基于爬錐系統的裝配式托架在橋梁現澆段施工中的應用

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

連續剛構橋由于其具有跨越能力大、施工工藝成熟、成本造價低、施工效率高等特點得到了廣泛的應用。該類型橋梁墩身均較高，通常主墩高達100 m 左右，過渡墩在30～50 m 左右，有的橋梁過渡墩高達70 m 以上。當過渡墩墩身較高時，采用一般落地式支架進行連續剛構橋邊跨現澆段及合龍段施工往往存在較大的安全和質量風險，技術和經濟效益不佳。為此，設計一種高效且安全可靠同時兼顧經濟性并適用于高墩大跨徑連續剛構橋邊跨現澆段及合龍段的施工方法迫在眉睫[1]，針對該問題進行系統研究，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構，替代了傳統托架高空桿件焊接作業，安全有效地解決了傳統技術中存在的問題。

1 工程概況

貴州擺楠大橋主橋為（73.65+135+73.65）m 變截面連續剛構橋，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2%的橫坡，箱底橫向不設置橫坡，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 方案設計

爬錐裝配式托架即在連續剛構橋過渡墩墩身或蓋梁施工時，在設計位置預埋爬錐系統，再利用吊裝設備安裝裝配式托架，就位后使用高強螺栓將托架與爬錐系統連接，組成完整的結構受力體系。托架設計主要考慮邊跨現澆段及合龍段的施工原則。

為了保證安全性及經濟性，爬錐預埋錨板所需的爬錐個數須通過計算數據給定。托架結構為保證精準度，在鋼結構加工廠進行加工，托架與爬錐連接的錨板根據混凝土澆筑后錐體的實際位置在鋼結構加工廠進行開孔，確保托架與爬錐的精準連接。

2.1 邊跨現澆段

爬錐裝配式托架作為邊跨現澆段施工承重結構，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，再搭設縱橫向分配梁及模板支架，預壓后即可進行邊跨現澆段施工。

爬錐裝配式托架最終荷載將傳遞至墩身一側，且為偏載狀態，故而需對橋梁過渡墩墩身進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，則在墩身的另一側設置平衡荷載，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 號塊根部進行拆除。并利用邊跨現澆段底模主梁進行支撐，將合龍段吊架主承重工字鋼梁（小一個規格）一側插入邊跨現澆段底模承重工字梁進行錨固，另一側采用懸吊系統進行錨固，與邊跨現澆段組合形成完整受力體系（承重梁長度可縱向伸縮調節性能），該結構體系可隨合龍段長度自由調節，高程方向可通過錨固吊桿長度調節，滿足不同節段的合龍段模板支設需求。之后選擇幾天內溫度穩定匹配合龍溫度時的狀態下進行合龍段鎖定，綁扎鋼筋，并在當天溫度最低狀態下進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 支撐系統的受力計算

2.3.1 結構整體模型計算

根據邊跨現澆段及合龍段的構造形式和結構重量，采用Midas Civil 模擬實際工況，對組合支撐系統進行結構受力計算，模擬邊跨現澆段及合龍段兩階段澆筑完成的工況，驗算結構的強度、剛度及穩定性，確定最終的材料選取，合理配置材料，使該結構穩定可靠，計算結果如圖7—圖10 所示。

圖7 托架組合應力結果Fig.7 Combined stress of brackets

圖8 托架剪應力結果Fig.8 Shear stress of brackets

圖9 托架變形計算結果Fig.9 Calculation result of bracket deformation

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

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

2.3.2 預埋件受力螺栓計算

三角托架作為豎向承載構件，最終受力均傳遞至爬錐體，爬錐體受力關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、高強螺桿受拉承載力設計值（抗拉承載力取決于高強螺桿，抗剪承載能力取決于受力螺栓）。

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

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

1） 上部預埋件受力螺栓計算

根據受力特性，該預埋件受力狀態為剪-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為預埋件軸力，kN；V為預埋件剪力，kN；n為螺栓數；m為排數；yi為各螺栓到螺栓群形心點的距離，mm；y1為yi中的最大值，mm。

上部預埋單個爬錐體受力螺栓計算為：

2） 下部預埋件受力螺栓計算

根據受力特性，該預埋件受力狀態為剪-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，此時受力螺栓主要起抗剪作用，拉力數值為0，則下部預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度設計值，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度設計值，N/mm2，取23.1 N/mm2。

2.3.5 錨固長度計算

根據計算結果得出單根錨筋最大拉力值為153.3 kN，預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，材質為PSB785，其抗拉強度設計值為585 MPa。

錨筋抗拉強度計算：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《混凝土結構設計規范》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為鋼筋的抗拉強度設計值，N/mm2；d為錨固鋼筋的直徑，mm；α 為錨固鋼筋的外形系數；la為受拉鋼筋的錨固長度[3]，mm；ζa為錨固長度修正系數。

計算結果如表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，為保證過渡墩墩身的安全，需對墩身結構進行裂縫及變形驗算，根據JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》確定工作狀態下裂縫寬度許用限值，取最不利風荷載狀態下施工，進行受拉區鋼筋計算[4]，確保墩身根部裂縫滿足規范等要求。其中墩身變形分析結果如圖11 所示。

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

3 關鍵施工技術

3.1 爬錐預埋件施工

爬錐預埋件作為托架的承載構件，是整個體系中的關鍵環節，預埋件特別是爬錐的預埋精確性直接影響構件的受力性能。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，孔位位置與預埋錨板一致，通過定位螺栓固定在高強螺桿上，并可將定位鋼板與蓋梁鋼筋進行焊接固定，起到定位的作用[4]，避免澆筑過程中出現較大的移動偏位。

2） 安裝過程中錐體不與主筋相碰，并設置在主筋內側；錐體不應突出于混凝土表面，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，防止澆筑過程中水泥漿進入錐孔。

3.2 裝配式托架安裝

每個過渡墩蓋梁上設置多片裝配式三角托架用以承載邊跨現澆段的重量。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，爬錐系統與托架系統相互獨立，托架與墩身采用高強螺栓連接即可快速完成安裝，更為便捷，總體構造如圖13、圖14 所示。

圖13 托架設計圖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，模板拆除后需復測爬錐孔位，根據現場實測爬錐孔位，在受力錨板上精確開孔，此工序建議在工廠進行，可有效保證其精度和開孔質量。

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加勁板輔助連接，作為主要受力焊縫，此處的焊縫務必保證其質量[5]。

3） 托架安裝時，錨板上受力螺栓逐個施擰到位，若發現埋件系統安裝有傾斜，受力螺栓需加設彈簧墊圈，以防螺栓受力松動，預埋件施工過程中應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澆段的施工。該裝配式托架結構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承重結構，另外一側利用吊架結構，組合使用完成合龍段的施工。

為保證兩者能夠結合使用，合龍段吊架縱向承重工字鋼梁較邊跨現澆段底模縱向承重工字鋼梁小一個規格，插入后即可完成吊架的安裝，并將箱梁的內模及外側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已澆筑節段產生的附加內力，采用水箱的形式在兩側均勻配置配重，提前達到同步沉降目的，消除附加內力引起的梁體附加應力值，同時達到設計的線性控制。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，應先測量合龍段兩側高程，高差小于20 mm[6]，從而使得梁體平順均勻。

3.4 施工監控量測

裝配式托架結構一般用于高空作業，故在施工過程中應嚴格按照監控單位的要求進行測量點、傳感器以及控制點的埋設，同時提供其所需的各工況的量測數據。并選取豎向相對位移較大的觀測點作為監測點設變形監測報警值[6]。監測數據達到預警值時進行加強觀測，并注意檢查托架及吊架各部件連接情況，為施工保駕護航。

4 結語

本文采用爬錐體系代替了傳統的預埋鋼筋形式，以此作為承載基礎，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，降低傳統掛籃合龍方式引起的附加內力值，基本達到無應力合龍，減少了橋梁因施工產生的不利影響。

裝配式三角托架僅預埋件與傳統預埋鋼筋相比，承載力大大提高，大幅度減少了預埋件數量，節約了施工材料，爬錐預埋件施工簡單，與傳統工藝相比，施工效率高，支撐系統的可操作性、可控制性較強，施工成本低，簡化安拆工序，具有較好的經濟效益。同時該應用方案安全系數高，施工質量可靠，具備較好的應用價值，可為后續大跨徑連續剛構橋特別是高墩大跨徑連續剛構橋邊跨現澆段及合龍施工提供參考。