带防撞墙的预制小箱梁抗倾覆装置的发明和应用

顾国平

上海市政建设有限公司 上海 200126

近些年来，为推进预制拼装桥梁的建设，出现了一些新型的预制构件，如防撞墙与小箱梁一体预制构件[1]。该类构件将现场高空浇筑的防撞墙转化为工厂标准化预制，由专用运输设备运至现场后，使用大型吊装设备一体安装，既能降低现场安全管控难度、缩短施工工期，又能提高防撞墙施工质量，已大量应用在上海市高架桥梁建设中[2]。该类构件在装配式小箱梁结构中，通常优先安装，直接支撑在桥墩支座（永久支座或临时支座）上，通常安装就位状态下为简支结构，由于构件质心明显偏离结构支撑轴线，构件在自重作用下会产生横向失稳倾覆。该类型构件已有成熟的预制生产工艺，目前尚缺成熟统一的安装工艺和标准。本文介绍一种抗倾覆装置及其使用方法，可有效解决带有预制防撞墙的预制小箱梁一体安装时的结构失稳倾覆问题[3]。本抗倾覆装置安全可靠，操作方法简单、高效，能重复使用，已成功应用于上海S3公路施工1标段中。

上海S3公路施工1标段路线全长5.15 km，主体为新建一座全预制拼装高架桥梁及相应的配套设施，桥梁标准宽25.5 m和32 m，布置双向6车道。本标段结构预制装配率90%以上。桥梁桩基础部分为钢管桩，桥墩立柱、盖梁和上部主体结构均为预制结构，桥梁上部结构形式大多数为预应力混凝土预制小箱梁拼装结构，先简支后连续，一般2～4跨为一联。预制小箱梁结构处主线桥梁标准横断面由2榀边箱梁＋4榀或6榀中箱梁及若干道湿接缝组成，匝道桥横断面一般由2榀边箱梁＋1道现浇湿接缝或2榀边箱梁＋1榀中箱梁＋2道现浇湿接缝组成。预制边箱梁带有预制防撞墙，防撞墙与边箱梁在预制厂生产成为一体构件（图1）。

图1 构件标准横断面示意

防撞墙与小箱梁一体预制构件大量运用在S3公路各标段工程中。为解决本标段带有防撞墙的预制边箱梁一体安装时边箱梁失稳倾覆的问题，事先设计了一种边箱梁抗倾覆装置。由于匝道桥的个别预制盖梁在生产时，遗漏抗倾覆装置所需的关键预埋件，致原设计的抗倾覆方法无法实现，且由于预制盖梁长度小，若采取在小箱梁翼缘板和盖梁顶之间设置外支撑支柱的方式解决抗倾覆问题，则风险高、可靠性差，加之周边场地环境差，不适合设置落地支架。为此发明一种新的抗倾覆装置，取得了较好的效果。

新发明的抗倾覆装置，结合现场情况，部分沿用原抗倾覆设计思路仍采取内侧反拉思路，新设计一个型钢组合支架＋原有的拉杆系统，组成新的抗倾覆装置（图2）。

图2 抗倾覆装置横断面示意

3.1 抗倾覆装置设计思路

根据桥墩的设计构造特点设计型钢组合支架的构造形式，根据抗倾覆装置使用阶段承受的荷载情况和使用期间的最不利工况，合理选用型钢组合支架各主要构件的材料强度等级和截面尺寸等，最后使用结构分析软件SAP2000对抗倾覆装置，验算使用期间的最不利工况，计算得到：型钢组合支架各组成构件最大变形3.6 mm，各组成钢构件最大应力比为0.55，均满足GB 50017—2017《钢结构设计规范》的有关规定。理论计算表明：型钢组合支架和拉杆系统在使用过程中的强度和刚度均满足要求，设计的抗倾覆装置满足使用需求。

本抗倾覆装置，在每个桥墩盖梁上安装一个型钢组合支架，在每榀边箱梁两端内侧顶板上各预留一个贯通孔，供拉杆系统穿入，拉杆上端采用双螺母和钢垫板与边箱梁顶板固定，拉杆下端使用2个卸扣与型钢组合支架连接，拧紧拉杆上端双螺母，可使拉杆系统反向拉住边箱梁，从而消除预制小箱梁一体安装时因偏心产生的失稳倾覆问题。

3.2 抗倾覆装置原理

本抗倾覆装置采取内侧反拉思路，在边箱梁远离防撞墙一侧的顶板设置一套拉杆系统，拉杆上端通过预留洞与边箱梁顶板使用双螺母固定，在盖梁上安装一套型钢组合支架以提供拉杆下端的锚固点，型钢组合支架直接对称悬挂固定在盖梁外表面，型钢组合支架通过桥墩挡块限位和与桥墩侧面的摩擦，保持使用期间的稳定；
在型钢组合支架上对应拉杆预留洞的位置焊接带有预留孔的竖向钢板，通过2个卸扣（卸扣横销插入钢板的预留孔，两卸扣相互连接），建立起反拉系统，以平衡安装阶段预制防撞墙自重产生的倾覆力矩。通过上述一系列的相互连接固定，将预制防撞墙自重产生的倾覆力矩，通过拉杆系统依次传递给型钢组合支架、桥墩盖梁和立柱，最终传递至桥墩基础，从而克服一体构件安装时的失稳倾覆风险。

3.3 抗倾覆装置组成

本抗倾覆装置由型钢组合支架和拉杆系统两部分组成。一个型钢组合支架包括H型钢构件、横向方形钢管和竖向方形钢管各4个。H型钢均在两端部腹板区域设置竖向加劲板，顶底板在螺栓连接部位处开孔，且均在两端部区域的顶板侧面上各焊接1块钢板，焊接钢板预留4个螺栓孔，用于与横向方形钢管螺栓连接，上部的H型钢在顶板对应拉杆竖向投影处焊接1块竖向钢板，焊接钢板预留1个卸扣横销插入孔，用于卸扣将型钢组合支架与拉杆连接；
各横向及竖向方形钢管在两端面各焊接1块钢板并设置竖向加劲板，钢板预留4个螺栓孔，用于与H型钢螺栓固定。

拉杆系统主要由钢拉杆、卸扣、钢垫板和双螺母组成。预制边箱梁生产时在内侧顶板埋设PVC管形成预留孔，用于穿入钢拉杆。钢拉杆主体为大直径光圆钢筋，其下端焊接1块预留1个卸扣横销孔的钢板，通过2个卸扣将拉杆与下部的型钢组合支架连接，钢拉杆上端高出箱梁顶面50 cm及以上，拉杆顶部设置螺纹，通过拧紧双螺母将拉杆上端固定在箱梁顶板上。安装完成后的抗倾覆装置见图3，本例中一个型钢组合支架可以与4个拉杆系统（中墩处）相连（图4），一套装置可以固定4片边箱梁。

图3 安装完成后的抗倾覆装置

图4 中墩盖梁抗倾覆装置平面示意

3.4 抗倾覆装置使用方法

以桥梁横断面布置由2榀边箱梁＋1道现浇湿接缝组成为例，介绍抗倾覆装置的使用方法，主要分以下5个步骤。

1）在桥梁下部结构施工期间，同步进行抗倾覆装置各主要构件的生产和小箱梁的预制。与预制场沟通协调，确保边箱梁内侧顶板预留孔正确。试拼装合格后运至现场。

2）桥墩盖梁施工完成后，安装型钢组合支架和支座（图5），型钢组合支架使用1台25 t汽车吊配合人工安装，安装人员通过登高车进入作业区域。安装分5步。第1步：安装盖梁顶部H型钢组合构件；
第2步：安装盖梁顶部横向联系方形钢管；
第3步：安装竖向联系方形钢管；
第4步：安装盖梁下部H型钢组合构件；
第5步：安装盖梁下部横向联系方形钢管，各连接节点均使用普通螺栓固定，至此型钢组合支架安装完成。对安装完成的型钢组合支架进行检查验收，重点检查各连接节点的质量和安装位置，确保型钢组合支架结构稳固，能够顺利与拉杆系统相连。

图5 型钢组合支架安装完成后横断面示意

3）采用大型设备吊装带有防撞墙的边箱梁，将边箱梁吊装于桥墩盖梁上方，事先将拉杆穿入小箱梁的预留孔，挂于小箱梁顶板上，拉杆下端使用2个卸扣与型钢组合支架上部H型钢连接，初步将抗倾覆装置的上下两部分相连，使用手拉葫芦配合吊装设备精确调整好小箱梁位置，拧紧拉杆系统上端顶部的双螺母，使拉杆系统上端有效拉住小箱梁，完成第1榀边箱梁的抗倾覆措施安装，再解除边箱梁吊索具，准备下一榀边箱梁的安装（图6）。

图6 第1榀边箱梁抗倾覆措施设置完成后横断面示意

4）重复上一步操作吊装第2榀边箱梁，精确调整小箱梁位置后，将对应的拉杆系统与型钢组合支架连接固定，形成反力，有效拉住边箱梁，至此完成抗倾覆装置的安装（图7）。检查合格后，解除吊索具。

图7 抗倾覆装置安装完成后横断面示意

5）该跨2榀边箱梁安装完成后，选取边箱梁两端部和跨中3处区域，尽早将现浇湿接缝的横向预埋钢筋相互焊接固定，焊接数量一般不少于9根，进一步提供抗倾覆装置的安全性和稳定性，防止意外发生。尽早完成湿接缝的施工，当湿接缝混凝土的强度达到设计强度80%及以上时，小箱梁结构已形成整体，可自平衡，此时拆除抗倾覆装置，拆除顺序与安装顺序相反。

3.5 抗倾覆装置的实施效果和改进设想

3.5.1 实施效果

本抗倾覆装置安全可靠度高，结构稳定性强，一套装置可同时保证4榀边箱梁施工期间的结构稳定性，结构整体性强。应用本次发明的抗倾覆装置，有效消除了预制防撞墙与预制边箱梁一体安装时结构发生倾覆的问题，顺利完成了本标段匝道桥的预制边箱梁的安装，很好地完成了它的“使命”。本抗倾覆装置安装简单，易操作，每榀带防撞墙的预制边箱梁安装时间不超过2 h；
使用期间抗倾覆装置保持完好，能够重复使用。

3.5.2 改进设想

通过思考，本发明还有改进空间，可将型钢组合支架优化成钢绞线，采用多根钢绞线锚固于盖梁中，其余部分不变。同时可结合盖梁吊装，优化钢绞线锚固设置，将其同时作为预制盖梁吊装用的吊点，一设两用，节约材料。

带有防撞墙的预制小箱梁一体安装所需的抗倾覆装置，设计时应统筹考虑桥墩设计特点、构件生产、现场周边环境和构件吊装方案等，采取外支撑、内反拉、落地支架支撑或者两者相结合的方式等。本次发明的抗倾覆装置，可供其他类似工程借鉴。