浅析桥梁工程中预弯组合梁施工技术

浅析桥梁工程中预弯组合梁施工技术
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摘 　要:预弯组合梁可以有效地降低桥梁的总造价,避开了钢梁造价高昂、维护繁琐、复杂的缺点,在近年来在桥梁建设得到广泛应用，本文主要分析了桥梁工程中预弯组合梁施工技术，仅供参考。
关键词：桥梁工程，预弯组合梁，施工技术
某高速公路菱形立交桥的主跨上采用了 40 m的大跨度预弯组合梁每桥单跨双幅，每幅11 片 ,共计66 片。预弯组合梁简称预弯梁是一种采用高强度钢梁、在钢梁下翼缘处于受拉状态时包裹高标号混凝土以储备预应力的新型预应力混凝土结构。本工程中的预弯梁（ 如图 1） 高 1.35 m;下翼缘包裹的混凝土标号为 C60 ,厚 20 cm;腹板包裹的混凝土标号为C40 ,厚20 cm;上翼缘与桥面铺装一起施工 ,把同幅预弯梁连为一体。混凝土通过焊接在钢梁上、下面板的 T形剪力钉与钢梁共同工作;采用的工字钢梁材质为 Q345c ,长 38. 76 m,腹板高 1. 11 m,厚仅 2cm,上、下面板从端至中依次由1.8 cm、2.8 cm和4.5 cm的钢板焊接而成。架设吊装重量只有50 t。

1预弯组合梁工作原理
预弯组合梁的基本原理是将屈服强度较高的高强钢材制作成呈抛物线形上拱的工字形预弯钢梁 , 在钢梁两端和距梁端1/4～1/3 跨度位置分级加载 作用两对大小相等、方向相反的集中荷载（ 如图 2 ）给钢梁施加大小能包住梁各截面上的设计最大弯矩值的正弯矩 ,施压时钢梁一般呈下凹状态。在保持钢梁下面板受拉的状态下将下面板用高强度混凝土包裹 ,待混凝土的弹性模量和强度都达到设计强度的95 %以上时 ,再分级卸载通过钢梁的回弹使下翼缘混凝土产生较大正向弯曲的预应力与其压应力相互平衡 ,使整个梁变成了劲性钢混梁 ,卸载后梁恢复部分拱度呈微凸形;然后浇筑腹板及上翼缘混凝土从而形成预弯组合梁。
 

预弯梁在荷载的作用下 ,下翼缘混凝土受拉直到预压应力完全被抵消时它才开裂。在使用荷载作用下由于混凝土的积极受力大大提高了截面承载力从而显著地节约了钢材。在目前的预弯梁施工方法中常用的有单片梁施压法和双片梁对压法。单片施压法施工场地大需要进行地基加固处理并作锚桩基础加载设备简单前期投资大不需要将梁翻转加工工艺相对简单但一次只能制作一片梁施工速度慢;双片施压法施工场地小不需作锚桩基础 ,对场地没有特殊要求加载设备简单。需要将上片梁翻转前期投资小加工工艺相对复杂一次能同时制作两片梁施工速度快。为节省投资 ,提高生产效率在本工程中我们采用了双片梁对压技术 ,实际的施工步骤如表1 所述。

2 　预弯组合梁施工难点
2.1 　钢梁加工
本工程钢梁加工由江南造船厂承担,钢梁的设计标准相当高 ,拱度公差 - 3～10 mm,角变形不大于5 mm,旁弯允许值仅 2 mm。钢结构板连接焊接以及腹板与顶板、底板的角焊缝皆为 I级焊缝 ,加劲板与顶板、腹板的角焊缝为 II 级双面贴角焊缝 ,除外观需要符合规范要求外 ,还进行 100 %超声波探伤和50 %的射线探伤。
为确保拱度达到设计标准 ,通常采取卧装工艺。顶板、底板、腹板都在胎架上进行拼装 ,放样下料时要采取反变形措施采用自动切割的方法及其它措施防止构件变形 ,考虑一定的施工工艺尺寸余量 ,并及时清除切割件的熔渣和飞溅物。焊接前要用激光修正对核直线。总装时 ,先要标出顶、底板沿梁轴线方向的中心线 ,再左右放出1/2 腹板厚度 ,作为与腹板的焊接线;吊放时对准拱曲度 ,用同质小铁板与胎架焊住并在腹板上用激光再次校核直线 ,打硬印记。顶、底板采取措施与腹板拱曲度压紧定位焊死。采用工程夹具在板与面板之间设置刚性支撑保持顶、底板与腹板的垂直度防止角变形。作为预弯梁的半成品钢梁的侧向抗弯刚度较小在焊接过程中 ,要特别注意使梁的腹板保持在同一平面上不能成蛇行。剪力钉焊接时采用分散跳跃式施焊工序 ,避免热量集中而引起旁弯变形并预留出预弯组。合梁施工时的加力平台位置大面积的火工矫正后最好进行磁粉探伤。整个加工过程要强调焊接前装配检验 ,焊接坡口的打磨定位焊预热焊接预热等工作。
2.2 　钢梁加压
钢梁加压的关键是加压设备的合理设计 ,主要是要保证不错位加载 ,使得荷载中心线与腹板中心线保持在同一平面内;另外要防止钢梁的侧向变形保证腹板不发生局部屈曲 ,通常采用的措施是加设横向支撑装置但在施工过程中横向支撑装置容易引起相当大的竖向摩擦力 ,所以应在横向支撑上安置高强度的滚轴以利于钢梁在竖向的自由移动。如果钢梁挠度与设计值不符则应以挠度作为控制指标适当调整预弯力的大小 ,使钢梁的挠度满足设计要求。双片梁对压时因为重力的因素上、下片梁施加的力是不一样的 ,可以在下片梁底设置限位块以抵消其压力的差值。钢梁加压是具有相当危险性的工序其 P 值一般都在 1 000 kN 左右 ,一旦发生千斤顶偏位或者支架强度不够等情况后果将不堪设想。所以 ,在加压设备设计时 ,要考虑预防措施提高安全系数 ,对操作人员要进行经常的安全意识教育 ,使其严格按操作规程作业。
2. 3 　下翼缘混凝土(C60) 的浇筑
在运营使用阶段,由于此部分混凝土将受预应力作用,直接参加受力所以其浇筑质量直接关系到整个预弯梁的质量。本工程中预弯梁下翼缘厚20cm ,除去中间钢板厚4. 5 cm上下混凝土厚度实际只有6～7 cm ,其间还有纵横交错的构造钢筋所以在如此小的空间中浇筑水灰比低而坍落度小的高标号混凝土具有相当的难度。经过反复试验最后采用了附着式振捣和插入式振捣相结合的差位浇筑法,先从梁的一侧开始混凝土在双重振捣作用下会慢慢从另一侧溢出来,然后开始浇筑另一侧混凝土两侧始终保持2～4 m 的差距,一方面能赶出板底的空气,另一方面避免了浆石离析现象的发生。浇筑完毕后要注意对混凝土的养护由于水泥用量相对较高,保护层厚度较小,养护不当会使混凝土表面产生干缩裂纹。当混凝土强度和弹性模量值都达到设计值的95 %以上时,方可卸载卸载时要注意逐级降低P 值。
腹板的混凝土主要作用是增强梁的侧向稳定性和保护钢梁不受侵蚀,其标号通常为C40 ,在施工腹板混凝土时,考虑到预应力损失,一般采用简支作业(如表1 所示) ,不在中间设置其它支点。
2. 4 　半成品梁的翻转
在加力支架上方的梁是倒放的,在施工腹板混凝土前需要将它翻转过来。翻转的关键是使梁的轴向重心与两端的翻转圆盘的圆心重合,以避免在翻转过程中梁在重力矩作用下的失控可以通过数学方法求得梁的重心位置与距梁端0. 13L 断面的重心重合。为了保证梁两端翻转的同步,以防将梁扭坏,在圆盘侧面每隔2 cm 划出标志线和读数以便进行同步控制。翻转支架的底座在设计时要考虑由于梁在翻转时由于重力引起的轴向伸缩而产生的水平力。翻转动力可以采用圆盘外挂钢丝绳配合手动葫芦进行人工牵引。
3 　预弯组合梁的优点
预弯组合梁的最大优势在于跨高比大。普通预弯梁的跨高比一般在28～35 之间。其值主要受活载大小影响,活载比例小时,其跨高比能达到45 以上。跨高比大不仅能大幅度地降低结构高度,大大缩短了桥梁的总长度而且特别是在城市桥梁建设中,一方面避免了普通梁型过多过密的桥墩设置影响城市美观,另一方面还能减少大量管线拆迁等的投资。
由于预弯梁利用钢梁变形能的转换,改变了材料的性能使原来不能承受拉力的混凝土变成具有抗拉性能的混凝土提高了结构承载力和抗裂性能。又由于有受压混凝土的包裹,增强了钢梁防腐能力从而大大提高了结构的耐久性和使用寿命。
构件安全性能好是预弯组合梁的另一优点。目前在预弯钢梁施工中, 普遍对各种焊缝进行了100 %的超声波探伤,50 %以上的拍片探伤,并且每根都经过加载预压回弹的施工过程,施工期间精确的监控测量相当于对每片钢梁再进行一次质量鉴定,所以比一般的预应力构件更具有安全保证。在施工中预弯组合梁桥具有施工投入小工艺相对简单、速度快、吊装轻等优点。在本工程的预弯梁施工中采用了双片梁对压技术充分利用加力体系中的内力不必像单片梁施压需要沉桩锚固作为平衡力基础基础投资少并且其加工设备还能很方便的拆卸及多次利用。由于预弯梁截面是分阶段逐步形成的,当一期混凝土完成后即可半成品架设,此时构件起吊重量小而且重心很低,架设十分方便。
4 　大跨度预弯组合梁应用前景
虽然预弯组合梁单跨造价较高,其经济性在目前的桥梁建设中尚未被大多数人所接受但是如果我们从整桥造价考虑会发现在大跨度桥梁建设特别是城市多层立交工程建设中,预弯组合梁的经济优势是十分明显的。
(1) 由于预弯组合梁的跨高比大,有效缩短了桥梁的总长度,可以显著地降低整桥的造价。假设桥梁坡度为2 % ,若主跨采用40 m 的T 梁,梁高为2. 5 m ,若采用40 m 的预弯组合梁,梁高为1. 35 m ,则在主跨净高相同的条件下可以减少桥长ΔL = 115m ,即可以直接减少约115 m 的桥梁投资,包括基础、下部结构、上部结构以及拆迁等的费用。若将预弯组合梁应用在多层立交桥桥上,梁高减少量的叠加量对桥长的影响将更加突出,它的经济效益和社会效益则更加明显。
(2) 虽然预弯组合梁的含钢量很高,单片40 m梁的造价约达22 万元,相比同跨度的T 梁或箱梁高出许多,但与钢梁相比,预弯组合梁的造价更低,而且钢梁的后期维护费用很高,需要进行除锈防腐等工作。
(3) 从力学性能方面相比预弯组合梁的结构刚度比T 梁、箱梁大极限承载力高,有良好的安全储备动力性能也很好车辆在荷载作用下振动较小。
(4) 从美学上考虑,预弯组合梁的线形平缓、轻巧、时代感强,给人带来一种美感,一种创新意识的享受。