開州湖特大橋索塔節(jié)段鋼筋籠預(yù)制裝配式吊裝技術(shù)*

龍立敦，李少方，王朝國，廖萬輝

(貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550008)

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展，工業(yè)制造中的工廠化、模塊化、預(yù)制裝配式等理念被不斷引入到土木工程行業(yè)，土建施工正逐步向工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化邁進(jìn)。2016年9月，國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，其中明確提出力爭用10年時間使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%[1]。目前，在現(xiàn)澆鋼筋混凝土領(lǐng)域，混凝土生產(chǎn)和模板工程工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化得到較好發(fā)展，但占工程總成本達(dá)30%的鋼筋工程工廠化生產(chǎn)推動仍相對滯后[2]。得益于各類數(shù)控鋼筋成型機(jī)械設(shè)備的廣泛應(yīng)用[3]，鋼筋工程的工廠化預(yù)制與模塊化安裝在房屋建筑、道路橋梁施工中正逐步得到應(yīng)用推廣，成為解決當(dāng)前勞動力成本不斷升高的有效途徑和必然措施[4-5]。

在高速公路及市政道路建設(shè)領(lǐng)域，懸索橋和斜拉橋索塔施工通常作為項(xiàng)目關(guān)鍵工作制約著項(xiàng)目建設(shè)的總工期和影響著施工總成本。在常規(guī)的安裝工藝下，鋼筋工程作業(yè)時間一般占索塔總施工時間的60%左右，且露天高空作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)大，受惡劣天氣影響大，工期不可控[6]。目前國內(nèi)多家橋梁建設(shè)單位探索實(shí)施的索塔鋼筋模塊化施工技術(shù)，如節(jié)段鋼筋籠整體吊裝技術(shù)[7]、“簾”式吊裝[8]、分片吊裝[9-10]與網(wǎng)片吊裝技術(shù)雖在一定程度上提高了工效，但難以實(shí)現(xiàn)工效與成本的均衡、安全與質(zhì)量的兼顧。本文結(jié)合開州湖特大橋4號主塔施工具體實(shí)踐，研究了索塔節(jié)段鋼筋籠預(yù)制裝配式吊裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在不顯著增加成本的前提下快速高質(zhì)安全完成鋼筋安裝。

1 工程概況

1.1 工程簡介

開州湖特大橋是貴州“678”高速公路網(wǎng)第3橫江都高速公路甕安—開陽段控制性工程，位于甕開高速公路K35—K37段，全長1 257m，雙向4車道，設(shè)計(jì)速度80km/h，橋跨布置如圖1所示，為3×30m(現(xiàn)澆箱梁橋)+1 100m(單跨鋼桁梁懸索橋)+2×30m(預(yù)制T梁橋)，結(jié)合兩岸錨位處地形及地質(zhì)條件，甕安岸采用重力錨，開陽岸采用隧道錨。

圖1 開州湖特大橋橋型布置(單位：cm)

1.2 樁基工程概況

4號主塔位于洛旺河開陽岸岸坡上，為由塔冠、下塔柱、上塔柱、下橫梁、上橫梁與牛腿組成的門式框架結(jié)構(gòu)。塔柱總高141m，其中0～31m為變截面段，截面尺寸分別為7.74m×9.24m及6.5m×8m；31～141m為恒截面段，截面尺寸恒定為6.5m×8m(見圖2)。塔柱采用液壓爬模施工，結(jié)合液壓爬模模板高度設(shè)計(jì)，塔柱共劃分為26個節(jié)段(含塔冠)進(jìn)行施工，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段高6m。主塔主筋采用HRB500級鋼筋，直徑為36mm，間距15cm，總量為1 350t，采用直螺紋套筒連接；箍筋采用HRB400級鋼筋，直徑為20mm，間距為10cm/15cm，總量449t，采用單面焊封閉成整體；其他各類水平筋合計(jì)109t。勁性骨架采用∟75×75×7及∟100×100×10，總量約300t，焊接連接。

圖2 開州湖特大橋4號主塔設(shè)計(jì)

2 鋼筋預(yù)制裝配式施工技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

開州湖特大橋索塔鋼筋預(yù)制裝配式施工技術(shù)按“質(zhì)量均衡”原則，以及鋼筋接頭錯開長度要求將完整的待施工塔柱節(jié)段鋼筋籠分解為4個分塊，利用設(shè)置在鋼筋加工廠內(nèi)的預(yù)制臺座對各分塊按“父節(jié)+子節(jié)”、豎向“1+1”的原則進(jìn)行高精度、高質(zhì)量工廠化預(yù)制，后采用塔式起重機(jī)將各鋼筋籠分塊按序吊運(yùn)至塔柱頂進(jìn)行模塊化拼裝，完成豎向主筋的精確對接和鋼筋籠分塊間的快速組拼，形成完整的節(jié)段鋼筋籠。塔柱頂?shù)跹b施工的同時，在鋼筋加工廠內(nèi)，將“子節(jié)”鋼筋籠分塊作為下一節(jié)段鋼筋籠分塊的“父節(jié)”，進(jìn)行下一節(jié)段鋼筋籠分塊預(yù)制，循環(huán)往復(fù)，直至索塔鋼筋籠吊裝施工完成。

2.2 技術(shù)流程

按上述總體原理，開州湖特大橋索塔節(jié)段鋼筋籠預(yù)制裝配式施工技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 總體技術(shù)流程

2.3 主要設(shè)備與材料

索塔鋼筋預(yù)制裝配式施工技術(shù)無需大型塔式起重機(jī)等設(shè)備，成本較常規(guī)無明顯增加。該技術(shù)所需主要設(shè)備為：1座常規(guī)鋼筋加工廠，2臺TC7035型塔式起重機(jī)，1輛10t平板運(yùn)輸車，A/B-300-1直/交流電焊機(jī)，6臺5t電動葫蘆。所需材料如表1所示。

表1 臺座與吊具材料

3 裝配式施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 工廠化預(yù)制

1)鋼筋籠分塊設(shè)計(jì) 按“質(zhì)量均衡”原則，充分考慮勁性骨架設(shè)計(jì)、箍筋接頭錯開距離等參數(shù)，將完整的節(jié)段鋼筋籠整體分解為4個分塊。每個鋼筋籠分塊包含作為承重結(jié)構(gòu)的勁性骨架、主筋、節(jié)段中部3.6m區(qū)段范圍內(nèi)的箍筋、勾筋等水平筋(見圖4)；經(jīng)統(tǒng)計(jì)，質(zhì)量最大分塊含豎向主筋136根，鋼筋籠總重(含勁性骨架)8.83t。

圖4 鋼筋籠分塊設(shè)計(jì)

2)預(yù)制臺座設(shè)計(jì) 按塔柱傾斜斜率、鋼筋間距、直徑等設(shè)計(jì)參數(shù)，以及塔柱節(jié)段劃分、鋼筋籠分塊劃分等施工參數(shù)，采用型鋼進(jìn)行鋼筋籠分塊預(yù)制臺座的設(shè)計(jì)與制作，使臺座坡度、鋼筋定位梳齒板定位槽間距等參數(shù)符合要求，使鋼筋籠加工成型后“天然”符合設(shè)計(jì)與規(guī)范要求；梳齒板定位槽寬度需比鋼筋直徑大6mm，避免起吊時與臺座干擾(見圖5)。

3)鋼筋籠分塊工廠化預(yù)制 將經(jīng)鋼筋數(shù)控加工設(shè)備精確加工的主筋、箍筋等鋼筋半成品及勁性骨架角鋼按自下而上順序在預(yù)制臺座上進(jìn)行組拼，按“父節(jié)+子節(jié)”，即上一節(jié)段鋼筋籠豎筋頂口位置為下一節(jié)段豎筋底口定位基準(zhǔn)的思路，對節(jié)段鋼筋籠的4個分塊分別進(jìn)行預(yù)制，循環(huán)往復(fù)，直至完成(見圖6)。

圖6 鋼筋籠工廠化預(yù)制

3.2 微變形運(yùn)輸與姿態(tài)轉(zhuǎn)換

1)鋼筋籠分塊運(yùn)輸 鋼筋籠分塊預(yù)制完成后，采用汽車式起重機(jī)或門式起重機(jī)水平起吊放置在平板運(yùn)輸車上，運(yùn)送至施工場地或存放場地。因鋼筋籠分塊柔性大，且寬度遠(yuǎn)大于平板運(yùn)輸車，為減少運(yùn)輸過程中變形，需采用型鋼加工支架支墊方可進(jìn)行運(yùn)輸，確保運(yùn)輸過程中受力均衡。

2)鋼筋籠分塊姿態(tài)轉(zhuǎn)換 鋼筋籠分塊吊裝工藝采用水平預(yù)制、豎直吊裝方式施工。因鋼筋籠分塊寬度與高度較大，而厚度較小，導(dǎo)致整體剛度不大。為避免鋼筋籠姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生不利變形，本工藝采用I20a型鋼設(shè)置旋轉(zhuǎn)支架，其一端設(shè)轉(zhuǎn)軸和臨時固定插銷，將鋼筋籠分塊水平放置于其上后，采用精軋螺紋鋼臨時固定牢固，后采用汽車式起重機(jī)輔助將支座及鋼筋籠分塊整體旋轉(zhuǎn)為豎立狀態(tài)并用插銷臨時固定，最后解除與支架臨時連接并采用塔式起重機(jī)調(diào)離至塔柱頂安裝。旋轉(zhuǎn)過程中，因與旋轉(zhuǎn)支架固結(jié)成整體，剛度較大，且鋼筋籠受力均衡，基本上不產(chǎn)生不利變形，保障了鋼筋籠對接施工便捷與質(zhì)量(見圖7)。

圖7 鋼筋籠姿態(tài)轉(zhuǎn)換

3.3 模塊化吊裝

1)吊具設(shè)計(jì) 鋼筋籠分塊采用塔式起重機(jī)吊運(yùn)至塔柱頂作業(yè)面進(jìn)行對接與組拼，為精準(zhǔn)對接，吊裝過程中需對鋼筋籠空中姿態(tài)進(jìn)行精確微調(diào)。為實(shí)現(xiàn)高效吊裝，吊具設(shè)計(jì)時根據(jù)鋼筋籠分塊外形參數(shù)、鋼筋分布，初步計(jì)算鋼筋籠重心，并據(jù)此設(shè)計(jì)吊索長度，使吊索合力中心線盡量通過或接近鋼筋籠重心；此外，吊具與鋼筋籠間通過電動葫蘆進(jìn)行連接，通過“吊繩長度控制+電動葫蘆”實(shí)現(xiàn)在無外部輔助設(shè)備的情況下，快速完成對鋼筋籠分塊空中姿勢的調(diào)整，確保與已施工節(jié)段主筋的高效便捷對接、鋼筋籠分塊間箍筋的準(zhǔn)確連接(見圖8)。

圖8 吊具設(shè)計(jì)

2)吊裝受力計(jì)算 本技術(shù)以勁性骨架作為吊裝過程中的承重構(gòu)件，為使吊裝過程中鋼筋籠受力均衡，減少不利變形產(chǎn)生，鋼筋籠吊裝時共設(shè)置6個吊耳，并按吊具電動葫蘆間相對位置，將吊耳居中對稱設(shè)置在鋼筋籠勁性骨架的上水平桿上。為保證吊裝施工的可行性和吊點(diǎn)布置的合理性，本文采用SAP2000對鋼筋籠分塊起吊過程中的吊具及鋼筋籠分塊的應(yīng)力比及變形進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果顯示，吊具最大綜合應(yīng)力比為0.667，節(jié)點(diǎn)最大位移為0.675mm，鋼筋籠勁性骨架桿件最大綜合應(yīng)力比為0.838，鋼筋端頭最大空間位移為8.19mm，位移以豎向?yàn)橹?。因此，吊裝過程中變形與受力滿足要求。

3)吊裝控制關(guān)鍵點(diǎn) 吊裝時，為避免分塊間箍筋的干擾，吊裝順序?yàn)橄瓤v橋向分塊后橫橋向分塊，鋼筋籠姿態(tài)調(diào)整完成后，縱橋向分塊由上往下緩慢下放，橫橋向分塊由兩側(cè)往內(nèi)水平移動；吊裝過程中先利用吊具將分塊姿態(tài)調(diào)整至與設(shè)計(jì)一致，然后進(jìn)行勁性骨架焊接連接，主筋間隔5根先連接1根基準(zhǔn)鋼筋，當(dāng)鋼筋籠分塊可自穩(wěn)后，吊具即可解除與鋼筋籠連接，繼續(xù)吊裝下一分塊，并適時進(jìn)行箍筋連接及端頭區(qū)段剩余水平筋安裝工作，實(shí)現(xiàn)各工序間的流水作業(yè)，提高吊裝效率。

4 施工質(zhì)量控制

1)過渡節(jié)段施工質(zhì)量控制 當(dāng)索塔非標(biāo)節(jié)段采用常規(guī)工藝施工時，與吊裝施工節(jié)段相接的節(jié)段即為過渡節(jié)段。該節(jié)段施工時，必須對主筋間距、頂口標(biāo)高進(jìn)行嚴(yán)格控制，施工過程中采用梳齒板等工具進(jìn)行精確控制，確保鋼筋間距、接頭錯開距離符合設(shè)計(jì)要求，且鋼筋頂口標(biāo)高齊平，并對鋼筋頂口的空間坐標(biāo)進(jìn)行精確測量，在鋼筋籠預(yù)制臺座上精確放樣，并據(jù)此預(yù)制第1個吊裝節(jié)段鋼筋籠，確保吊裝施工第1節(jié)段與過渡節(jié)段鋼筋的連接質(zhì)量；接頭連接時如出現(xiàn)無法對位連接或鋼筋端頭未頂緊間隙過大情況，采用幫條焊進(jìn)行加強(qiáng)。

2)鋼筋接頭質(zhì)量控制 主筋采用12m線材下料，每根長度6m，相鄰鋼筋接頭錯開1.3m，主筋一半超出施工縫0.5m，另一半超出1.8m。鋼筋全部采用套筒連接，對接絲頭采用全絲對半絲的方式匹配加工。為保證對接質(zhì)量，鋼筋需按要求嚴(yán)格控制下料長度，箍筋采用數(shù)控彎曲機(jī)進(jìn)行彎制，確保加工質(zhì)量；鋼筋籠箍筋、勾筋等僅安裝中間3.6m內(nèi)區(qū)段，使主筋端頭有一定柔性，便于對接；采用加長型套筒，較常規(guī)加長2cm，防止鋼筋籠吊裝過程中微小變形致接頭有效絲數(shù)不足而導(dǎo)致接頭強(qiáng)度質(zhì)量隱患，本項(xiàng)目中經(jīng)實(shí)測，鋼筋端頭最大空隙為2mm，接頭抽樣檢測均為I級接頭。

3)鋼筋籠分塊運(yùn)輸質(zhì)量控制 鋼筋籠分塊運(yùn)輸過程中，采用汽車式起重機(jī)或門式起重機(jī)進(jìn)行吊放時，需緩慢分階段進(jìn)行，下放前先暫停、靜置，待鋼筋節(jié)段穩(wěn)定后緩慢下放(人力輔助進(jìn)行調(diào)整)；下放至距離支架或臺座10cm時，再次檢查鋼筋籠分塊的平面位置、測量四角與支架或臺座的距離，確保平面位置偏差≤2cm，四角高差≤2cm，后緩慢下放至臺座上，待全部各點(diǎn)與臺座接觸后松鉤、卸扣，確保受力均衡。

5 結(jié)語

開州湖特大橋索塔節(jié)段鋼筋籠預(yù)制裝配式吊裝技術(shù)的實(shí)施，將塔柱頂?shù)匿摻钭鳂I(yè)時間降低至18h以內(nèi)，同時將大部分塔柱頂室外高空作業(yè)轉(zhuǎn)入地面室內(nèi)作業(yè)，極大地縮短高空作業(yè)時間，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，減小極端惡劣天氣的影響，使工期可控，工廠化的預(yù)制也使鋼筋籠分塊的加工質(zhì)量得到提升，實(shí)現(xiàn)了成本與工效的均衡、質(zhì)量與安全的兼顧。