本發明可采取下述技術方案：

本發明所述的分塊預制式二次預應力波形鋼腹板組合梁的施工方法，主要包括以下步驟：

第一步，按橋梁設計要求，單獨預制組成工字型梁體單元的預制混凝土頂板、預制混凝土底板和波形鋼腹板：

對于預制混凝土頂板，先綁扎帶有橫向連接筋和縱向連接筋的頂板鋼筋網，再將墩頂負彎矩預應力孔道和上剪力連接件的剪力釘安裝在頂板鋼筋網內，之后進行澆筑；

對于預制混凝土底板，先綁扎帶有橫向連接筋和縱向連接筋的底板鋼筋網，再將一次預應力孔道、二次預應力孔道和下剪力連接件的剪力釘安裝在底板鋼筋網內，當澆筑完成拆除模板后，對位于所述一次預應力孔道內的張拉鋼束進行張拉；

對于波形鋼腹板，先沖壓加工波形鋼板，再在波形鋼板周緣預留用于連接上、下剪力連接件的螺栓孔；

第二步，進行現場裝配準備工作：

在現場完成施工的相鄰橋臺或橋墩之間設置移動支撐裝置作為輔助施工平臺，同時，將預制完成的預制混凝土頂板、預制混凝土底板和波形鋼腹板運送至施工現場；

第三步，進行組合梁橫向拼接裝配：

用吊裝設備將預制混凝土底板、波形鋼腹板和預制混凝土頂板依次吊裝至移動支撐裝置上，并用螺栓栓接方式進行預制混凝土底板與波形鋼腹板、波形鋼腹板與預制混凝土頂板的連接，完成第一片工字型梁體單元的裝配施工；

接著將移動支撐裝置沿橋寬方向橫向轉移，按照第一片工字型梁體單元的施工步驟完成該橋跨內沿橫向設置的其他工字型梁體單元的裝配施工；

之后綁扎相鄰工字型梁體單元之間的橫向連接筋，澆筑形成預制混凝土頂板縱向濕接縫和預制混凝土底板縱向濕接縫，并在預制混凝土底板縱向濕接縫達到一定強度后，對位于預制混凝土底板二次預應力孔道內的張拉鋼束進行張拉；

第四步，進行組合梁縱向拼接裝配：

將移動支撐裝置依次轉移至其他橋跨位置，重復第三步作業，完成縱向每一橋跨梁體的施工；

綁扎相鄰橋跨之間的縱向連接筋，澆筑形成橫向濕接縫或橫梁，并按照先邊梁后中梁的順序，采用對稱張拉原則對位于相鄰預制混凝土頂板墩頂負彎矩預應力孔道內的張拉鋼束進行張拉，形成多跨連續梁體系；

第五步，完成附屬設施的架設，結束施工。

所述上剪力連接件和下剪力連接件結構相同，均包括連接板和垂直焊接在所述連接板上的邊緣開設有連接孔的波形翼板，連接板的另一面焊接有預埋在預制混凝土頂板或預制混凝土底板中的剪力釘。

組成所述工字型梁體單元的單個預制混凝土頂板、預制混凝土底板和波形鋼腹板的長度分別為5-30米。

本發明所述的分塊預制式二次預應力波形鋼腹板組合梁的施工方法，采用單獨預制工字型梁體單元的預制混凝土頂板、預制混凝土底板和波形鋼腹板，再現場進行拼接施工的方式。本發明對現有的整體預制的工字形構件在豎向上進一步進行分塊，一方面充分利用了波形鋼腹板的“褶皺效應”實現箱梁化整為零，將預制構件體積充分減小，使構件體積減小，更加易于運輸和吊裝，有利于橋梁的快速架設，同時避免了整體預制的工字形構件自身穩定性差的問題；另一方面也利用波形鋼腹板特有的弱“梁端效應”，在頂板內設置有用于穿設負彎矩預應力張拉鋼束的孔道，在預制混凝土底板內采用了一次預應力鋼束和二次預應力鋼束，與施工過程完美配合，實現施工的最大便捷。其中，在預制混凝土底板預制完成后張拉一次預應力鋼束，用于抵抗混凝土收縮徐變產生的應力，而在箱梁拼接完成后，張拉二次預應力鋼束，能減少組合箱梁因收縮徐變產生的反拱；頂板和底板上預埋有用于與波形鋼腹板連接的剪力連接件，相鄰的頂板和底板在橋梁施工現場可以通過澆筑濕接縫方式進行橫向和/或縱向的拼接以獲得各種要求的橋寬、橋跨。所以，本發明將工字型梁體單元中的頂板、底板和腹板分解開進行預制，有效減輕了各預制件的體積及重量，大大降低了運輸及吊裝難度；而且由于波形鋼腹板通過螺栓與頂板和底板進行連接，若后期交通量增大時，還可以通過對波形鋼腹板的更換，實現對梁體高度的調整或維護，從而達到了增加橋梁結構承載能力的目的；上述預制件之間活動相連，可以重復安裝與拆卸，因此在橋梁拆除后還能將部分預制件重復利用，為橋梁結構的可循環發展提供了一種有效思路。具體來說，本發明的優點可以體現在以下幾點：

（1）本發明采用分塊預制拼裝的結構形式進行梁體架設，各部件的體積及重量都相應較小，不僅能有效保證預制件在運輸過程中的穩定性，而且容易保證吊裝過程中構件的安全性，利于施工。

（2）本發明中的波形鋼腹板可進行拆卸安裝，方便后期對梁體的維護及檢查，同時可對受損傷的波形鋼腹板進行更換，實現調整梁體高度、增加結構承載能力的目的。

（3）本發明中橋梁各部件可進行拆卸，使得橋梁各部件可以重復利用，避免了混凝土和組合結構橋梁難以實現重復利用的問題。

（4）本發明除波形鋼板的高度可變外，其他混凝土構件均為標準件，具備大規模標準化生產的條件。

（5）本發明在形式簡單的移動支撐裝置上進行拼裝，不需要在周邊設置專門的拼裝場，更適合城市橋梁的快速施工。

附圖說明

圖1是本發明中工字型梁體單元的結構示意圖。

圖2是圖1中預制混凝土頂板的結構示意圖。

圖3是圖1中預制混凝土底板的結構示意圖。

圖4圖2、3中上、下剪力連接件的結構示意圖。

圖5、圖6、圖7是施工過程示意圖。

圖8-13是對本發明進行原理性說明的相關附圖。

具體實施方式

本發明所述的分塊預制式二次預應力波形鋼腹板組合梁的施工方法，主要包括以下步驟：

第一步，按橋梁設計要求，單獨進行預制混凝土頂板1、預制混凝土底板2和波形鋼腹板3的預制，上述預制件通過螺栓4拼接后能夠組成如圖1所示的工字型梁體單元。

具體地，預制如圖2所示的預制混凝土頂板1時，先綁扎帶有橫向連接筋1.1和縱向連接筋1.2的頂板鋼筋網，再將墩頂負彎矩預應力孔道1.3和上剪力連接件1.4安裝在頂板鋼筋網內，然后安裝限位模板，澆筑混凝土；待混凝土達到設計強度后，拆除限位模板。

預制如圖3所示的預制混凝土底板2時，先綁扎帶有橫向連接筋2.1和縱向連接筋2.2的底板鋼筋網，再將一次預應力孔道2.3、二次預應力孔道2.4和下剪力連接件2.5安裝在底板鋼筋網內，然后安裝限位模板，澆筑混凝土；待混凝土達到設計強度拆除限位模板后，需要對位于一次預應力孔道2.3內的張拉鋼束進行張拉，用于抵抗底板在吊裝和架設過程中由于自重產生的彎矩。

預制波形鋼腹板3時，先沖壓加工波形鋼板，再在波形鋼板周緣預留用于連接上、下剪力連接件1.4、2.5的螺栓孔。

上述上剪力連接件1.4和下剪力連接件2.5均為預制成型件，為了降低預制成本，兩者采用相同的結構。以上剪力連接件1.4為例，如圖4所示，包括預埋在預制混凝土頂板1內且端部帶有防脫塊的剪力釘1.4a，剪力釘焊接在連接板1.4b上，連接板1.4b另一面垂直焊接有帶有連接孔的波形翼板1.4c。上述連接孔的位置與波形鋼腹板3周緣螺栓孔的位置相對應，將兩者對齊后，穿設固定螺栓4（如圖1所示），即可方便、快捷地完成預制混凝土頂板1與波形鋼腹板3的拼接。

第二步，進行現場裝配準備工作：

在現場完成施工的相鄰橋臺或橋墩5之間設置移動支撐裝置6作為輔助施工平臺（如圖5所示），同時，將預制完成的預制混凝土頂板1、預制混凝土底板2和波形鋼腹板3運送至施工現場。

第三步，進行組合梁橫向拼接裝配：

用吊裝設備將預制混凝土底板2、波形鋼腹板3和預制混凝土頂板1依次吊裝至移動支撐裝置6上，用固定螺栓4將下剪力連接件2.5與波形鋼腹板3、上剪力連接件1.4與波形鋼腹板3分別連接，完成由預制混凝土頂板1、預制混凝土底板2和波形鋼腹板3組成的第一片工字型梁體單元的裝配施工；

接著將移動支撐裝置6沿橋寬方向橫向轉移，按照第一片工字型梁體單元的施工步驟完成該橋跨內沿橫向設置的其他工字型梁體單元的裝配施工；

之后分別綁扎相鄰工字型梁體單元頂板、底板之間的橫向連接筋1.1、2.1，并澆筑形成預制混凝土頂板縱向濕接縫7和預制混凝土底板縱向濕接縫8（如圖6所示）；在預制混凝土底板縱向濕接縫8達到一定強度后，對位于預制混凝土底板二次預應力孔道2.4內的張拉鋼束進行張拉，用于抵抗二期荷載產生的彎矩；

由于拼裝上述工字型梁體單元時，在豎直方向不需要較強的剛度支撐，因此移動支撐裝置6可采用安裝有支撐架的平板車。

第四步，進行組合梁縱向拼接裝配：

將移動支撐裝置依次轉移至其他橋跨位置，重復第三步作業，完成縱向每一橋跨梁體的施工；

綁扎相鄰橋跨頂板、底板之間的縱向連接筋1.2、2.2，并澆筑形成橫向濕接縫或橫梁9（如圖7所示）；在橫向濕接縫或橫梁9達到一定強度時，按照先邊梁后中梁的順序，采用對稱張拉原則對位于相鄰預制混凝土頂板墩頂負彎矩預應力孔道1.3內的張拉鋼束進行張拉，用于抵抗相鄰跨徑箱梁的墩頂負彎矩，形成多跨連續梁體系；

第五步，完成附屬設施的架設，結束施工。

為了減少現場澆筑濕接縫的工作量，提高施工效率，組成工字型梁體單元的單個預制混凝土頂板1、預制混凝土底板2和波形鋼腹板3的長度分別為5-30米。

以下是對本發明波形鋼腹板組合工字梁進行豎向拼接，并于適當時機施加二次預應力這種施工方法的可行性、合理性所做出的具體原理性說明：

首先分析預制混凝土底板在兩種狀態下的受力。

1.第1狀態：

如圖8所示的預制混凝土底板，其內設置的張拉預應力鋼束所施加的預應力為N，則預制混凝土底板上的截面上應力為：

2.第2狀態：

當上述預制混凝土底板組合成為工字形波形鋼腹板組合梁時，其工字形斷面結構如圖9所示。

在底板施加預應力N，對組合截面中性軸的彎矩為：

由上下截面的面積矩相等可得：

組合梁全截面的面積為：

整個截面的慣性矩為：

波形鋼腹板組合梁由于腹板的不抵抗軸力，在抗彎承載力計算時可不考慮腹板的作用，相當于無腹板截面，因此設定：

則：

頂板的應力：

令高厚比

則頂板的應力：

底板的應力：

對于一般的組合梁斷面有，可得

以30m跨徑的波形鋼腹板組合梁為例。若，此時帶入式（9）和（10）得：

當橋梁的跨徑進一步增大時，和進一步增大，式（10）滿足

由此可見，第1狀態和第2狀態下，預制混凝土底板的應力近似相等。也就是說，先期在預制底板階段施加的預應力，在疊合成波形鋼腹板組合梁后仍基本保持不變。因此稱波形鋼腹板組合梁采取豎向分層拼裝前后受力可基本保持不變的這種力學特征為疊合受力不變性。這種特性為波形鋼腹板組合梁的豎向分層拼接提供了基礎。

在上述分析的基礎上，再來討論普通鋼-混組合工字梁和波形鋼腹板組合工字梁的豎向拆分與拼裝過程中應力的變化。其中，將預應力作為唯一考慮的外力：

1. 豎向拆分過程：

圖10為普通鋼-混組合工字梁進行豎向拆分的示意圖。

圖11為波形鋼腹板組合工字梁進行豎向拆分的示意圖。

2. 豎向拼接+二張拉過程：

圖12為普通鋼-混組合工字梁進行豎向拆分及二次張拉時的示意圖。

圖13為波形鋼腹板組合工字梁進行豎向拆分及二次張拉時的示意圖。

對比上述圖例可以看出，對于波形鋼腹板組合工字梁來說，在底板施加預應力就好像是一個獨立的過程；但是普通鋼-混組合的情況是完全不同的。 因此，施工中可在預制混凝土底板時施加全部或部分預應力，然后將預制混凝土底板、波形鋼腹板和預制混凝土頂板豎向分層拼裝，這樣能大大減少現場的鋼束張拉工作量，提高工廠預制化程度。