12-任明飞-波形钢腹板PC组合梁顶推设计技术暨国内第一座波形钢腹板顶推箱梁--郑州常庄水库桥设计

波形钢腹板PC组合梁顶推设计技术暨国内第一座波形钢腹板顶推箱梁--郑州常庄水库桥设计介绍任明飞二〇一四年九月郑州波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景郑州常庄水库干渠桥设计波形钢腹板组合箱梁顶推设计的几个关键问题结语致谢目录一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景在遇到高墩、深谷、不可中断的桥下交通线、桥下难于拆迁的建筑物等复杂地形条件限制时，使用顶推法从空中完成跨越作业，无疑是一种理想的方法。它可以在桥头固定场所设置预制台座逐段预制，然后使用千斤顶纵向顶推，使梁体通过各墩顶的临时滑动支座面最终就位，由于作业场所限定在一定范围内，减少了材料的运输和劳动强度，施工设备也相对简单，具有其他施工方法无可比拟的优点。长期以来，预应力混凝土箱梁是顶推梁上部结构的主流结构形式。但由于混凝土梁存在自重大、抗剪和抗拉应力低、需要为施工专门配置临时预应力钢束等固有缺陷，预应力混凝土顶推梁的发展一直受到局限，如其跨径局限在40~60m之间，同时顶推梁的用料指标较支架现浇、移动模架高。波形钢腹板组合结构应用于顶推梁上部结构将弥补预应力混凝土结构的上述缺陷，主要表现在以下几个方面：波形钢腹板组合箱梁以高强度波形钢腹板代替混凝土箱梁中最薄弱的部位----混凝土腹板，波折钢腹板将解决了混凝土腹板抗剪、抗主拉性能低的缺点，混凝土的使用量可以减低约15%~25%，箱梁自重得到减轻，降低了顶推施工的难度，减少下部结构的造价；波形钢腹板其固有的“手风琴效应”,降低了箱梁的轴向刚度，顶底板的预应力效率得到有效发挥，预应力钢束指标将会降低。该结构可以使用体内和体外预应力的混合配束方式，设计时可以根据结构构造和受力特点灵活调整两者的预应力钢束配置比例。由于顶推梁施工阶段的弯矩包络与成桥状态有较大的差异，因此需要配置临时的施工预应力钢束以保证梁体在正负弯矩交替作用下的安全性，该结构可以使用拆换方便的永久体外预应力钢束当做临时体外预应力钢束，施工时不再需要针对施工阶段额外增加临时钢束用量，避免了预应力混凝土结构中临时预应力钢束的浪费。腹板重量的减轻使上部结构轻型化，不仅免除了腹板钢筋的绑扎、模板、腹板束等工序，还降低了顶推施工的难度，减少了下构和基础的造价。一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景目前在法国、日本、韩国均有使用波折钢腹板PC组合箱配合顶推法施工的成功先例，尤其在日本，先后使用该技术修建了银山御兴桥、岛崎川桥、桂岛高架桥等多座桥梁。“他山之石，可以攻玉”，首先先简要介绍一下国外的工程案例及技术概况：1、法国Mau‘pre高架桥该桥于1987年建成，采用波形钢腹板7跨连续梁桥，总长325m，最大跨度53.55m，桥面宽度10.75m，梁高3.0m，桥面板厚20cm，波形钢腹板上缘设288×10mm的连续钢板，使用角钢连接件于桥面板结合。该桥于其他的波形钢腹板箱梁桥最大的不同是使用钢管混凝土杆件来代替混凝土底板，与倾斜45度的两块波形钢腹板及其混凝土顶板形成三角形断面，从而上部结构重量得到大幅度降低。一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景1、法国Mau‘pre高架桥该桥使用顶推法施工，是世界上波形钢腹板顶推梁的开山之作。不仅技术含量很高（采用波形钢腹板及其将钢管混凝土作为梁杆件使用，既能受压又能受拉，正负弯矩均能适应），而且包括桥墩在内的整体造型美观，设计新颖。如图所示，本桥三角断面的顶推施工设计构思巧妙，其在墩顶设置了钢构架，滑道设置于图示支撑处。对施工设计的水平及施工质量的要求也很高。一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景2、北海道岛崎川桥该桥是北海道纵向线函馆名寄线段跨二级河道岛崎川桥的一座桥梁，全长554m；采用11孔波形钢腹板PC组合箱梁，最大跨度56m，桥梁全宽11.3m，箱梁高度3.199~4.087m，根据河道及道路的交叉条件，桥墩高度又多在30m以上，最终采用顶推法施工。一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景2、北海道岛崎川桥本桥具有三个技术特点：1、采用波形钢腹板及超高强度纤维加强混凝土组合结构作为顶推导梁（导梁内置）。2、采用永久体外预应力作为临时预应力使用。临时体外预应力的配置方式是直线配置，分别锚固于顶板顶缘和底板顶缘。优点是便于安拆，缺点是需要预埋临时锚固件，浪费钢材。3、导梁下缘底板蹄角材料使用UFC矩形构件，施工完成作为底板的一部分；该材料是在高强混凝土中掺入2%的加强用钢纤维，进行蒸汽养护，材料的抗压强度可达180Mpa，抗拉强度可达8Mpa。一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景2、北海道岛崎川桥一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景3、桂岛高架桥该桥是日本第二东名高速公路上的一座桥梁，是世界上第一座混凝土肋梁搭配悬臂板斜撑断面的波形钢腹板预应力PC组合箱梁，跨径布置为4@54m，桥长216m，桥宽17.0m，梁高3.9m。一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景3、桂岛高架桥该桥是日本第二东名高速公路上的一座桥梁，是世界上第一座混凝土肋梁搭配悬臂板斜撑断面的波形钢腹板预应力PC组合箱梁，跨径布置为4@54m，桥长216m，桥宽17.m，梁高3.9m。一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景3、桂岛高架桥其主要技术特点如下：1）、采用混凝土肋梁搭配悬臂斜撑形成断面；因桥宽达17.8m，设计单箱单室横向设计很困难，单箱双室又嫌浪费，故在桥面板内配置了横向肋梁和斜撑，缩小箱室的横向宽度及桥墩断面面积。一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景3、桂岛高架桥2）、中央箱室及斜撑、桥面板横肋先行顶推到位，悬臂桥面板后浇工艺；为减轻顶推施工中上部结构的自重，采用了中央箱室及斜撑、桥面板横肋先行顶推到位，悬臂桥面板后浇工艺，如此设计较常规设计减轻了50%的重量，大大降低了施工难度。一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景3、桂岛高架桥3）、预制RC板及现浇混凝土桥面板工艺；将预制的RC板架设于肋梁间，当做后浇桥面板的底模，然后在上面浇筑混凝土桥面板。此种施工方法可以缩短工期并且节省施工人力。一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景3、桂岛高架桥4）、顶推施工所使用的临时预应力体外束顶推到位后转换为永久体外预应力使用。箱梁在顶推施工阶段和成桥阶段的断面内力及方向有相当大的差别，一般传统做法是在施工阶段配置施工临时钢束，顶推到位后再予以拆除，此法将浪费一定的钢束用量。本桥在施工阶段将体外束以直线形式分别配置与箱梁顶底侧，完工后转化为类似腹板束的弯起形状，当做永久体外束使用。顶推阶段体外束线型临时顶板体外束成桥阶段体外束线型到位拆除的临时底板体外束临时顶板体外束转化为永久体外束不足后补永的久体外束一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景3、桂岛高架桥其主要技术特点如下：5）、主动反力控制系统传统的顶推施工过程中，箱梁直接支撑于滑道上，施工时无法控制箱梁各临时支点的反力和箱梁应力，本桥为解决这一弊端，则采用了主动控制系统，在滑道下设置了垂直千斤顶，并配合自动控制液压泵站，随时可以得到各支点的反力，并可根据梁体应力情况随时调整反力的大小。桂岛高架桥全长只有216m，但却采用了多项新技术，其在设计和施工技术上堪称日本桥梁精细化设计、精细化施工的典范。一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景4、其他案例其他案例还有几座，比如韩国的Ilsun桥全长801m，跨径组合是50m+10×60m+50m+2@50.5m；日本的银山御兴桥全长210m：跨径组合是27.4m+3×45.5m+44.9m等桥梁（冬季施工吊索塔架辅助顶推）；Ilsun桥银山御兴桥桥式图银山御兴桥照片一、波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景波形钢腹板组合箱梁顶推技术背景郑州常庄水库干渠桥设计波形钢腹板组合箱梁顶推设计的几个关键问题结语致谢目录二、常庄水库桥设计---工程概况郑州市陇海路快速路通道工程位于郑州市中部，由东向西全线高架贯通，为郑州中心城区快速路系统总体规划“两横”中的一条；该工程东起京港澳高速东，西至西四环西，全长约29km。本期工程范围本快速通道西段工程在XK4+327～XK5+267范围内穿越常庄水库泄洪干渠，该干渠位于淮河流域沙颍河水系贾鲁河支流贾峪河下游，属于浅山区向平原区过渡地带。跨常庄水库段常庄水库二、常庄水库桥设计---工程概况桥址区地表呈黄河冲积阶地下切和堆积而形成的河谷深沟地貌，地形破碎，沟深坡陡，两岸峭壁高达15~20m，多为不稳定的土质斜坡。土质疏松且成湿陷性，因此采用高架桥常规的现浇支架施工工艺在经济性、技术可行性已不占优势，经过方案比选，使用顶推法设计本段桥梁是比较合适的选择。二、常庄水库桥设计---工程概况桥式布置经分析比较，桥梁单孔标准跨径采用50m是较经济合理的方案。该桥梁段线路总长将近950m，分联设计是总体设计时需要重点考虑的问题；考虑因素包括施工工艺、进度和临时设施的投入，以及抗震设计的难度等等。本桥采用两联布置是最佳的方案；因为每联桥长控制在450m左右，是顶推梁联长设计的常规长度，另外国内已经拥有多座类似联长的顶推梁施工成功经验，顶推施工难度整体可控；两联梁体预制作业点可分别布置在线路两端，作业点分散，具有施工时彼此独立，相互不会干扰的优点；顶推施工时两联分别相向顶推，顶推最后在中间交界墩会合。该段桥梁中间的平面线型为缓和曲线+直线线+缓和曲线；其中东侧道路曲线半径为1500m，缓和曲线长度为西侧道路曲线半径为1000m；中间直线段长度为674m。二、郑州常庄水库干渠桥设计---桥式布置桥式布置考虑到顶推梁施工的特点，道路立面纵坡线型设计为0.5%和-1.4%组合凸曲线；曲线导线点设在中间交界墩处，单侧曲线长度控制在单孔跨径内。东侧联由9孔50m标准跨和1孔40m组成10孔一联，联长490m，西侧联跨度布置为9孔50m标准跨组成9孔一联，联长450m。二、郑州常庄水库干渠桥设计---桥式布置施工节段划分箱梁分段设计需要考虑到临时设施的费用、工期和预应力配束等因素。从受力上考虑，节段分界线需错开最不利断面，一般等跨连续梁1/4跨径处为恒载的反弯点，该位置作为节段线较合理。受本桥工期限制，若采用常规1/2跨径顶推节段长度设计，分段数量达到12个，无法满足工期的要求。对此设计经过详细的计算分析，决定突破常规设计，采用长节段顶推的设计方案，即将标准跨径50m作为顶推节段长度，顶推数量较常规减少了一半，为在计划工期内完成梁体施工提供了可能。本桥两联桥梁的尾部位于缓和曲线上，设计时考虑将预制台座设在缓和曲线的前端、直线段的尾部，曲线段箱梁可以在顶推完成后，利用预制台座作为其现浇施工的支架，该设计方案既消除了曲线段顶推施工的难度，又降低了工程临时设施的费用。二、郑州常庄水库干渠桥设计---桥式布置桥面布置主线高架道路断面总宽25.5m，桥面布置为（0.5m防撞墙+12.0m机动车道+0.5m中央分隔带+12.0m机动车道+0.5m防撞墙）；桥梁结构分成两幅布置，两幅之间设20mm断缝；每幅箱梁采用单箱单室结构，箱梁顶板宽12.75m，底板宽6.0m。二、郑州常庄水库干渠桥设计---桥面布置技术标准（1）道路等级：城市快速路（2）计算行车速度：80km/h（3）桥梁设计基准期：100年。（4）桥梁设计荷载：城-A级。（5）桥梁结构设计安全等级：一级。（6）环境类别：Ⅰ类。（7）地震烈度：抗震基本烈度7度，设计基本地震加速度为0.15g。地震分组为第1组。二、郑州常庄水库干渠桥设计---技术标准截面形式本桥采用单幅单室等截面箱梁，截面形式如图所示。组合箱梁截面主要由混凝土顶底板、波形钢腹板、钢上下翼缘及连接件组成。单幅断面采用单箱单室斜腹板截面，顶板宽度为12.75m，底板宽度为6.0m，腹板倾斜角度为75度。截面顶缘采用双向2.0%横坡，梁底水平布置，箱室中心线处梁高3.5m，箱梁顶板悬臂长度3.2m，内室宽度4.35m，顶板悬臂端部厚0.2m，根部厚0.55m；顶板一般厚度均为0.3m，底板一般厚度为0.25m，支点横梁处加厚至0.55m。箱梁混凝土等级为C60;二、郑州常庄水库干渠桥设计---截面形式箱梁横梁及横隔板布置箱梁端横梁宽1.8m，中横梁宽2.2m，横梁上设0.75