基于爬錐系統(tǒng)的裝配式托架在橋梁現(xiàn)澆段施工中的應(yīng)用

楊紅，柳生財

（中交二公局東萌工程有限公司，陜西 西安 710119）

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋由于其具有跨越能力大、施工工藝成熟、成本造價低、施工效率高等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。該類型橋梁墩身均較高，通常主墩高達(dá)100 m 左右，過渡墩在30～50 m 左右，有的橋梁過渡墩高達(dá)70 m 以上。當(dāng)過渡墩墩身較高時，采用一般落地式支架進(jìn)行連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨現(xiàn)澆段及合龍段施工往往存在較大的安全和質(zhì)量風(fēng)險，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益不佳。為此，設(shè)計一種高效且安全可靠同時兼顧經(jīng)濟(jì)性并適用于高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨現(xiàn)澆段及合龍段的施工方法迫在眉睫[1]，針對該問題進(jìn)行系統(tǒng)研究，通過利用爬錐和裝配式托架形成快速裝拆的裝配式托架結(jié)構(gòu)，替代了傳統(tǒng)托架高空桿件焊接作業(yè)，安全有效地解決了傳統(tǒng)技術(shù)中存在的問題。

1 工程概況

貴州擺楠大橋主橋為（73.65+135+73.65）m 變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋左右幅分離，上部懸澆采用掛籃施工。過渡墩墩身為7 m×3.5 m 薄壁墩，墩高：Z2 號墩27 m、Y3 號墩38 m、Z5 號墩49 m、Y6 號墩59 m，墩身混凝土為C50，承臺為9.5 m×8.8 m。主梁采用單箱單室直腹板形式，采用C50 混凝土，頂面設(shè)2%的橫坡，箱底橫向不設(shè)置橫坡，箱梁頂板凈寬度為12.5 m，箱梁底板寬度為6.5 m，斷面布置及橋型如1、圖2 所示。

圖1 橋型斷面布置圖（cm）Fig.1 Cross-sectional layout of bridge（cm）

圖2 橋型立、平面布置圖（m）Fig.2 Elevation and plan layout of bridge（m）

2 方案設(shè)計

爬錐裝配式托架即在連續(xù)剛構(gòu)橋過渡墩墩身或蓋梁施工時，在設(shè)計位置預(yù)埋爬錐系統(tǒng)，再利用吊裝設(shè)備安裝裝配式托架，就位后使用高強(qiáng)螺栓將托架與爬錐系統(tǒng)連接，組成完整的結(jié)構(gòu)受力體系。托架設(shè)計主要考慮邊跨現(xiàn)澆段及合龍段的施工原則。

為了保證安全性及經(jīng)濟(jì)性，爬錐預(yù)埋錨板所需的爬錐個數(shù)須通過計算數(shù)據(jù)給定。托架結(jié)構(gòu)為保證精準(zhǔn)度，在鋼結(jié)構(gòu)加工廠進(jìn)行加工，托架與爬錐連接的錨板根據(jù)混凝土澆筑后錐體的實際位置在鋼結(jié)構(gòu)加工廠進(jìn)行開孔，確保托架與爬錐的精準(zhǔn)連接。

2.1 邊跨現(xiàn)澆段

爬錐裝配式托架作為邊跨現(xiàn)澆段施工承重結(jié)構(gòu)，安裝完成后，在托架上放置砂筒等其他卸荷裝置和承重橫梁，再搭設(shè)縱橫向分配梁及模板支架，預(yù)壓后即可進(jìn)行邊跨現(xiàn)澆段施工。

爬錐裝配式托架最終荷載將傳遞至墩身一側(cè)，且為偏載狀態(tài)，故而需對橋梁過渡墩墩身進(jìn)行荷載變化的計算分析，驗算墩身偏載可能造成的墩身抗彎不足和根部開裂等問題。如若墩身不滿足施工荷載的要求，則在墩身的另一側(cè)設(shè)置平衡荷載，采用對稱托架并加載平衡[2]，加載可采用堆載或落地鋼絞線對拉的方式，托架總裝圖如圖3、圖4 所示。

圖3 邊跨現(xiàn)澆段施工總體立面布置圖Fig.3 General elevation layout of cast-in-place side span construction

圖4 托架總體構(gòu)造圖Fig.4 General structure of brackets

2.2 邊跨合龍段

爬錐式托架同樣考慮邊跨合龍段施工，即將掛籃后退至0 號塊根部進(jìn)行拆除。并利用邊跨現(xiàn)澆段底模主梁進(jìn)行支撐，將合龍段吊架主承重工字鋼梁（小一個規(guī)格）一側(cè)插入邊跨現(xiàn)澆段底模承重工字梁進(jìn)行錨固，另一側(cè)采用懸吊系統(tǒng)進(jìn)行錨固，與邊跨現(xiàn)澆段組合形成完整受力體系（承重梁長度可縱向伸縮調(diào)節(jié)性能），該結(jié)構(gòu)體系可隨合龍段長度自由調(diào)節(jié)，高程方向可通過錨固吊桿長度調(diào)節(jié)，滿足不同節(jié)段的合龍段模板支設(shè)需求。之后選擇幾天內(nèi)溫度穩(wěn)定匹配合龍溫度時的狀態(tài)下進(jìn)行合龍段鎖定，綁扎鋼筋，并在當(dāng)天溫度最低狀態(tài)下進(jìn)行合龍段混凝土的澆筑，完成邊跨合龍施工。邊跨合龍段施工總體構(gòu)造見圖5、圖6。

圖5 邊跨合龍段施工斷面布置圖Fig.5 Cross-sectional layout of closure section construction of side span

圖6 邊跨合龍段施工總體立面布置圖Fig.6 General elevation layout of closure section construction of side span

2.3 支撐系統(tǒng)的受力計算

2.3.1 結(jié)構(gòu)整體模型計算

根據(jù)邊跨現(xiàn)澆段及合龍段的構(gòu)造形式和結(jié)構(gòu)重量，采用Midas Civil 模擬實際工況，對組合支撐系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計算，模擬邊跨現(xiàn)澆段及合龍段兩階段澆筑完成的工況，驗算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，確定最終的材料選取，合理配置材料，使該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，計算結(jié)果如圖7—圖10 所示。

圖7 托架組合應(yīng)力結(jié)果Fig.7 Combined stress of brackets

圖8 托架剪應(yīng)力結(jié)果Fig.8 Shear stress of brackets

圖9 托架變形計算結(jié)果Fig.9 Calculation result of bracket deformation

圖10 托架支點(diǎn)反力（kN）Fig.10 Reaction of support of brackets（kN）

經(jīng)計算，組合式托架組合應(yīng)力小于規(guī)范允許值215 MPa；剪切應(yīng)力小于規(guī)范允許值125 MPa，最大位移變形值滿足規(guī)范要求，均滿足施工要求。

2.3.2 預(yù)埋件受力螺栓計算

三角托架作為豎向承載構(gòu)件，最終受力均傳遞至爬錐體，爬錐體受力關(guān)鍵仍為受力螺栓的承載力計算。螺栓的承載力計算公式[2]為：

式中：NV、Nt分別為承載螺栓所承受的剪力和拉力；NVb、Ntb分別為承載螺栓的受剪、高強(qiáng)螺桿受拉承載力設(shè)計值（抗拉承載力取決于高強(qiáng)螺桿，抗剪承載能力取決于受力螺栓）。

受力承載螺栓直徑為36 mm，螺紋內(nèi)徑為31 mm，材料為40Cr，高強(qiáng)螺桿直徑為20 mm，NVb=302 kN，Ntb=377.3 kN。

單個上部牛腿預(yù)埋板為8 個爬錐預(yù)埋件，下部牛腿預(yù)埋板為6 個爬錐預(yù)埋件，上部牛腿爬錐主要承擔(dān)抗拉、抗彎和抗剪作用，下部牛腿爬錐主要承擔(dān)抗剪作用，下部牛腿錨板與墩身混凝土密貼，抗壓由混凝土承擔(dān)，其錨板均為螺栓群設(shè)計，根據(jù)受力組合特性分別計算爬錐體的受力。

1） 上部預(yù)埋件受力螺栓計算

根據(jù)受力特性，該預(yù)埋件受力狀態(tài)為剪-拉螺栓群在彎矩、剪力和軸力共同作用下，最上部單個爬錐體受力螺栓承受最大拉力值為：

最大剪力為：

式中：M為螺栓群彎矩，kN·m；N為預(yù)埋件軸力，kN；V為預(yù)埋件剪力，kN；n為螺栓數(shù)；m為排數(shù)；yi為各螺栓到螺栓群形心點(diǎn)的距離，mm；y1為yi中的最大值，mm。

上部預(yù)埋單個爬錐體受力螺栓計算為：

2） 下部預(yù)埋件受力螺栓計算

根據(jù)受力特性，該預(yù)埋件受力狀態(tài)為剪-壓螺栓群在剪力和軸力共同作用下，軸向抗壓由混凝土承擔(dān)，此時受力螺栓主要起抗剪作用，拉力數(shù)值為0，則下部預(yù)埋爬錐體受力螺栓計算為：

2.3.3 混凝土沖切承載力計算

當(dāng)承載螺栓與錐形承載接頭連接時：

Ftmax=Ntmax=153.3 kN<711.2 kN，滿足要求。

式中：Ft為承載螺栓所承受的軸向拉力，N；l為預(yù)埋件錨板邊長，mm，本工程取最小值100 mm；s為錐形承載接頭埋入長度，mm，本工程取350 mm；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，N/mm2，按照C50 混凝土計算，取1.89 N/mm2。

2.3.4 混凝土局部受壓承載力計算

式中：Nc為預(yù)埋件所承受的軸向壓力，N；a為承載螺栓的墊板尺寸，mm，取700 mm；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，N/mm2，取23.1 N/mm2。

2.3.5 錨固長度計算

根據(jù)計算結(jié)果得出單根錨筋最大拉力值為153.3 kN，預(yù)埋錨筋采用公稱直徑25 mm 的精軋螺紋粗鋼筋，有效計算面積為490 mm2，材質(zhì)為PSB785，其抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為585 MPa。

錨筋抗拉強(qiáng)度計算：153.3×1 000/490=312.9 MPa<585 MPa，滿足要求。

錨固長度計算按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第8.3.1、8.8.3 條計算：

式中：lab為受拉鋼筋的基本錨固長度，mm；fy為鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，N/mm2；d為錨固鋼筋的直徑，mm；α 為錨固鋼筋的外形系數(shù)；la為受拉鋼筋的錨固長度[3]，mm；ζa為錨固長度修正系數(shù)。

計算結(jié)果如表1 所示。

表1 錨固長度計算Table 1 Calculation of anchorage length

2.3.6 墩身偏壓分析

墩身在施工過程中處于偏壓狀態(tài)，為保證過渡墩墩身的安全，需對墩身結(jié)構(gòu)進(jìn)行裂縫及變形驗算，根據(jù)JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》確定工作狀態(tài)下裂縫寬度許用限值，取最不利風(fēng)荷載狀態(tài)下施工，進(jìn)行受拉區(qū)鋼筋計算[4]，確保墩身根部裂縫滿足規(guī)范等要求。其中墩身變形分析結(jié)果如圖11 所示。

圖11 墩身變形圖（cm）Fig.11 Pier deformation diagram（cm）

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 爬錐預(yù)埋件施工

爬錐預(yù)埋件作為托架的承載構(gòu)件，是整個體系中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，預(yù)埋件特別是爬錐的預(yù)埋精確性直接影響構(gòu)件的受力性能。爬錐錐體與錐尾的連接需采用抗拉性能較好的精軋螺紋鋼筋[5]，安裝時將三者配套件組合連接為整體，見圖12。

圖12 爬錐預(yù)埋件定位施工Fig.12 Positioning and installation of embedded parts for climbing cones

1） 為確保爬錐系統(tǒng)在蓋梁混凝土澆筑中不偏位，在爬錐端部采用厚度較小的鋼板作為定位鋼板將其連接成總體，孔位位置與預(yù)埋錨板一致，通過定位螺栓固定在高強(qiáng)螺桿上，并可將定位鋼板與蓋梁鋼筋進(jìn)行焊接固定，起到定位的作用[4]，避免澆筑過程中出現(xiàn)較大的移動偏位。

2） 安裝過程中錐體不與主筋相碰，并設(shè)置在主筋內(nèi)側(cè)；錐體不應(yīng)突出于混凝土表面，并保持平整，保證錨板的安裝平整度與墩身混凝土的密貼度。

3） 爬錐體安裝完成后，用土工布封堵爬錐孔，用透明膠布包裹端頭，防止?jié)仓^程中水泥漿進(jìn)入錐孔。

3.2 裝配式托架安裝

每個過渡墩蓋梁上設(shè)置多片裝配式三角托架用以承載邊跨現(xiàn)澆段的重量。裝配式三角托架采用型鋼焊接，托架型鋼端部焊接受力錨板，爬錐系統(tǒng)與托架系統(tǒng)相互獨(dú)立，托架與墩身采用高強(qiáng)螺栓連接即可快速完成安裝，更為便捷，總體構(gòu)造如圖13、圖14 所示。

圖13 托架設(shè)計圖Fig.13 Bracket design

圖14 裝配式托架安裝完成圖Fig.14 Completion of installation of prefabricated brackets

1） 蓋梁混凝土澆筑完成，模板拆除后需復(fù)測爬錐孔位，根據(jù)現(xiàn)場實測爬錐孔位，在受力錨板上精確開孔，此工序建議在工廠進(jìn)行，可有效保證其精度和開孔質(zhì)量。

2） 型鋼托架與受力錨板之間采用焊接，上、下部托架錨板均采用多套爬錐，考慮受力特性，受力錨板與型鋼連接需加設(shè)加勁板輔助連接，作為主要受力焊縫，此處的焊縫務(wù)必保證其質(zhì)量[5]。

3） 托架安裝時，錨板上受力螺栓逐個施擰到位，若發(fā)現(xiàn)埋件系統(tǒng)安裝有傾斜，受力螺栓需加設(shè)彈簧墊圈，以防螺栓受力松動，預(yù)埋件施工過程中應(yīng)定期檢查螺栓的松緊情況。

3.3 邊跨合龍段施工

裝配式托架安裝完成后依次按照施工工藝完成邊跨現(xiàn)澆段的施工。該裝配式托架結(jié)構(gòu)同時考慮了邊跨合龍段的施工，即利用托架作為合龍段的一側(cè)承重結(jié)構(gòu)，另外一側(cè)利用吊架結(jié)構(gòu)，組合使用完成合龍段的施工。

為保證兩者能夠結(jié)合使用，合龍段吊架縱向承重工字鋼梁較邊跨現(xiàn)澆段底?？v向承重工字鋼梁小一個規(guī)格，插入后即可完成吊架的安裝，并將箱梁的內(nèi)模及外側(cè)模均采用滑梁安裝于邊跨合龍段，形成完整的模板支撐體系。

為保證合龍的精度，同時提前消除合龍段混凝土自重對兩側(cè)已澆筑節(jié)段產(chǎn)生的附加內(nèi)力，采用水箱的形式在兩側(cè)均勻配置配重，提前達(dá)到同步沉降目的，消除附加內(nèi)力引起的梁體附加應(yīng)力值，同時達(dá)到設(shè)計的線性控制。水箱配重控制在（邊跨合龍段重量-吊架重）/2，水箱底部焊接水龍頭，便于混凝土澆筑過程中同步卸載。

勁性骨架焊接鎖定前，應(yīng)先測量合龍段兩側(cè)高程，高差小于20 mm[6]，從而使得梁體平順均勻。

3.4 施工監(jiān)控量測

裝配式托架結(jié)構(gòu)一般用于高空作業(yè)，故在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格按照監(jiān)控單位的要求進(jìn)行測量點(diǎn)、傳感器以及控制點(diǎn)的埋設(shè)，同時提供其所需的各工況的量測數(shù)據(jù)。并選取豎向相對位移較大的觀測點(diǎn)作為監(jiān)測點(diǎn)設(shè)變形監(jiān)測報警值[6]。監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值時進(jìn)行加強(qiáng)觀測，并注意檢查托架及吊架各部件連接情況，為施工保駕護(hù)航。

4 結(jié)語

本文采用爬錐體系代替了傳統(tǒng)的預(yù)埋鋼筋形式，以此作為承載基礎(chǔ)，利用裝配式托架和吊架解決合龍時墩身或0 號塊根部開裂等問題，減少施工過程中線形實測值與理論值的偏差，降低傳統(tǒng)掛籃合龍方式引起的附加內(nèi)力值，基本達(dá)到無應(yīng)力合龍，減少了橋梁因施工產(chǎn)生的不利影響。

裝配式三角托架僅預(yù)埋件與傳統(tǒng)預(yù)埋鋼筋相比，承載力大大提高，大幅度減少了預(yù)埋件數(shù)量，節(jié)約了施工材料，爬錐預(yù)埋件施工簡單，與傳統(tǒng)工藝相比，施工效率高，支撐系統(tǒng)的可操作性、可控制性較強(qiáng)，施工成本低，簡化安拆工序，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。同時該應(yīng)用方案安全系數(shù)高，施工質(zhì)量可靠，具備較好的應(yīng)用價值，可為后續(xù)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋特別是高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨現(xiàn)澆段及合龍施工提供參考。