三角托架结合挂篮一体化设计施工墩顶0号和1号块关键技术研究

三角托架结合挂篮一体化设计施工墩顶0号和1号块关键技术研究
摘要：高墩大跨连续刚构桥墩顶0号块是悬臂节段施工的最初作业平台，其施工控制着全桥的进展和安全质量。

结合源头水库特大桥工程实例，详细介绍主桥0号和1号块三角托架利用部分挂篮构件进行一体化设计和施工的技术。

根据MIDAS/Civil建模计算和现场实际应用结果证明，主桥0号和1号块托架施工方法达到了预期效果，并且具有施工科学、原理简单、操作简便，临时材料周转率高、施工成本低、施工时间短、工作效率高、安全可靠等优点。

关键词：高墩连续刚构;0号和1号块;托架;挂篮;一体化设计;
1 工程概况
源头水库特大桥桩号为K17+841～K18+469,中心桩号为K18+155,桥面净宽为2×11.4 m, 孔跨布置为2×30 m+90 m+2×160 m+90 m+2×30 m, 桥梁总长为628 m。

墩身宽面与梁底同宽为6.5 m, 窄面宽度为6.0 m, 主墩平均墩高为55.2 m, 下接承台、桩基础，如图1所示。

主桥为预应力混凝土四跨连续刚构，箱梁结构采用变截面单箱单室直腹板形式。

箱梁的顶板和底板宽度分别为12.4 m和6.5 m。

墩顶处和跨中的梁高分别为9.4 m和3.8 m, 分别为跨径的1/17.021和1/42.105,呈现1.8次抛物线变化。

0号块纵桥向长9 m, 梁高由9.4 m 变化至9.203 m, 腹板厚度由1 m变化至0.8 m; 1号块单肢纵桥向长2.5 m, 梁高由9.203 m变化至8.881 m, 腹板厚度为0.8 m。

0号块和1号块箱梁结构如图2所示。

2 托架系统设计
2.1三角托架选型
0号、1号块施工支架是其施工的承重结构和作业平台。

此类施工支架又分为落地支架和悬臂式三角托架两种，落地支架法适用于低墩，
悬臂式三角托架法适用于高墩。

本桥墩身高达55.2 m, 采用落地支架法既不经济也不安全，因此研究决定采用悬臂式三角托架法。

悬臂式三角托架主要包括刚接和铰接两种结构形式。

刚接是通过焊接来连接托架的各杆件以及墩旁预埋件和主构架，较大的刚度是其优点；但基于其连接的方法，会有较长时间的高空作业，且难以保证焊接作业的质量，对于施工安全的保障也不够。

铰接是通过销轴来连接托架各杆件以及主构架和墩旁预埋件，高空作业时间短，其操作简单，效率较高；但这种结构对加工精度要求较严格，工厂制作后需要进行预拼装，以确保不同构件销孔间的匹配性。

源头水库特大桥主桥0号、1号块三角托架结构形式采用的是铰接法三角托架，这是在考虑了多方面的因素之后决定的，具体因素包括施工的环境、成本和工期，还有桥梁的墩高和结构形式等。

2.2托架构造设计
梁顶挂篮拼装空间最少要13 m长。

0号块长度为9 m, 明显不足，因此需要在托架上进行0号和1号块的施工作业，这样可形成14 m长空间，满足挂篮拼装空间要求。

2.2.1设计研究思路
0号、1号块都是预应力结构，它们的混凝土方量分别是318.6 m3和64.6 m3(单肢)。

对于0号块，墩顶正上方混凝土荷载可认为由墩身承受，墩身正上方对应的混凝土量为226.5 m3,单肢托架承受的混凝土量为46.05 m3。

设计时考虑控制托架结构应力和变形，以保证0号和1号块的施工安全和质量。

图1 主墩墩身结构
图2 0号和1号块箱梁构造
在进行0号和1号块楔形底模架的设计时，有挂篮底模法、钢排架底模法和满堂支架底模法等3种形式选择。

在保证强度、刚度和稳定性均能达标的基础上，对3种形式展开研究对比，结果见表1。

研究结果表明，采用挂篮底模法作为楔形底模架更合适，该支架是一种三角托架结合挂篮底模系统的一体化设计方案，具有构造简单、设计合理、施工安全可靠、施工质量和精度有保证、节省工期、周转率极高和造价低等优点。

表1 0号和1号块楔形底模架设计形式研究对比(以单个T构为例)
序号类
别
项
目
挂篮底模钢排架底模满堂支架底模备注
1其
他
施
工
方
法
利用挂篮底模系统
作为托架底模
利用型钢材料制作
楔形排架后铺设面
板
小钢管搭设满堂支架
后铺设面板
2主
要
设
备塔吊、电焊机、切
割机
同左同左
3施
工
质
量结构刚度较大，能
够保证质量
结构会有较大的变
形，质量次于挂篮
底模
结构变形较大，质量
不如挂篮与钢排架底
模
4安
全
性
能专业厂家制作，现
场安装主要采用塔
吊，能够保证安全
现场安装主要采用
塔吊，能够保证安
全
现场安装以人工为
主，塔吊为辅，高空
作业时间较前二者更
长，安全性能没有前
二者高
5周
转
率1004040可周
转部
分，
不考
虑材
/%料费
6用
钢
量
/t 18.77.9 1.1只计
楔形
底模
架部
分
7施
工
工
效
平
均
一
个
T
构
占
据
关
键
线
路
的
施
工
周
期
托架安装3 d, 钢
垫梁安装2 d, 卸
荷块安装0.5 d, 挂
篮底模系统安装 2
d, 面板铺设0.5 d,
卸荷块脱模0.5 d,
卸荷块及钢垫梁拆
除1.5 d, 挂篮底
模前移就位2 d, 合
计12 d
托架安装3 d, 分配
梁安装2 d, 脱模木
楔子安装1.5 d, 钢
排架安装2 d, 面板
铺设0.5 d, 木楔子
打出卸荷2 d, 面板
拆除0.5 d, 钢排架
拆除3 d, 分配梁拆
除1.5 d, 挂篮底模
系统安装3 d, 合计
19 d
托架安装3 d, 分配
梁安装2 d, 满堂支
架搭设4 d, 面板铺
设0.5d, 小钢管螺旋
脱模1 d, 面板拆除
0.5 d, 满堂支架拆除
3 d, 分配梁拆除1.5
d, 挂篮底模系统安装
3 d, 合计18.5 d
8优
劣
性利用挂篮底模系统
作为托架底模，并
在0号、1号块施
工完成后，整体滑
移就位挂篮安装位
置，托架底模和挂
需要拆除托架底
模，再进行挂篮底
模的安装，高空作
业时间长，施工工
效低
需要拆除托架底模，
再进行挂篮底模的安
装，高空作业时间
长，施工工效低
篮底模共用并且中间不拆除，高空作业时间短，施工工效高
9经
济
性
能
安
装
劳
务
费
/
元
12×8×50019×8×50018.5×8×500包括
人
工、
小型
机具
及材
料等
10机
械
费
/
元(36 000+9
000×2)/30×12
(36 000+9
000×2)/30×19
(36 000+9
000×2)/30×18.5
11型
钢
材
料
费
/
元0(5 000-2
500)×7.9×(1-
40%)
(5 000-2
500)×1.1×(1-40%)
材料
费
=(采
购价-
售卖
价)×
用钢
量
×(1-
周转
率)
12构
件
制
作
费
/
元07.9×2 500 1.1×500挂篮
底模
制作
费属
于挂
篮部
分，
在此
不计
13工
人
后
勤
保
障
费
用
/
元
12×8×2019×8×2018.5×8×20
14综
合
费
用
/
元
83 520163 840130 960
周转挂篮材料，无需新加工，成本需自制钢排架，成
本高；托架底模安
需搭设满堂支架，成
本较高；托架底模安
15优
缺
点低；托架底模安装
后无需拆除，节约
工期
装后需拆除再安装
挂篮底模，工作周
期长
装后需拆除再安装挂
篮底模，工作周期长
源头水库特大桥主桥共有6个主墩，左、右幅两个主墩共用1台塔吊，根据表1,总工期最少可节省(18.5-12)×6=39 d, 经济成本最少可节约(130 960-83 520)×6=284 640元。

2.2.2构造体系组成
(1)预埋件设计。

顺桥向(墩身宽面)采用
16 mm和20 mm厚q235b钢板焊接组
合，形成耳板外露混凝土面的主托架预埋件。

利用精轧螺纹钢进行各组相对预埋件的对拉，以此传递托架的水平分力。

每个预埋件耳板埋入混凝土部分均打孔12个，在其中穿入12根50 cm长HRB400ϕ25 mm螺纹钢。

预埋件设计如图3所示。

图3 顺桥向墩身宽面主托架预埋件构造
横桥向(墩身窄面)采用20 mm厚q235b钢板和HRB400ϕ20 mm 锚筋焊接组合形成门形锚筋边托架预埋件，利用支撑板、垫板、三角板和预埋件组合焊接形成牛腿结构。

预埋件设计如图4和图5所示。

图4 横桥向墩身窄面边托架上部预埋件构造
(2)三角托架及模板系统设计
在顺桥向墩身两侧分别布设4道主三角托架。

主托架利用双拼C40b槽钢作为水平杆，双拼C36b槽钢作为斜撑杆。

每根水平杆的中部设置1根竖杆与斜撑杆中部相接，以此减小压杆的自由受压长度。

主托架斜撑杆、水平杆和竖杆之间的连接为销接，主构架与墩旁预埋件的连接也是销接。

每侧主托架横向通过3道C20b槽钢平联连接成整体，加强整体稳定性。

底模架采用挂篮底模纵横梁及挂篮底模面板，挂篮底模与墩身净距5 cm。

根据挂篮底模前后横梁的间距来设计主托架销轴的位置，以保证支点和主托架水平杆前后销轴位置基本重合，达到传力明确的目的。

按照0号块悬臂起点至1号块悬臂终点形成的底板纵坡，设计主托架支点钢垫梁高度。

钢垫梁采用三拼I56b工字钢和三拼I36b工字钢组成，在钢垫梁顶面设置由钢板和精轧螺纹钢组成的卸荷块。

由于在浇筑1号块混凝土时产生的水平推力会影响主托架外侧支点卸荷块及钢垫梁的水平方向稳定性，因此在钢垫梁顶部设置C20b槽钢斜拉于主托架水平杆上，在卸荷块远离箱梁方向设置限位板，相关构件间再辅以点焊，以此确保卸荷块及钢垫梁的稳定。

图5 横桥向墩身窄面边托架下部预埋件构造
在横桥向墩身两侧分别布设2道边三角托架，边托架利用I25b工字钢作为水平杆和斜撑杆。

设置1根I12工字钢竖杆将水平杆与斜撑杆中部相接，边托架斜撑杆、水平杆和竖杆之间的连接为焊接，边构架与墩旁预埋件牛腿的连接也是焊接。

在墩身每侧2道边托架上铺设2根双拼C28b槽钢纵梁，纵梁支撑钢侧模。

侧模的脱模通过位于纵梁与侧模支撑架横杆间的工字钢卸荷块实现。

主、边托架和钢外侧模设计如图6所示。

2.3结构计算分析
主桥0号、1号块三角托架结构计算，采用有限元程序MIDAS/Civil2020进行模拟。

2.3.1荷载
在顺桥向，0号块6 m长墩顶重量由墩柱承担，0号块1.5 m长悬臂重量和1号块2.5 m长悬臂重量均由托架承受。

软件模拟计算时将0号、1号块一次整体浇筑模拟为最不利工况(实际因0号块顶板悬臂端面设计有纵向预应力张拉锚固，所以必须在0号块施工完成后才能进行1号块施工)。

荷载统计：
(1)托架系统自重，软件自动取值为-1;
(2)机具和人员，施加-1 kN/m2的均布荷载；
(3)施工荷载，施加-2 kN/m2的均布荷载；
(4)混凝土荷载，施加板单元荷载，混凝土重度以26 kN/m3为计算依据。

图6 主、边托架和钢外侧模构造
荷载组合：
按照承载能力极限状态计算，结构重要性系数取0.9,荷载组合分应力荷载组合和位移荷载组合，荷载按照最不利荷载考虑，具体荷载组合系数见表2。

表2 荷载组合系数统计
序号类别荷载分类
托架系统自重机具和人员施工荷载混凝土荷载
-1 kN/m3-1 kN/m2-2 kN/m226 kN/m3
1应力组合 1.2×0.9 1.4×0.9 1.4×0.9 1.4×0.9
2位移组合 1.0 1.0 1.0 1.0
荷载传力过程：
0号、1号块的混凝土湿重及模板等荷载的传力路径如下：一方面路径是底模→挂篮底模纵横梁→卸荷块→钢垫梁→主托架→主托架预埋件→墩身；另一方面路径是外侧模→侧模垫梁→边托架/钢垫梁→边托架预埋件/(主托架→主托架预埋件)→墩身。

2.3.2受力验算
由有限元程序MIDAS/Civil建立的0号、1号块托架结构计算模型如图7所示。

软件计算结果见表3。

图7 三角托架系统计算模型
根据模型结果对主托架斜撑杆和边托架斜撑杆分别进行压杆稳定计算，主托架斜撑杆稳定应力δ=40.1 MPa<215 MPa, 边托架斜撑杆稳定应力δ=48 MPa<215 MPa。

综上所述，托架结构各构件都满足规范标准的要求。

3 托架系统制安
3.1托架预埋件施工
墩身施工时预埋托架预埋件，对预埋件耳板位置的墩柱外模板做切割处理，埋入混凝土部分与墩身钢筋焊接成整体，以防偏位。

主托架下层受压预埋件每组采用2根精轧螺纹钢对拉，安装时直接与混凝土锚固，后期不张拉。

其中，位于墩柱空心段的精轧螺纹钢会影响内模的提升，故采用三段式安装精轧螺纹钢，中间段在模板提升后安装，每段之间采用连接器连接牢固，这样避免了在内模上沿精轧螺纹钢位置以下全部开洞的麻烦，如图8所示。

表3 模型软件计算结果
序号构件材料最大组合应
力/
最大剪应力
/MPa
应力许用
值/MPa
位移
/mm
位移许用值
/mm
安
全
性
1挂篮
底模
纵梁I32b、I40b工
字钢
187/26.8215/12513.9 5
800/400=14.5
安
全
2挂篮
底模
横梁双拼I40b工
字钢
115.2/41.3215/1257 6 000/400=15安
全
3钢垫
梁三拼I56b、三
拼I36b工字
钢
31/1.7215/1253 6 000/400=15安
全
4主托
架双拼C40b槽
钢、双拼C36b
槽钢
100.7/80.2215/1254 4
500/400=11.3
安
全
5主托钢板组合件136/110.2215/125——安
架预
埋件
全
6侧模
垫梁双拼C28b槽
钢
170.2/23.8215/12511.7 5
800/400=14.5
安
全
7边托
架I25b工字钢、
I12工字钢
130.8/48.9215/125 1.4 1
350/400=3.4
安
全
图8 墩柱空心段托架预埋件精轧螺纹钢安装
主托架上层受拉预埋件每组采用4根精轧螺纹钢对拉，精轧螺纹钢埋入混凝土部分采用外包小钢管预留张拉孔道。

在托架安装前，对精轧螺纹钢施加10 t的预拉力，使得螺栓锚固牢靠，精轧螺纹钢由松弛变紧绷，托架受力后可减少精轧螺纹钢的伸长量，如图9所示。

图9 墩柱托架受拉预埋件安装
每个预埋件耳板横穿12根50 cm长HRB400ϕ25 mm螺纹钢锚筋，将锚筋与墩柱钢筋焊接固定，防止偏位、跑位。

预埋件耳板靠近混凝土部分上、下各设置4层ϕ12 mm防裂钢筋网片。

在托架拆除后，对预埋件耳板进行切割处理，用与墩柱设计强度相同的混凝土填补空洞后，对受拉预埋件精轧螺纹钢进行放张拔出，再对张拉预留孔道进行压浆封堵。

3.2三角主构架及其他构件制作安装
安装托架前，先复核墩身预埋件空间位置，看是否有在混凝土浇筑过程中预埋件偏位的情况。

托架在工厂加工完成并验收合格后运输到指定墩位。

托架采用单片组拼后整体安装，安装顺序为横桥向从左向右，顺桥向前后对称安装。

钢垫梁采用多组三拼工字钢组成，每组工字钢在地面上组拼完成后整体吊装。

卸荷块安装位置应与托架销轴、挂篮底模横梁中心位置基本重合。

挂篮底模系统严格按照挂篮设计图纸安装。

箱梁外侧模采用桁架结构的大块组合钢模板，内模采用现场自制木模。

现场安装工作如图10和图11所示。

图10 托架系统现场安装1
图11 托架系统现场安装2
3.3侧模滑移
外侧模单肢单边为2块，每块5 m长，0号和1号块总长度为14 m。

按照传统“填板法”方式，在箱梁单肢单边安装3块模板，总长
度为15 m, 但是此种方式投资大。

经比较选择，在0号块施工完成后，将每块外侧模向外滑移2.5 m, 以满足施工1号块的长度需要。

滑移时，将手拉葫芦固定在模板下部与侧模垫梁之间拖拉模板。

为使滑移顺利，外模桁架底横杆与侧模垫梁之间安装角钢，尖面朝上并涂抹黄油，以减少滑移摩擦阻力。

实践证明，此种方式不仅造价低，而且操作简单、工效高。

4 挂篮拼装
悬臂1号块纵向预应力张拉后，开始挂篮三角主构架的安装。

利用手拉葫芦将挂篮底模系统固定在挂篮前的上横梁与箱梁翼缘板上，拆除托架以上的钢垫梁等，然后利用手拉葫芦先将挂篮底模系统放平，再利用手拉葫芦将其前移至挂篮安装位置，前移就位后利用精轧螺纹钢吊杆进行底模系统锁定。

挂篮三角主构架安装完成后，安装外滑梁，外侧模通过外滑梁前移就位施工2号块。

5 注意事项
(1)托架挂篮底模系统安装完后，要及时做好托架平台的临边防护，及时安装护栏。

护栏外侧满挂镀锌铁丝网，防止人员坠落。

(2)安装和拆除外侧模时，要在模板上拴缆风绳，防止模板在吊装过程中因摆动过大而碰撞托架。

(3)安装托架与预埋件之间的销轴时，销轴要插限位销。

安装完托架，要及时检查验收，不满足规范要求的托架不允许使用。

(4)托架预埋件和卸荷块使用的对拉精轧螺纹钢，应使用扭矩扳手锁紧。

(5)卸荷块和钢垫梁应采取点焊、限位钢板和槽钢斜拉等限位措施，增加其抗倾覆能力。

(6)侧模滑移时，手拉葫芦牵引动力在模板下方，手拉葫芦的倾斜角度尽量小，并在单肢单边模板上方利用手拉葫芦和钢丝绳控制模板的稳定性和垂直度，以防模板倾覆。

6 结语
(1)托架各主要构件之间全部采用销轴连接，需要高空焊接的构件少，高空作业进程更快，施工的质量和精度能够保证。

这是因为其构件的制作与预拼装是由专业工厂完成的。

(2)托架底模系采用结合挂篮底模系统的一体化设计方式，使得临时结构更多地使用周转材料，材料周转得更快，减少了施工成本，施工时间更短。

(3)从0号块到1号块施工，外侧模采用滑移法就位，相对传统的填板法，不仅施工成本低，而且施工方便，工期可控。

该施工方案的结构计算结果及现场成功应用，证明了该托架安全可靠，社会、经济效益高，能够为同类型的结构施工提供有效的借鉴。

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