山区陡壁带装配式托架及挂篮一体化设计施工技术

曹华斌CAO Hua-bin；王春云WANG Chun-yun

（中交一公局第二工程有限公司，苏州 215000）

0 引言

针对重岭山丘陡壁带连续刚构桥施工特点及传统工艺存在的问题，本文提出一种无落地超长装配式托架及挂篮一体化施工工艺，即使用菱形挂篮构件改装成装配式托架，并在普通三角托架施工工艺的基础上进行优化设计，将托架设计成不同长度且以法兰连接接长的标准节段，并在标准节段上的杆件连接处及墩身承重牛腿上设置销轴连接孔，通过将标准节段加工组合成模块后进行整体安装及拆除，在挂篮反压和挂篮施工中循环使用，一体化设计、一体化施工，优化杆件设计的标准化，增强使用的通用性。

1 一体化设计及施工工艺

1.1 工艺原理

结构秉承杆件标准化设计、整体装配式安拆的理念，通用性强、安全性能好、安拆效率高。装配式0#块托架在传统型钢托架的基础上进行优化，改刚接为铰接，优化结构受力，使横杆仅承受轴力（或弯矩及轴力），斜杆仅承受轴力，预埋件的受力清晰化。整个托架体系采用空间框架结构，装配式托架所有受力均通过剪力键传递至墩身上。此结构充分利用杆件性能，托架、挂篮构件循环使用，达到托架、挂篮一体化设计及一体化施工。拖架现场无焊接，预埋件从有损结构到无损结构的优化。

1.2 施工工艺流程及操作要点

1.2.1 装配式托架及挂篮一体化设计

①根据托架及挂篮一体化施工需求，考虑相关施工工况，以及托架、模板的安装及拆卸方式，托架及挂篮转换形式，初步拟定为装配式结构形式，进行荷载检算，根据各工况进行荷载计算，包括杆件强度、刚度计算和结构稳定性计算、预埋件计算。装配式托架所有杆件间的连接形式设计成为销接，使杆件由弯拉剪的受力状态优化为仅承受轴力状态。确定结构形式之后，通过改装挂篮构件，满足托架结构要求。

②挂篮的上下称重横梁用作装配式托架的分配梁匹配以及托架翼缘板承重梁。挂篮菱形架上下平杆用作装配式托架的横杆，挂篮菱形架的前斜杆、后拉杆用作装配式托架的斜杆。杆件设置2种节段形式：一是一端带销轴孔、耳板及法兰的端部标准节段；二是两端带法兰的中间标准节段。每种节段形式均设置不同长度但能通用的标准节段。

③装配式托架横杆标准节段采用型钢或工字钢加工制作，斜杆标准节段采用型钢、工字钢或钢管加工制作，端头均设计实用法兰盘作为节段连接面，连接面上设置连接螺栓孔，并与连接螺栓在连接面处形成托架杆件标准节段的纵向连接系统；托架横杆节段上按照需求在翼缘板设置螺栓孔，使杆件在通长的范围内均能设置连接耳板及横向平联；平联上设置螺栓孔通过螺栓与杆件进行连接，共同形成横向连接系统。横杆与斜杆之间、杆件与设在墩柱上的承重牛腿之间均通过耳板及销轴进行连接，形成锚固连接系统。

④装配式托架按照牛腿及预埋件形式共设置两种类型：一种为承插牛腿型装配式托架，其牛腿设置销轴连接耳板、连接螺栓、剪力键，剪力键由钢板加工制成，通过销轴及连接耳板使牛腿与托架杆件连接，通过剪力键插入预埋盒子承受竖向荷载，通过对拉精轧螺纹钢紧固牛腿并承受水平荷载；另一种为爬锥或加长套筒牛腿型装配式托架，其牛腿设置销轴连接耳板、连接螺栓、连接法兰，通过高强度螺栓及法兰使牛腿与预埋爬锥系统连接，通过销轴及连接耳板与托架杆件连接；牛腿及预埋件的竖向及水平荷载分别由螺栓、预埋爬锥系统承受。

⑤0号块悬臂端托架结构体系依上至下排架、分配梁、卸荷装置、托架横梁、托架斜杆。墩柱间托架结构体系依上至下包括排架、分配梁、卸荷装置、工钢托架横梁、牛腿，托架横梁与墩柱通过装配式牛腿进行销接连接。根据计算结果调整结构，完成后对施工可行性复核，最后进行钢结构详图深化设计。

1.2.2 装配式托架及挂篮加工

选择具有资质的钢结构厂家进行装配式托架及挂篮一体化构件的加工，严格按照施工图纸进行加工，根据《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205-2020）相关要求进行验收。

1.2.3 托架施工平台安装

①施工平台采用预埋套筒+外挂三角作为支撑，其结构与墩柱模板施工过的施工平台一致，并在钢筋加工场用槽钢统一加工成型。预埋锚固套筒和剪力键（爬锥）一同进行预埋，且低于剪力键（爬锥）100cm。

②操作平台施工时，利用塔吊或者汽车吊将三角架整体吊装至预埋锚固套筒，用螺栓将其与预埋套筒锚固。环绕墩柱一周布置施工平台，施工平台完成后，用防护网片进行临边防护，确保施工人员安全。

1.2.4 预埋件及牛腿施工

①墩身施工到预埋件所在节段时，根据设计图推算出预埋件的空间坐标，采用全站仪对控制点进行放样，保证预埋件施工有足够的精度，预埋件的轴线偏位应不超过3mm的允许误差范围。

②承插型牛腿预埋件安装。

1）预埋件安装施工前将预埋盒子分为两个一组，每组预埋盒之间焊接固定，固定时根据承插型牛腿的叉腿之间的宽度作为预埋盒焊接固定的距离。每组预埋盒之间根据墩身厚度采用钢管紧密焊接，连接后对其精度进行复核及调整，保证牛腿安装时对拉精轧螺纹钢顺利传入。

2）承插型牛腿预埋件安装前，在设计位置下方设置具有一定强度及刚度的定位支撑装置，定位支撑可提前预埋于上一节段墩身混凝土或焊接固定在墩身钢筋上。预埋件安装在其设计位置后，采用水平限位装置将其固定，防止浇筑过程中位置偏移。同时，在预埋件底部加设钢筋网片，对墩身进行局部加强，避免0号块施工时应力集中损坏墩身混凝土。

1.2.5 爬锥或加长套筒连接型牛腿预埋件施工

①爬锥或加长套筒连接型牛腿预埋件系统由爬锥（加长套筒）、高强螺杆、埋件板、高强螺栓、定位板、定位支撑等组成。

②爬锥系统形成整体后以定位钢板+定位螺母的方式进行固定，整体安装在定位支撑装置上，爬锥连接面与模板顶紧对齐后，将定位钢板与定位支撑装置焊接，完成最终定位。预埋件系统安装前，需对爬锥孔进行封堵，以防止浇筑过程中水泥浆进入锥孔，造成堵塞。

1.2.6 托架安装

①托架骨架组装。将托架杆件标准节段由工厂运输至施工现场，在施工场地内将托架杆件标准节段按设计图纸拼装成骨架片，并使用螺栓将耳板固定在装配式托架横杆上。

②托架骨架片整体吊装。装配式托架骨架片拼装完毕后，利用起重设备整体吊装至牛腿位置，通过连接销轴将托架骨架安装在牛腿上。所有装配式托架骨架片安装锚固完成后，安装平联，增加装配式托架的整体稳定性。

③分配梁安装。

1）在装配式托架横梁上按照设计图纸依次安装卸落装置、分配梁。卸荷块安装时，需要在横梁上用红油漆按设计间距划线标出其位置，卸落装置和分配梁安装按标记依次进行安装。待所有托架构件安装完毕后，通过调整卸荷块控制标高，同时对卸荷块加装限位装置。

2）安装分配梁时，采用汽车吊或者塔吊将型钢分配梁按照先中间后两边的顺序吊装载卸荷块上，型钢吊装时在其1/4及3/4长度处设置两处吊点，并确保在吊装过程中保持平衡，避免吊装过程中扭转变形。

④排架、翼缘板承重梁以及施工平台安装。

1）横向分配梁铺设完毕后，进入排架、翼缘板承重梁与装配式施工平台及通道的安装。排架安装前，采取临时固定措施，将几榀排架通过横向连接拼接成组，分组进行吊装，排架在整体吊装固定后使用槽钢将所有排架进行横向连接，增整体性，防止排架倾歪斜或倾倒。

2）翼缘板承重梁安装，需要在分配梁悬挑部位按设计间距标记安装位置，采用汽车吊或者塔吊将型钢翼缘板承重梁按照先内后外的顺序安装在分配梁上。型钢吊装时在其1/4及3/4长度处设置两处吊点，并确保在吊装过程中保持平衡，避免吊装过程中扭转变形。

3）在排架上铺设人工操作平台及临边防护护栏。外侧防护栏杆应高出施工平台至少120cm，在立杆每隔0.6m设置横杆，并设置剪刀撑以保证整体稳定性，应在外立杆内侧设置高度不低于180mm的挡脚板，并布置安全网进行防护。施工通道采用制式通道。

4）按照上述步骤完成托架安装后，通过调整卸落块控制托架上部结构标高，直到满足设计要求。

1.2.7 托架使用及拆除

①托架安装完成之后，进行模板安装，0#块以及挂篮施工中翼缘板以及侧模的模板由墩柱模板进行改装形成，提高材料的使用率。模板安装完成后，组织人员对托架结构、操作平台及安全通道等进行验收，装配式托架结构验收合格后，进行钢筋绑扎、预应力管道定位安装，进行相应隐蔽工程验收，经验收合格后，进行0号块混凝土浇筑，0号块施工时，在腹板位置安装爬锥预埋件，预埋件的布置应避开预应力管道，保证预埋件周围有足够的混凝土密实度和强度。

②当0号块混凝土达到设计强度且张拉压浆完成后，通过卸荷装置对底模卸载，并按照“先支后拆、后支先拆、自上而下”的原则依次拆除底模、排架、分配梁及协和装置。将拆除的装配式托架用于挂篮预压施工中的装配式反压托架，或者挂篮施工。

1.3 装配式托架及挂篮一体化施工

1.3.1 托架及挂篮一体化施工

当拆除的装配式托架用于挂篮施工时，根据托架及挂篮一体化设计图，将杆件进行功能转换，对不同的部位重新进行匹配组装，装配式三角托架用于组装成挂篮构件的的菱形桁架，托架分配梁组合成挂篮上横梁或者下横梁，托架翼缘板承重梁用于挂篮承重横梁。功能转化之后将挂篮其余配件进行拼装，通过塔吊按照施工工序逐一进行轨道、主桁架、横向平联、横梁、底篮系统、模板等工序施工。杆件功能转换达到资源的高效利用，增强了材料使用的通用性，从而使得装配式托架与挂篮从设计到施工，形成了一体化设计以及一体化施工工艺。

1.3.2 装配式预压托架结构

挂篮预压施工，将拆除的装配式三角托架用做预压托架。预压托架安装时，将装配式预压托架以正三角形的型式放置。同时将0#块施工托架的翼缘板承重梁放置在挂篮的底纵梁上方。挂篮预压托架结构从上至下依次为反压装配式托架（斜杆与精轧螺纹钢的组合式托架）、垫梁、预压千斤顶、横梁。装配式预压托架分为两种形式，一种是0#块施工完成后拆卸下来的装配式三角托架，另一种是由托架的斜杆构件配合纵向的精轧螺纹钢组合式托架。两种反压托架的施工方法预埋件施工方法略有不同，第一种方法是通过在0#块腹板预埋爬锥，安装爬锥牛腿，通过连接销轴将托架骨架安装在牛腿上；第二种方法在第一种的方法上进行了改动，通过对反压托架的受力分析，将托架横杆用精轧螺纹钢进行替换，同时在0#施工时将精轧螺纹刚按照耳板的螺栓孔道位置进行预埋，施工使用连接套筒对精轧螺纹钢接长。

1.3.3 装配式预压托架

①牛腿施工：将牛腿安装在腹板位置的爬锥预埋件处，以高强螺栓将牛腿整体初步锚固在爬锥预埋件上，然后通过扭矩扳手进行逐一复拧，复拧按照“先中间，后两边”的顺序进行，直至所有高强螺栓均复拧至设计扭矩值，完成牛腿安装。

②在挂篮底篮拼装完成后，横梁根据设计放置在底篮上，为了更好了达到预压效果，横梁在横桥向上设置为通长，将千斤顶施工的力均匀的分配到挂篮纵梁。在横梁上安放千斤顶，与0#块腹板对齐，放置在托架节点正下方。千斤顶选用纵向预应力张拉时所用的千斤顶。在千斤顶顶部放置一块大小为70×70cm，厚度为2cm钢板，在钢板上满铺大小合适的垫梁。

③装配式托架安装：利用起重设备将拆卸下来的托架骨架片整体吊装至牛腿位置，通过连接销轴将托架骨架安装在牛腿上。使用平联对托架进行横向连接。至此，装配式预压托架安装完毕。

1.3.4 组合式预压托架安装

①组合式预压托架施工：牛腿安装完成后，然后使用连接套筒对预埋的精轧螺纹钢逐一接长，并用扳手逐一复拧。将牛腿的耳板朝着0#方向穿入接长的精轧螺纹钢后，用双螺母逐一进行锚固。接长时，需将精轧螺纹钢接头处打磨光滑，确保接长的精轧螺纹钢能密贴的对接在一起。横梁与千斤顶的安放与装配式预压托架一致。

②组合托架斜杆安装：分解后的装配式托架斜杆吊装至耳板和牛腿处，通过连接销轴将斜杆锚固。使用平联对组合式托架进行横向连接。至此，组合式预压托架安装完毕。

1.3.5 使用及拆除

①挂篮的预压为1#块段最大施工荷载的1.05-1.1倍进行静载预压，加载使用千斤顶分60%、80%、100%、110%四个阶段加载。通过力的相互作用原理完成对挂篮的预压施工。加载过程中观察并记录吊带、底模、前下横梁的竖向变形，并观测后锚点变形情况。加载完毕后，分级卸载，卸载后观测并计算非弹性变形，最后分析计算各测点在各级荷载下的弹性变形值，绘出挂篮弹性变形曲线，即可求得施工控制数据，为后续施工提供依据。

②预压完成后，通过回顶卸载，并按照“先支后拆、后支先拆、自上而下”的原则依次拆除。拆除的装配式预压托架（组合式预压托架）进行周转使用，提高材料的利用率。

2 施工效益分析

2.1 经济效益

①按照施工组织设计，为满足本项目施工生产进度需求，连续钢构桥梁托架及挂篮施工设计为装配式结构，本项目共计10套装配式托架及模板；经计算单套装配式托架重26.8t，单套模板均重27t，较传统三角托架节约钢材总计156t，模板使用墩身模板进行改装，模板节约钢材200t，托架构件改装为菱形挂篮构件节约钢材约300t。按照钢材平均价格4511.7元/t计算，节约成本约（156+200+300）×4511=296万元。无落地超长装配式托架及挂篮一体化施工完成后，较传统支架的钢材损耗节约量约为15t，按照钢材回收价格1200元/t计算，节约损耗费用1200×15=1.8万元。装配式托架及挂篮一体化施工工法直接经济效益节约成本总计为：296+1.8+27+14.76+9+2.16=350.72万元；节省工期约60工天。②整体结构采用装配式连接，可以实现在后场快速拼装，前场整体吊装就位，安装效率高。③所有节点连接采用销接和栓接，结构受力明确，主要受力部位无焊接连接，无焊缝质量控制风险，结构安全性高。

2.2 节能与环保效益

该工艺较传统的支架结构，其标准节段在工厂定制生产，节约了钢材用量，减少了焊接工艺产生的烟雾，有效的对环境进行了保护，提高生产效率，可缩短工期，降低管理成本；相比其他施工方案减少机械投入，节能环保效果明显；节约燃油用量，节省不可再生资源；减少钢管装打设及拔除工艺，避免噪声污染，减少地基处理，消除混凝土废渣排放，保护农林用地，减轻环境破坏程度，在环保日益紧迫的今天，这些特性具有不可估计的潜在环保效益。

3 结语

针对传统三角托架现场焊缝质量无保障、安拆效率低、材料浪费严重、安全风险高等问题，通过用精益建造的思考方法，装配式托架从前期现场环境分析、结构设计、产品工厂化制造、安拆使用到优化改进进行产品全生命周期考虑。结构继续秉承杆件标准化设计、整体装配式安拆的理念，通用性强、安全性能好、安拆效率高。杆件通过标准化设计，通用性强，不同的0号块及挂篮可通用设计和使用。整体结构采用装配式连接，可以实现在后场快速拼装，前场整体吊装就位，安装效率高。另外杆件标准化设计，通用性强，提高了材料利用率，减少资源浪费。托架装配式施工，焊接量少，减少了焊接施工的烟雾及光污染。整体式安拆施工，工效提高，提高了机械及人员的利用率，降低了能源及人力消耗。