山區(qū)陡壁帶裝配式托架及掛籃一體化設(shè)計(jì)施工技術(shù)

曹華斌CAO Hua-bin；王春云WANG Chun-yun

（中交一公局第二工程有限公司，蘇州 215000）

0 引言

針對重嶺山丘陡壁帶連續(xù)剛構(gòu)橋施工特點(diǎn)及傳統(tǒng)工藝存在的問題，本文提出一種無落地超長裝配式托架及掛籃一體化施工工藝，即使用菱形掛籃構(gòu)件改裝成裝配式托架，并在普通三角托架施工工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將托架設(shè)計(jì)成不同長度且以法蘭連接接長的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，并在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段上的桿件連接處及墩身承重牛腿上設(shè)置銷軸連接孔，通過將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段加工組合成模塊后進(jìn)行整體安裝及拆除，在掛籃反壓和掛籃施工中循環(huán)使用，一體化設(shè)計(jì)、一體化施工，優(yōu)化桿件設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，增強(qiáng)使用的通用性。

1 一體化設(shè)計(jì)及施工工藝

1.1 工藝原理

結(jié)構(gòu)秉承桿件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、整體裝配式安拆的理念，通用性強(qiáng)、安全性能好、安拆效率高。裝配式0#塊托架在傳統(tǒng)型鋼托架的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，改剛接為鉸接，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，使橫桿僅承受軸力（或彎矩及軸力），斜桿僅承受軸力，預(yù)埋件的受力清晰化。整個托架體系采用空間框架結(jié)構(gòu)，裝配式托架所有受力均通過剪力鍵傳遞至墩身上。此結(jié)構(gòu)充分利用桿件性能，托架、掛籃構(gòu)件循環(huán)使用，達(dá)到托架、掛籃一體化設(shè)計(jì)及一體化施工。拖架現(xiàn)場無焊接，預(yù)埋件從有損結(jié)構(gòu)到無損結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

1.2 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

1.2.1 裝配式托架及掛籃一體化設(shè)計(jì)

①根據(jù)托架及掛籃一體化施工需求，考慮相關(guān)施工工況，以及托架、模板的安裝及拆卸方式，托架及掛籃轉(zhuǎn)換形式，初步擬定為裝配式結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行荷載檢算，根據(jù)各工況進(jìn)行荷載計(jì)算，包括桿件強(qiáng)度、剛度計(jì)算和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算、預(yù)埋件計(jì)算。裝配式托架所有桿件間的連接形式設(shè)計(jì)成為銷接，使桿件由彎拉剪的受力狀態(tài)優(yōu)化為僅承受軸力狀態(tài)。確定結(jié)構(gòu)形式之后，通過改裝掛籃構(gòu)件，滿足托架結(jié)構(gòu)要求。

②掛籃的上下稱重橫梁用作裝配式托架的分配梁匹配以及托架翼緣板承重梁。掛籃菱形架上下平桿用作裝配式托架的橫桿，掛籃菱形架的前斜桿、后拉桿用作裝配式托架的斜桿。桿件設(shè)置2種節(jié)段形式：一是一端帶銷軸孔、耳板及法蘭的端部標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段；二是兩端帶法蘭的中間標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段。每種節(jié)段形式均設(shè)置不同長度但能通用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段。

③裝配式托架橫桿標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段采用型鋼或工字鋼加工制作，斜桿標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段采用型鋼、工字鋼或鋼管加工制作，端頭均設(shè)計(jì)實(shí)用法蘭盤作為節(jié)段連接面，連接面上設(shè)置連接螺栓孔，并與連接螺栓在連接面處形成托架桿件標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段的縱向連接系統(tǒng)；托架橫桿節(jié)段上按照需求在翼緣板設(shè)置螺栓孔，使桿件在通長的范圍內(nèi)均能設(shè)置連接耳板及橫向平聯(lián)；平聯(lián)上設(shè)置螺栓孔通過螺栓與桿件進(jìn)行連接，共同形成橫向連接系統(tǒng)。橫桿與斜桿之間、桿件與設(shè)在墩柱上的承重牛腿之間均通過耳板及銷軸進(jìn)行連接，形成錨固連接系統(tǒng)。

④裝配式托架按照牛腿及預(yù)埋件形式共設(shè)置兩種類型：一種為承插牛腿型裝配式托架，其牛腿設(shè)置銷軸連接耳板、連接螺栓、剪力鍵，剪力鍵由鋼板加工制成，通過銷軸及連接耳板使牛腿與托架桿件連接，通過剪力鍵插入預(yù)埋盒子承受豎向荷載，通過對拉精軋螺紋鋼緊固牛腿并承受水平荷載；另一種為爬錐或加長套筒牛腿型裝配式托架，其牛腿設(shè)置銷軸連接耳板、連接螺栓、連接法蘭，通過高強(qiáng)度螺栓及法蘭使牛腿與預(yù)埋爬錐系統(tǒng)連接，通過銷軸及連接耳板與托架桿件連接；牛腿及預(yù)埋件的豎向及水平荷載分別由螺栓、預(yù)埋爬錐系統(tǒng)承受。

⑤0號塊懸臂端托架結(jié)構(gòu)體系依上至下排架、分配梁、卸荷裝置、托架橫梁、托架斜桿。墩柱間托架結(jié)構(gòu)體系依上至下包括排架、分配梁、卸荷裝置、工鋼托架橫梁、牛腿，托架橫梁與墩柱通過裝配式牛腿進(jìn)行銷接連接。根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)，完成后對施工可行性復(fù)核，最后進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)詳圖深化設(shè)計(jì)。

1.2.2 裝配式托架及掛籃加工

選擇具有資質(zhì)的鋼結(jié)構(gòu)廠家進(jìn)行裝配式托架及掛籃一體化構(gòu)件的加工，嚴(yán)格按照施工圖紙進(jìn)行加工，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50205-2020）相關(guān)要求進(jìn)行驗(yàn)收。

1.2.3 托架施工平臺安裝

①施工平臺采用預(yù)埋套筒+外掛三角作為支撐，其結(jié)構(gòu)與墩柱模板施工過的施工平臺一致，并在鋼筋加工場用槽鋼統(tǒng)一加工成型。預(yù)埋錨固套筒和剪力鍵（爬錐）一同進(jìn)行預(yù)埋，且低于剪力鍵（爬錐）100cm。

②操作平臺施工時(shí)，利用塔吊或者汽車吊將三角架整體吊裝至預(yù)埋錨固套筒，用螺栓將其與預(yù)埋套筒錨固。環(huán)繞墩柱一周布置施工平臺，施工平臺完成后，用防護(hù)網(wǎng)片進(jìn)行臨邊防護(hù)，確保施工人員安全。

1.2.4 預(yù)埋件及牛腿施工

①墩身施工到預(yù)埋件所在節(jié)段時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖推算出預(yù)埋件的空間坐標(biāo)，采用全站儀對控制點(diǎn)進(jìn)行放樣，保證預(yù)埋件施工有足夠的精度，預(yù)埋件的軸線偏位應(yīng)不超過3mm的允許誤差范圍。

②承插型牛腿預(yù)埋件安裝。

1）預(yù)埋件安裝施工前將預(yù)埋盒子分為兩個一組，每組預(yù)埋盒之間焊接固定，固定時(shí)根據(jù)承插型牛腿的叉腿之間的寬度作為預(yù)埋盒焊接固定的距離。每組預(yù)埋盒之間根據(jù)墩身厚度采用鋼管緊密焊接，連接后對其精度進(jìn)行復(fù)核及調(diào)整，保證牛腿安裝時(shí)對拉精軋螺紋鋼順利傳入。

2）承插型牛腿預(yù)埋件安裝前，在設(shè)計(jì)位置下方設(shè)置具有一定強(qiáng)度及剛度的定位支撐裝置，定位支撐可提前預(yù)埋于上一節(jié)段墩身混凝土或焊接固定在墩身鋼筋上。預(yù)埋件安裝在其設(shè)計(jì)位置后，采用水平限位裝置將其固定，防止?jié)仓^程中位置偏移。同時(shí)，在預(yù)埋件底部加設(shè)鋼筋網(wǎng)片，對墩身進(jìn)行局部加強(qiáng)，避免0號塊施工時(shí)應(yīng)力集中損壞墩身混凝土。

1.2.5 爬錐或加長套筒連接型牛腿預(yù)埋件施工

①爬錐或加長套筒連接型牛腿預(yù)埋件系統(tǒng)由爬錐（加長套筒）、高強(qiáng)螺桿、埋件板、高強(qiáng)螺栓、定位板、定位支撐等組成。

②爬錐系統(tǒng)形成整體后以定位鋼板+定位螺母的方式進(jìn)行固定，整體安裝在定位支撐裝置上，爬錐連接面與模板頂緊對齊后，將定位鋼板與定位支撐裝置焊接，完成最終定位。預(yù)埋件系統(tǒng)安裝前，需對爬錐孔進(jìn)行封堵，以防止?jié)仓^程中水泥漿進(jìn)入錐孔，造成堵塞。

1.2.6 托架安裝

①托架骨架組裝。將托架桿件標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段由工廠運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，在施工場地內(nèi)將托架桿件標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段按設(shè)計(jì)圖紙拼裝成骨架片，并使用螺栓將耳板固定在裝配式托架橫桿上。

②托架骨架片整體吊裝。裝配式托架骨架片拼裝完畢后，利用起重設(shè)備整體吊裝至牛腿位置，通過連接銷軸將托架骨架安裝在牛腿上。所有裝配式托架骨架片安裝錨固完成后，安裝平聯(lián)，增加裝配式托架的整體穩(wěn)定性。

③分配梁安裝。

1）在裝配式托架橫梁上按照設(shè)計(jì)圖紙依次安裝卸落裝置、分配梁。卸荷塊安裝時(shí)，需要在橫梁上用紅油漆按設(shè)計(jì)間距劃線標(biāo)出其位置，卸落裝置和分配梁安裝按標(biāo)記依次進(jìn)行安裝。待所有托架構(gòu)件安裝完畢后，通過調(diào)整卸荷塊控制標(biāo)高，同時(shí)對卸荷塊加裝限位裝置。

2）安裝分配梁時(shí)，采用汽車吊或者塔吊將型鋼分配梁按照先中間后兩邊的順序吊裝載卸荷塊上，型鋼吊裝時(shí)在其1/4及3/4長度處設(shè)置兩處吊點(diǎn)，并確保在吊裝過程中保持平衡，避免吊裝過程中扭轉(zhuǎn)變形。

④排架、翼緣板承重梁以及施工平臺安裝。

1）橫向分配梁鋪設(shè)完畢后，進(jìn)入排架、翼緣板承重梁與裝配式施工平臺及通道的安裝。排架安裝前，采取臨時(shí)固定措施，將幾榀排架通過橫向連接拼接成組，分組進(jìn)行吊裝，排架在整體吊裝固定后使用槽鋼將所有排架進(jìn)行橫向連接，增整體性，防止排架傾歪斜或傾倒。

2）翼緣板承重梁安裝，需要在分配梁懸挑部位按設(shè)計(jì)間距標(biāo)記安裝位置，采用汽車吊或者塔吊將型鋼翼緣板承重梁按照先內(nèi)后外的順序安裝在分配梁上。型鋼吊裝時(shí)在其1/4及3/4長度處設(shè)置兩處吊點(diǎn)，并確保在吊裝過程中保持平衡，避免吊裝過程中扭轉(zhuǎn)變形。

3）在排架上鋪設(shè)人工操作平臺及臨邊防護(hù)護(hù)欄。外側(cè)防護(hù)欄桿應(yīng)高出施工平臺至少120cm，在立桿每隔0.6m設(shè)置橫桿，并設(shè)置剪刀撐以保證整體穩(wěn)定性，應(yīng)在外立桿內(nèi)側(cè)設(shè)置高度不低于180mm的擋腳板，并布置安全網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。施工通道采用制式通道。

4）按照上述步驟完成托架安裝后，通過調(diào)整卸落塊控制托架上部結(jié)構(gòu)標(biāo)高，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2.7 托架使用及拆除

①托架安裝完成之后，進(jìn)行模板安裝，0#塊以及掛籃施工中翼緣板以及側(cè)模的模板由墩柱模板進(jìn)行改裝形成，提高材料的使用率。模板安裝完成后，組織人員對托架結(jié)構(gòu)、操作平臺及安全通道等進(jìn)行驗(yàn)收，裝配式托架結(jié)構(gòu)驗(yàn)收合格后，進(jìn)行鋼筋綁扎、預(yù)應(yīng)力管道定位安裝，進(jìn)行相應(yīng)隱蔽工程驗(yàn)收，經(jīng)驗(yàn)收合格后，進(jìn)行0號塊混凝土澆筑，0號塊施工時(shí)，在腹板位置安裝爬錐預(yù)埋件，預(yù)埋件的布置應(yīng)避開預(yù)應(yīng)力管道，保證預(yù)埋件周圍有足夠的混凝土密實(shí)度和強(qiáng)度。

②當(dāng)0號塊混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度且張拉壓漿完成后，通過卸荷裝置對底模卸載，并按照“先支后拆、后支先拆、自上而下”的原則依次拆除底模、排架、分配梁及協(xié)和裝置。將拆除的裝配式托架用于掛籃預(yù)壓施工中的裝配式反壓托架，或者掛籃施工。

1.3 裝配式托架及掛籃一體化施工

1.3.1 托架及掛籃一體化施工

當(dāng)拆除的裝配式托架用于掛籃施工時(shí)，根據(jù)托架及掛籃一體化設(shè)計(jì)圖，將桿件進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換，對不同的部位重新進(jìn)行匹配組裝，裝配式三角托架用于組裝成掛籃構(gòu)件的的菱形桁架，托架分配梁組合成掛籃上橫梁或者下橫梁，托架翼緣板承重梁用于掛籃承重橫梁。功能轉(zhuǎn)化之后將掛籃其余配件進(jìn)行拼裝，通過塔吊按照施工工序逐一進(jìn)行軌道、主桁架、橫向平聯(lián)、橫梁、底籃系統(tǒng)、模板等工序施工。桿件功能轉(zhuǎn)換達(dá)到資源的高效利用，增強(qiáng)了材料使用的通用性，從而使得裝配式托架與掛籃從設(shè)計(jì)到施工，形成了一體化設(shè)計(jì)以及一體化施工工藝。

1.3.2 裝配式預(yù)壓托架結(jié)構(gòu)

掛籃預(yù)壓施工，將拆除的裝配式三角托架用做預(yù)壓托架。預(yù)壓托架安裝時(shí)，將裝配式預(yù)壓托架以正三角形的型式放置。同時(shí)將0#塊施工托架的翼緣板承重梁放置在掛籃的底縱梁上方。掛籃預(yù)壓托架結(jié)構(gòu)從上至下依次為反壓裝配式托架（斜桿與精軋螺紋鋼的組合式托架）、墊梁、預(yù)壓千斤頂、橫梁。裝配式預(yù)壓托架分為兩種形式，一種是0#塊施工完成后拆卸下來的裝配式三角托架，另一種是由托架的斜桿構(gòu)件配合縱向的精軋螺紋鋼組合式托架。兩種反壓托架的施工方法預(yù)埋件施工方法略有不同，第一種方法是通過在0#塊腹板預(yù)埋爬錐，安裝爬錐牛腿，通過連接銷軸將托架骨架安裝在牛腿上；第二種方法在第一種的方法上進(jìn)行了改動，通過對反壓托架的受力分析，將托架橫桿用精軋螺紋鋼進(jìn)行替換，同時(shí)在0#施工時(shí)將精軋螺紋剛按照耳板的螺栓孔道位置進(jìn)行預(yù)埋，施工使用連接套筒對精軋螺紋鋼接長。

1.3.3 裝配式預(yù)壓托架

①牛腿施工：將牛腿安裝在腹板位置的爬錐預(yù)埋件處，以高強(qiáng)螺栓將牛腿整體初步錨固在爬錐預(yù)埋件上，然后通過扭矩扳手進(jìn)行逐一復(fù)擰，復(fù)擰按照“先中間，后兩邊”的順序進(jìn)行，直至所有高強(qiáng)螺栓均復(fù)擰至設(shè)計(jì)扭矩值，完成牛腿安裝。

②在掛籃底籃拼裝完成后，橫梁根據(jù)設(shè)計(jì)放置在底籃上，為了更好了達(dá)到預(yù)壓效果，橫梁在橫橋向上設(shè)置為通長，將千斤頂施工的力均勻的分配到掛籃縱梁。在橫梁上安放千斤頂，與0#塊腹板對齊，放置在托架節(jié)點(diǎn)正下方。千斤頂選用縱向預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)所用的千斤頂。在千斤頂頂部放置一塊大小為70×70cm，厚度為2cm鋼板，在鋼板上滿鋪大小合適的墊梁。

③裝配式托架安裝：利用起重設(shè)備將拆卸下來的托架骨架片整體吊裝至牛腿位置，通過連接銷軸將托架骨架安裝在牛腿上。使用平聯(lián)對托架進(jìn)行橫向連接。至此，裝配式預(yù)壓托架安裝完畢。

1.3.4 組合式預(yù)壓托架安裝

①組合式預(yù)壓托架施工：牛腿安裝完成后，然后使用連接套筒對預(yù)埋的精軋螺紋鋼逐一接長，并用扳手逐一復(fù)擰。將牛腿的耳板朝著0#方向穿入接長的精軋螺紋鋼后，用雙螺母逐一進(jìn)行錨固。接長時(shí)，需將精軋螺紋鋼接頭處打磨光滑，確保接長的精軋螺紋鋼能密貼的對接在一起。橫梁與千斤頂?shù)陌卜排c裝配式預(yù)壓托架一致。

②組合托架斜桿安裝：分解后的裝配式托架斜桿吊裝至耳板和牛腿處，通過連接銷軸將斜桿錨固。使用平聯(lián)對組合式托架進(jìn)行橫向連接。至此，組合式預(yù)壓托架安裝完畢。

1.3.5 使用及拆除

①掛籃的預(yù)壓為1#塊段最大施工荷載的1.05-1.1倍進(jìn)行靜載預(yù)壓，加載使用千斤頂分60%、80%、100%、110%四個階段加載。通過力的相互作用原理完成對掛籃的預(yù)壓施工。加載過程中觀察并記錄吊帶、底模、前下橫梁的豎向變形，并觀測后錨點(diǎn)變形情況。加載完畢后，分級卸載，卸載后觀測并計(jì)算非彈性變形，最后分析計(jì)算各測點(diǎn)在各級荷載下的彈性變形值，繪出掛籃彈性變形曲線，即可求得施工控制數(shù)據(jù)，為后續(xù)施工提供依據(jù)。

②預(yù)壓完成后，通過回頂卸載，并按照“先支后拆、后支先拆、自上而下”的原則依次拆除。拆除的裝配式預(yù)壓托架（組合式預(yù)壓托架）進(jìn)行周轉(zhuǎn)使用，提高材料的利用率。

2 施工效益分析

2.1 經(jīng)濟(jì)效益

①按照施工組織設(shè)計(jì)，為滿足本項(xiàng)目施工生產(chǎn)進(jìn)度需求，連續(xù)鋼構(gòu)橋梁托架及掛籃施工設(shè)計(jì)為裝配式結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目共計(jì)10套裝配式托架及模板；經(jīng)計(jì)算單套裝配式托架重26.8t，單套模板均重27t，較傳統(tǒng)三角托架節(jié)約鋼材總計(jì)156t，模板使用墩身模板進(jìn)行改裝，模板節(jié)約鋼材200t，托架構(gòu)件改裝為菱形掛籃構(gòu)件節(jié)約鋼材約300t。按照鋼材平均價(jià)格4511.7元/t計(jì)算，節(jié)約成本約（156+200+300）×4511=296萬元。無落地超長裝配式托架及掛籃一體化施工完成后，較傳統(tǒng)支架的鋼材損耗節(jié)約量約為15t，按照鋼材回收價(jià)格1200元/t計(jì)算，節(jié)約損耗費(fèi)用1200×15=1.8萬元。裝配式托架及掛籃一體化施工工法直接經(jīng)濟(jì)效益節(jié)約成本總計(jì)為：296+1.8+27+14.76+9+2.16=350.72萬元；節(jié)省工期約60工天。②整體結(jié)構(gòu)采用裝配式連接，可以實(shí)現(xiàn)在后場快速拼裝，前場整體吊裝就位，安裝效率高。③所有節(jié)點(diǎn)連接采用銷接和栓接，結(jié)構(gòu)受力明確，主要受力部位無焊接連接，無焊縫質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)安全性高。

2.2 節(jié)能與環(huán)保效益

該工藝較傳統(tǒng)的支架結(jié)構(gòu)，其標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段在工廠定制生產(chǎn)，節(jié)約了鋼材用量，減少了焊接工藝產(chǎn)生的煙霧，有效的對環(huán)境進(jìn)行了保護(hù)，提高生產(chǎn)效率，可縮短工期，降低管理成本；相比其他施工方案減少機(jī)械投入，節(jié)能環(huán)保效果明顯；節(jié)約燃油用量，節(jié)省不可再生資源；減少鋼管裝打設(shè)及拔除工藝，避免噪聲污染，減少地基處理，消除混凝土廢渣排放，保護(hù)農(nóng)林用地，減輕環(huán)境破壞程度，在環(huán)保日益緊迫的今天，這些特性具有不可估計(jì)的潛在環(huán)保效益。

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)三角托架現(xiàn)場焊縫質(zhì)量無保障、安拆效率低、材料浪費(fèi)嚴(yán)重、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題，通過用精益建造的思考方法，裝配式托架從前期現(xiàn)場環(huán)境分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品工廠化制造、安拆使用到優(yōu)化改進(jìn)進(jìn)行產(chǎn)品全生命周期考慮。結(jié)構(gòu)繼續(xù)秉承桿件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、整體裝配式安拆的理念，通用性強(qiáng)、安全性能好、安拆效率高。桿件通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通用性強(qiáng)，不同的0號塊及掛籃可通用設(shè)計(jì)和使用。整體結(jié)構(gòu)采用裝配式連接，可以實(shí)現(xiàn)在后場快速拼裝，前場整體吊裝就位，安裝效率高。另外桿件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通用性強(qiáng)，提高了材料利用率，減少資源浪費(fèi)。托架裝配式施工，焊接量少，減少了焊接施工的煙霧及光污染。整體式安拆施工，工效提高，提高了機(jī)械及人員的利用率，降低了能源及人力消耗。