開州湖特大橋索塔節段鋼筋籠預制裝配式吊裝技術*

龍立敦，李少方，王朝國，廖萬輝

(貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550008)

0 引言

隨著我國基礎設施建設的高速發展，工業制造中的工廠化、模塊化、預制裝配式等理念被不斷引入到土木工程行業，土建施工正逐步向工業化、標準化邁進。2016年9月，國務院印發《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，其中明確提出力爭用10年時間使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%[1]。目前，在現澆鋼筋混凝土領域，混凝土生產和模板工程工業化、標準化得到較好發展，但占工程總成本達30%的鋼筋工程工廠化生產推動仍相對滯后[2]。得益于各類數控鋼筋成型機械設備的廣泛應用[3]，鋼筋工程的工廠化預制與模塊化安裝在房屋建筑、道路橋梁施工中正逐步得到應用推廣，成為解決當前勞動力成本不斷升高的有效途徑和必然措施[4-5]。

在高速公路及市政道路建設領域，懸索橋和斜拉橋索塔施工通常作為項目關鍵工作制約著項目建設的總工期和影響著施工總成本。在常規的安裝工藝下，鋼筋工程作業時間一般占索塔總施工時間的60%左右，且露天高空作業安全風險大，受惡劣天氣影響大，工期不可控[6]。目前國內多家橋梁建設單位探索實施的索塔鋼筋模塊化施工技術，如節段鋼筋籠整體吊裝技術[7]、“簾”式吊裝[8]、分片吊裝[9-10]與網片吊裝技術雖在一定程度上提高了工效，但難以實現工效與成本的均衡、安全與質量的兼顧。本文結合開州湖特大橋4號主塔施工具體實踐，研究了索塔節段鋼筋籠預制裝配式吊裝技術，實現在不顯著增加成本的前提下快速高質安全完成鋼筋安裝。

1 工程概況

1.1 工程簡介

開州湖特大橋是貴州“678”高速公路網第3橫江都高速公路甕安—開陽段控制性工程，位于甕開高速公路K35—K37段，全長1 257m，雙向4車道，設計速度80km/h，橋跨布置如圖1所示，為3×30m(現澆箱梁橋)+1 100m(單跨鋼桁梁懸索橋)+2×30m(預制T梁橋)，結合兩岸錨位處地形及地質條件，甕安岸采用重力錨，開陽岸采用隧道錨。

圖1 開州湖特大橋橋型布置(單位：cm)

1.2 樁基工程概況

4號主塔位于洛旺河開陽岸岸坡上，為由塔冠、下塔柱、上塔柱、下橫梁、上橫梁與牛腿組成的門式框架結構。塔柱總高141m，其中0～31m為變截面段，截面尺寸分別為7.74m×9.24m及6.5m×8m；31～141m為恒截面段，截面尺寸恒定為6.5m×8m(見圖2)。塔柱采用液壓爬模施工，結合液壓爬模模板高度設計，塔柱共劃分為26個節段(含塔冠)進行施工，標準節段高6m。主塔主筋采用HRB500級鋼筋，直徑為36mm，間距15cm，總量為1 350t，采用直螺紋套筒連接；箍筋采用HRB400級鋼筋，直徑為20mm，間距為10cm/15cm，總量449t，采用單面焊封閉成整體；其他各類水平筋合計109t。勁性骨架采用∟75×75×7及∟100×100×10，總量約300t，焊接連接。

圖2 開州湖特大橋4號主塔設計

2 鋼筋預制裝配式施工技術

2.1 技術原理

開州湖特大橋索塔鋼筋預制裝配式施工技術按“質量均衡”原則，以及鋼筋接頭錯開長度要求將完整的待施工塔柱節段鋼筋籠分解為4個分塊，利用設置在鋼筋加工廠內的預制臺座對各分塊按“父節+子節”、豎向“1+1”的原則進行高精度、高質量工廠化預制，后采用塔式起重機將各鋼筋籠分塊按序吊運至塔柱頂進行模塊化拼裝，完成豎向主筋的精確對接和鋼筋籠分塊間的快速組拼，形成完整的節段鋼筋籠。塔柱頂吊裝施工的同時，在鋼筋加工廠內，將“子節”鋼筋籠分塊作為下一節段鋼筋籠分塊的“父節”，進行下一節段鋼筋籠分塊預制，循環往復，直至索塔鋼筋籠吊裝施工完成。

2.2 技術流程

按上述總體原理，開州湖特大橋索塔節段鋼筋籠預制裝配式施工技術流程如圖3所示。

圖3 總體技術流程

2.3 主要設備與材料

索塔鋼筋預制裝配式施工技術無需大型塔式起重機等設備，成本較常規無明顯增加。該技術所需主要設備為：1座常規鋼筋加工廠，2臺TC7035型塔式起重機，1輛10t平板運輸車，A/B-300-1直/交流電焊機，6臺5t電動葫蘆。所需材料如表1所示。

表1 臺座與吊具材料

3 裝配式施工技術要點

3.1 工廠化預制

1)鋼筋籠分塊設計 按“質量均衡”原則，充分考慮勁性骨架設計、箍筋接頭錯開距離等參數，將完整的節段鋼筋籠整體分解為4個分塊。每個鋼筋籠分塊包含作為承重結構的勁性骨架、主筋、節段中部3.6m區段范圍內的箍筋、勾筋等水平筋(見圖4)；經統計，質量最大分塊含豎向主筋136根，鋼筋籠總重(含勁性骨架)8.83t。

圖4 鋼筋籠分塊設計

2)預制臺座設計 按塔柱傾斜斜率、鋼筋間距、直徑等設計參數，以及塔柱節段劃分、鋼筋籠分塊劃分等施工參數，采用型鋼進行鋼筋籠分塊預制臺座的設計與制作，使臺座坡度、鋼筋定位梳齒板定位槽間距等參數符合要求，使鋼筋籠加工成型后“天然”符合設計與規范要求；梳齒板定位槽寬度需比鋼筋直徑大6mm，避免起吊時與臺座干擾(見圖5)。

3)鋼筋籠分塊工廠化預制 將經鋼筋數控加工設備精確加工的主筋、箍筋等鋼筋半成品及勁性骨架角鋼按自下而上順序在預制臺座上進行組拼，按“父節+子節”，即上一節段鋼筋籠豎筋頂口位置為下一節段豎筋底口定位基準的思路，對節段鋼筋籠的4個分塊分別進行預制，循環往復，直至完成(見圖6)。

圖6 鋼筋籠工廠化預制

3.2 微變形運輸與姿態轉換

1)鋼筋籠分塊運輸 鋼筋籠分塊預制完成后，采用汽車式起重機或門式起重機水平起吊放置在平板運輸車上，運送至施工場地或存放場地。因鋼筋籠分塊柔性大，且寬度遠大于平板運輸車，為減少運輸過程中變形，需采用型鋼加工支架支墊方可進行運輸，確保運輸過程中受力均衡。

2)鋼筋籠分塊姿態轉換 鋼筋籠分塊吊裝工藝采用水平預制、豎直吊裝方式施工。因鋼筋籠分塊寬度與高度較大，而厚度較小，導致整體剛度不大。為避免鋼筋籠姿態轉換過程中產生不利變形，本工藝采用I20a型鋼設置旋轉支架，其一端設轉軸和臨時固定插銷，將鋼筋籠分塊水平放置于其上后，采用精軋螺紋鋼臨時固定牢固，后采用汽車式起重機輔助將支座及鋼筋籠分塊整體旋轉為豎立狀態并用插銷臨時固定，最后解除與支架臨時連接并采用塔式起重機調離至塔柱頂安裝。旋轉過程中，因與旋轉支架固結成整體，剛度較大，且鋼筋籠受力均衡，基本上不產生不利變形，保障了鋼筋籠對接施工便捷與質量(見圖7)。

圖7 鋼筋籠姿態轉換

3.3 模塊化吊裝

1)吊具設計 鋼筋籠分塊采用塔式起重機吊運至塔柱頂作業面進行對接與組拼，為精準對接，吊裝過程中需對鋼筋籠空中姿態進行精確微調。為實現高效吊裝，吊具設計時根據鋼筋籠分塊外形參數、鋼筋分布，初步計算鋼筋籠重心，并據此設計吊索長度，使吊索合力中心線盡量通過或接近鋼筋籠重心；此外，吊具與鋼筋籠間通過電動葫蘆進行連接，通過“吊繩長度控制+電動葫蘆”實現在無外部輔助設備的情況下，快速完成對鋼筋籠分塊空中姿勢的調整，確保與已施工節段主筋的高效便捷對接、鋼筋籠分塊間箍筋的準確連接(見圖8)。

圖8 吊具設計

2)吊裝受力計算 本技術以勁性骨架作為吊裝過程中的承重構件，為使吊裝過程中鋼筋籠受力均衡，減少不利變形產生，鋼筋籠吊裝時共設置6個吊耳，并按吊具電動葫蘆間相對位置，將吊耳居中對稱設置在鋼筋籠勁性骨架的上水平桿上。為保證吊裝施工的可行性和吊點布置的合理性，本文采用SAP2000對鋼筋籠分塊起吊過程中的吊具及鋼筋籠分塊的應力比及變形進行模擬計算，結果顯示，吊具最大綜合應力比為0.667，節點最大位移為0.675mm，鋼筋籠勁性骨架桿件最大綜合應力比為0.838，鋼筋端頭最大空間位移為8.19mm，位移以豎向為主。因此，吊裝過程中變形與受力滿足要求。

3)吊裝控制關鍵點 吊裝時，為避免分塊間箍筋的干擾，吊裝順序為先縱橋向分塊后橫橋向分塊，鋼筋籠姿態調整完成后，縱橋向分塊由上往下緩慢下放，橫橋向分塊由兩側往內水平移動；吊裝過程中先利用吊具將分塊姿態調整至與設計一致，然后進行勁性骨架焊接連接，主筋間隔5根先連接1根基準鋼筋，當鋼筋籠分塊可自穩后，吊具即可解除與鋼筋籠連接，繼續吊裝下一分塊，并適時進行箍筋連接及端頭區段剩余水平筋安裝工作，實現各工序間的流水作業，提高吊裝效率。

4 施工質量控制

1)過渡節段施工質量控制 當索塔非標節段采用常規工藝施工時，與吊裝施工節段相接的節段即為過渡節段。該節段施工時，必須對主筋間距、頂口標高進行嚴格控制，施工過程中采用梳齒板等工具進行精確控制，確保鋼筋間距、接頭錯開距離符合設計要求，且鋼筋頂口標高齊平，并對鋼筋頂口的空間坐標進行精確測量，在鋼筋籠預制臺座上精確放樣，并據此預制第1個吊裝節段鋼筋籠，確保吊裝施工第1節段與過渡節段鋼筋的連接質量；接頭連接時如出現無法對位連接或鋼筋端頭未頂緊間隙過大情況，采用幫條焊進行加強。

2)鋼筋接頭質量控制 主筋采用12m線材下料，每根長度6m，相鄰鋼筋接頭錯開1.3m，主筋一半超出施工縫0.5m，另一半超出1.8m。鋼筋全部采用套筒連接，對接絲頭采用全絲對半絲的方式匹配加工。為保證對接質量，鋼筋需按要求嚴格控制下料長度，箍筋采用數控彎曲機進行彎制，確保加工質量；鋼筋籠箍筋、勾筋等僅安裝中間3.6m內區段，使主筋端頭有一定柔性，便于對接；采用加長型套筒，較常規加長2cm，防止鋼筋籠吊裝過程中微小變形致接頭有效絲數不足而導致接頭強度質量隱患，本項目中經實測，鋼筋端頭最大空隙為2mm，接頭抽樣檢測均為I級接頭。

3)鋼筋籠分塊運輸質量控制 鋼筋籠分塊運輸過程中，采用汽車式起重機或門式起重機進行吊放時，需緩慢分階段進行，下放前先暫停、靜置，待鋼筋節段穩定后緩慢下放(人力輔助進行調整)；下放至距離支架或臺座10cm時，再次檢查鋼筋籠分塊的平面位置、測量四角與支架或臺座的距離，確保平面位置偏差≤2cm，四角高差≤2cm，后緩慢下放至臺座上，待全部各點與臺座接觸后松鉤、卸扣，確保受力均衡。

5 結語

開州湖特大橋索塔節段鋼筋籠預制裝配式吊裝技術的實施，將塔柱頂的鋼筋作業時間降低至18h以內，同時將大部分塔柱頂室外高空作業轉入地面室內作業，極大地縮短高空作業時間，降低安全風險，減小極端惡劣天氣的影響，使工期可控，工廠化的預制也使鋼筋籠分塊的加工質量得到提升，實現了成本與工效的均衡、質量與安全的兼顧。