橋梁工程中裝配式組合鋼箱梁的應(yīng)用
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為解決前述束縛現(xiàn)代化交通發(fā)展的瓶頸，邢臺(tái)路橋建設(shè)總公司結(jié)合多年的施工經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了一種新型的組合結(jié)構(gòu)橋梁———裝配式波形鋼腹板組合梁橋，并建成了國(guó)內(nèi)乃至世界上第一條工廠內(nèi)自動(dòng)化的組合鋼箱梁生產(chǎn)線，真正意義上實(shí)現(xiàn)了鋼箱梁由鋼板原材到成品鋼箱梁的工廠內(nèi)自動(dòng)化生產(chǎn)，同時(shí)使鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的綜合造價(jià)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本持平，力學(xué)性能得到極大優(yōu)化，鋼材利用得到充分發(fā)揮，混凝土質(zhì)量通病得到有效克服，各道工序?qū)崿F(xiàn)了工廠化生產(chǎn)。
1.1裝配式鋼腹板組合箱梁的基本組成
裝配式鋼腹板組合箱梁由一個(gè)個(gè)鋼箱組合成疊合單元，結(jié)合預(yù)應(yīng)力技術(shù)、水泥混凝土技術(shù)達(dá)到組合受力，組裝成鋼結(jié)構(gòu)橋梁。其頂板、底板采用聚合物纖維水泥混凝土、腹板采用波形鋼板相結(jié)合的組合體系。在底板中設(shè)計(jì)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力，在頂板中設(shè)計(jì)橋面抗剪筋，鋼與混凝土結(jié)合截面采用聚合物界面連接噴涂膠。
1.2新型組合結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新點(diǎn)
1)組合鋼箱梁的鋼腹板采用耐候鋼，解決了普通鋼材的腐蝕問(wèn)題，省去了傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的防腐涂裝，采用裸裝服役極大程度上降低了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的后期維護(hù)費(fèi)用，此外其主要構(gòu)件為鋼結(jié)構(gòu)，回收價(jià)值極高。
2)底板鋼套箱及頂板鋼-混凝土結(jié)合截面采用聚合物界面連接噴涂膠，實(shí)現(xiàn)了鋼與混凝土的高強(qiáng)度連接，根本上解決了鋼-混凝土組合過(guò)渡截面的層間滑移問(wèn)題。底板采用封閉的鋼套箱，澆筑微膨脹混凝土，在外壁閉合鋼板的抱裹約束下工作，同時(shí)施加預(yù)應(yīng)力，使底箱混凝土呈三向受力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)受力的良好傳遞。
3)組合鋼箱梁的腹板部分采用波形鋼板，解決了腹板縱向拉伸延縮以及豎向穩(wěn)定問(wèn)題，使預(yù)應(yīng)力作用效能得到充分發(fā)揮，同時(shí)從根本上解決了混凝土腹板的開裂問(wèn)題，減小了主梁自重。該結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)的混凝土主梁結(jié)構(gòu)自重降低40%以上，樁基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)也可根據(jù)其恒載變化而降低原設(shè)計(jì)荷載要求。
4)組合鋼箱梁的鋼與混凝土協(xié)同變形，其剛度較純鋼結(jié)構(gòu)橋梁的剛度大，且省去了純鋼結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)的橫、縱、豎向加勁肋，簡(jiǎn)化了制作程序。
5)實(shí)現(xiàn)了組合鋼箱梁的工廠自動(dòng)化流水線生產(chǎn)工藝，自動(dòng)開平對(duì)焊，定尺自動(dòng)切割，工件自動(dòng)成型，機(jī)械手自動(dòng)焊接，保證了成型尺寸一致。質(zhì)量穩(wěn)定、精度可靠、效率超前。
6)實(shí)現(xiàn)了龐大構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝采用拼裝技術(shù)，效率較高，極大程度上縮短了施工工期，解決城市道路車輛擁擠問(wèn)題效果明顯。
7)組合鋼箱梁其承載能力超過(guò)公路Ⅰ級(jí)橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)使用安全，且可根據(jù)荷載等級(jí)的提高在不改變自身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入體外預(yù)應(yīng)力，提高其承載能力。
2裝配式波形鋼腹板組合鋼箱梁的主要施工工藝
1)備料及材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能檢驗(yàn)作為特殊用鋼耐候鋼的檢驗(yàn)項(xiàng)目主要包括化學(xué)成分、拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)以及焊絲焊劑等相關(guān)檢驗(yàn)。施焊前應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，確定科學(xué)合理的焊接工藝后方可施焊，施焊采用自動(dòng)焊接技術(shù)。
2)板材整形因耐候鋼進(jìn)場(chǎng)原材為鋼卷板，因此首道工序即通過(guò)板材整形設(shè)備將卷板整形為平板，以便于后續(xù)對(duì)鋼板的加工。
3)拋丸除銹因耐候鋼卷板長(zhǎng)期存放會(huì)在鋼材表面形成致密的氧化膜，該氧化膜雖然阻止了大氣中氧和水向鋼鐵基體滲入，減緩了銹蝕向鋼鐵材料縱深發(fā)展，但對(duì)后期的組焊及鋼-混凝土結(jié)合處施工界面膠的質(zhì)量影響較大，故需事先將板材進(jìn)行預(yù)處理，除銹等級(jí)為Sa2.5，Sa3.0。采用拋丸除銹，也可采用噴砂除銹。
4)號(hào)料號(hào)料為實(shí)現(xiàn)成品箱梁組裝前的關(guān)鍵工序，也是控制組合鋼箱梁合理消耗的重要環(huán)節(jié)。號(hào)料時(shí)應(yīng)充分考慮鋼板的坡口損耗、壓縮變形、焊接變形等眾多因素，并結(jié)合各部分構(gòu)件合理配料，最大程度上降低消耗，充分確保構(gòu)件單元的加工精度。
5)構(gòu)件加工波形鋼腹板采用專用的連續(xù)模壓設(shè)備，經(jīng)整形且號(hào)料準(zhǔn)確的平鋼板經(jīng)過(guò)模壓設(shè)備進(jìn)行波形板連續(xù)模壓，實(shí)現(xiàn)了整梁波形板縱向無(wú)焊接縫，確保了受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定性。底板套箱、波形鋼腹板平行作業(yè)，同步完成后流水作業(yè)轉(zhuǎn)入組拼成型工序。
6)組裝成型底板構(gòu)件、腹板構(gòu)件、頂板構(gòu)件采用全自動(dòng)焊接機(jī)器人操作，實(shí)行三大構(gòu)件、兩大結(jié)合面的全自動(dòng)焊接作業(yè)。對(duì)于頂板與腹板焊接處高難度的仰焊作業(yè)，采用大型翻轉(zhuǎn)機(jī)將箱梁整體進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，將高難度的仰焊變?yōu)榈碗y度的平焊，從而確保焊縫的施工質(zhì)量。要對(duì)焊接成型后的組合鋼箱梁進(jìn)行焊縫的無(wú)損檢測(cè)，常規(guī)檢測(cè)方法為射線探傷、超聲波探傷。
7)預(yù)應(yīng)力施工為增強(qiáng)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力，在底板鋼套箱內(nèi)引入體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束，以實(shí)現(xiàn)底板彎拉構(gòu)件提前預(yù)壓，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉可根據(jù)實(shí)際情況采用先張法或后張法，但從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)看，先張法要優(yōu)于后張法施工。
8)混凝土施工底板箱內(nèi)采用自流平微膨脹水泥混凝土，保證了水泥混凝土對(duì)鋼絞線和連接件的握裹力，確保了受力均勻分布和力的有效傳遞。頂板為鋼混復(fù)合結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)聚合物界面連接噴涂膠和“Ω”形鋼筋連接件與鋼筋焊網(wǎng)焊接，澆筑聚合物纖維混凝土使鋼頂板與鋼筋混凝土網(wǎng)固結(jié)成一體、永不分離，協(xié)同受力。
9)組合鋼箱梁運(yùn)輸運(yùn)輸采用平板運(yùn)輸車，在運(yùn)輸過(guò)程中要重點(diǎn)注意對(duì)組合鋼箱梁的運(yùn)輸安全管理工作，確保其運(yùn)輸過(guò)程中牢固穩(wěn)定，同時(shí)加強(qiáng)主要成品組合鋼箱梁的保護(hù)，在與鋼箱梁固定卡索接觸部位采用柔性材料進(jìn)行保護(hù)。
10)組合鋼箱梁現(xiàn)場(chǎng)安裝組合鋼箱梁的現(xiàn)場(chǎng)安裝工作雷同于常規(guī)的先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，但因其自重較小，可采用較小噸位的自行式吊機(jī)或架橋機(jī)等設(shè)備進(jìn)行吊裝作業(yè)，同時(shí)加強(qiáng)吊裝過(guò)程中的測(cè)量和監(jiān)測(cè)工作，確保就位的精度和安全。
11)組合鋼箱梁的梁長(zhǎng)設(shè)計(jì)及橫向連接裝配式組合箱梁受作業(yè)平臺(tái)、運(yùn)輸安全、吊裝便利等諸多因素影響，目前設(shè)計(jì)梁長(zhǎng)為16～35m，橫向連接在梁端支座處采用鋼-混凝土端橫梁做加強(qiáng)設(shè)計(jì)，梁體部位采用鋼-混凝土橫隔板連接以增強(qiáng)其橫向聯(lián)系，橫隔板設(shè)計(jì)因跨徑不同取3～4m設(shè)置1道。
3結(jié)語(yǔ)
波形鋼腹板組合梁作為鋼混組合結(jié)構(gòu)的典型設(shè)計(jì)，有效解決了傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腹板開裂問(wèn)題，使預(yù)應(yīng)力效能得到最大利用，減小了主梁自重，降低了混凝土用量，節(jié)約了建設(shè)材料。
1)組合鋼箱梁作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，缺乏規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)和評(píng)定。國(guó)內(nèi)尚需加快鋼橋及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系相關(guān)規(guī)范的編制工作。
2)組合鋼箱梁的加工長(zhǎng)度尚受機(jī)床作業(yè)面、運(yùn)輸安全、吊裝便利等諸多因素影響，不能滿足任意尺寸的結(jié)構(gòu)形式需要，應(yīng)進(jìn)一步研究組合鋼箱梁的加速高效、質(zhì)量可靠的縱向接長(zhǎng)技術(shù)。
3)組合鋼箱梁的受力性能尚需進(jìn)一步研究和優(yōu)化。我國(guó)對(duì)鋼橋的研究已趨于成熟，但對(duì)于組合結(jié)構(gòu)，尤其是波形鋼腹板組合結(jié)構(gòu)的受力特性尚不明確，現(xiàn)行設(shè)計(jì)中縱向彎曲受力采用“斷面的平截面假定”，該分析理論有待進(jìn)一步論述和驗(yàn)證。
4)組合鋼箱梁的橫向剛度較混凝土腹板小，應(yīng)加強(qiáng)橫向設(shè)計(jì)，建議采用鋼-混凝土組合橫梁，增強(qiáng)橫向聯(lián)系，其較純鋼結(jié)構(gòu)橫梁效果明顯。
5)組合鋼箱梁宜開發(fā)裝配式單元構(gòu)件，以滿足長(zhǎng)距離運(yùn)輸或戰(zhàn)備交通的需要。
作者：蘇立超 單位：邢臺(tái)路橋建設(shè)總公司