装配化模具在节段预制拼装连续刚构桥中的应用

王 勇 刘 泽 何开伟

（中铁二局集团有限公司，610032，成都∥第一作者，教授级高级工程师）

节段预制拼装造桥技术一般是指以纵向为主进行分段预制和拼装的造桥技术，是将桥梁的梁体沿纵向划分为节段，在工厂预制后运输至桥位进行桥位组拼，即先“化整为零”后“化零为整”，并施加预应力使之成为整体结构物的一种桥梁建造方法。由于工艺要求，其梁体截面一般采用箱形梁，国外也见槽形梁形式。节段预制拼装造桥技术本质上和常规悬臂分段浇筑、节段预制顶推一样，是分段建造桥梁的一种，在原理上是由预应力结构、箱梁设计和分段施工法综合而成［1］。预制节段拼装工法在国外较普及，法国工程师E·弗莱西奈在1945—1948年采用预制节段施工方法建造了5座桥梁，之后逐步在欧美、东南亚广泛应用。桥梁预制节段拼装技术在中国内地起步较晚，随着预制节段拼装施工技术、体外预应力技术和先进架桥设备技术的完善，我国预制节段拼装施工技术得到了创新发展，2001年浏河大桥体外预应力混凝土简支梁桥采用预制节段拼装施工工艺取得成功［2］，随后，上海长江大桥引桥、广州地铁、东莞市城市快速轨道交通等项目陆续采用节段预制拼装施工工艺［3］。我国在连续刚构桥节段预制和拼装模具装配化设计和施工方面的创新偏少，本文介绍了结合工程实践研发的节段预制装配化模具、线形监控软件、连续刚构节段拼装装配式模具等新技术和新工艺，供类似工程参考和借鉴。

1 工程概况

广州地铁14号线一期施工3标土建工程高架区间位于广州市从化区太平镇、街口镇，高架桥全长5.8 km。其中采用预制节段梁拼装法施工39联，共113跨，最大跨度40 m，桥梁跨度通过标准节段数量和墩顶现浇0#块长度进行调节。全桥共有12种跨径组合，包括2× 25 m、2× 30 m、2× 38 m、3× 36 m、3× 38 m、3× 40 m、4× 36 m、4× 38 m、38 m+40 m+38 m、37 m+36 m+36 m、37 m+3 m ×38 m、38 m+3 m×40 m共12种跨径组合的连续刚构，连续刚构桥梁两跨一联共10联，三跨一联共23联，四跨一联共6联。连续刚构每联中墩墩顶为现浇梁段，边墩墩顶为预制梁段，预制梁段与墩顶现浇0#块间预留20 cm宽浇湿接缝。节段拼装连续钢构桥见图1。

将连续刚构节段拼装桥梁划分为短节段箱梁预制，运输至现场，采用架桥机拼装架设并完成预应力张拉成整跨梁；然后将整跨梁置于临时支墩上，待整联简支梁施工完成后，通过通长预应力束张拉和混凝土后浇使多跨简支梁与墩顶现浇0#块同桥墩连接，形成整联连续刚构梁。

图1 节段拼装连续刚构桥

2 节段预制装配式模具

2.1 节段预制模具

节段梁分为标准、过渡、端节段3种类型。标准节段梁长2.6 m，重36.5 t，截面型式为单箱单室，梁高2 m，梁底宽度2.4 m，顶板宽度10 m，顶板厚0.25～0.55 m，底板厚0.3～0.6 m，腹板厚0.3～0.6 m。每孔梁设4个过渡节段，长2.4 m，重44.0～47.2 t。端头节段长2.4 m，横隔板与边墩等厚，内设后浇混凝土与边墩固接，重41.2 t。节段梁最大节段重49 t，最大跨梁重606 t。

根据短线法节段匹配预制原理、线形控制精度、工程进度要求和模板使用功能、安拆需要，结合梁场生产线布置，配置7套模板，与制梁单元按1:1配置。研制的装配式预制模板由固定端模、底模、外侧模、内模及其滑动支架、底模台车和液压控制系统6部分组成。经方案比选，兼顾经济合理、简单适用原则，配标准节段内模4套、过渡节段内模2套、端节段内模2套。

底模小车液压系统由液压泵站、控制阀组、4个竖向垂直油缸、2个水平油缸等组成，通过4个竖向垂直油缸、2个水平油缸实现底模平台三维的动态定位调节。内模调节液压系统由液压泵站、控制阀组、左右各2组竖向垂直油缸、左右2组下角旋转油缸、左右2组上角旋转油缸等组成，通过这几组油缸实现内模的伸缩就位等动态定位调节。节段预制模板系统见图2。

图2 节段预制模板系统

2.2 节段钢筋制作和定位模具

节段钢筋笼重约3.5 t，接触网立柱及端梁钢筋密集，预埋件多，梁顶预埋竖向吊孔、临时张拉孔多达48个，腹板、底板有波纹管14条，中部疏散平台立柱预埋螺栓多达12条。快速、精确地绑扎钢筋笼以及整体吊装钢筋笼并确保不变形是2大难题。开发的型钢组合设计专用胎架，通过设U型定位卡、预埋筋和定型定位支架确保波纹管和预埋件位置准确，将顶板支撑槽钢设置为可抽动形式，设计多点吊具吊装钢筋笼。研发的定位架操作方便，使预留孔定位牢固、准确，有效防止了抽拔管发生位移，避免了预留孔位置误差超标，采用普通材料，加工制作成本低，可重复使用。节段预制装配化模具见图3。

2.3 装配式测量塔

节段预制线形监控是箱梁节段预制的关键环节，而线形监控的基础是一套稳定、高精度、简单适用的坐标控制系统。传统的平面、高程控制系统不能满足上述特殊要求，为此设计了一种满足上述要求的测量塔。节段预制线形监控测量塔主要包括测量塔基础、立柱、支架、观测平台、人行扶梯、顶部雨棚和强制对中基座，构件采用装配式结构，便于安装和拆除。测量塔基础采用14 m长φ 400 mm钢管通过静压入土形成，外露4.5 m，埋深9.5 m；制梁单元中轴线与前后测量塔基点连线重合，钢管内浇筑C30混凝土，顶部预埋强制对中基座代替传统脚架，全站仪与基座采用螺母连接。测量塔强制对中和预制台座控制系统共同组成线形监控控制系统，其同一轴线上的两个测量塔互为目标塔，测量塔同时也是采集平面控制数据的观测平台。装配式测量塔见图4。

图3 节段预制装配化模具

图4 装配式测量塔

3 临时支墩装配化设计

针对节段拼装连续刚构桥临时支墩特点，设计了装配化的临时支墩。临时支墩结构由钢管支撑立柱、连接桁架、丝杆支撑顶托、分配梁、支座砂箱装配组合而成，其中边支墩顶端增设2 m节的托架结构，用于架桥机架设边跨及纵移过跨时支撑前支腿、前承重支腿。每个桥墩位置通过2排4组立柱形成框架式主体结构，连接桁架将4组立柱连接形成整体，丝杆顶托支撑于墩身进行加固；分配梁安装于立柱顶端，用于分配桥梁支撑力和架桥机支腿站位；支座砂箱作为桥梁的4个支撑点，根据节段梁梁底横向尺寸安装于分配梁上；整跨节段梁落梁在临时支墩上后，可采取掏出支座砂箱内细砂的方式降低桥梁高度，在分配梁处安装500 t液压千斤顶顶升桥梁高度，以调整桥梁标高、控制线性。临时支墩见图1。

3.1 临时支墩设计

临时支墩立柱采用薄壁空心钢管，钢管直径820 mm，壁厚12 mm，采用Q235钢。计算采用最高墩身21 m，最大跨度为40 m边跨作为荷载进行设计和检算。架桥机在架设交接墩时，由于墩身无支点，架桥机架梁状态所有荷载均由临时支墩支撑。根据文献[4]计算临时支墩支撑所承受的荷载，并进行强度计算和压杆稳定性计算。计算结果表明，强度符合要求；压杆满足稳定性要求，若考虑偏载，偏载在10%范围内，稳定性也可满足要求。

3.2 托架设计

当架桥机完成连续梁中跨架设，向边墩走行时，架桥机2#支腿无支撑位置，故需在支架上设计托架，用于1#支腿支撑倒换至2#支腿。托架纵梁采用300 mm×250 mm×6 mm×8 mm H型钢，斜撑采用32双槽钢并深入立柱内对此立柱做特殊加固处理，分配梁采用支撑混凝土整跨桥的分配梁所构成的三角支撑托架型式。为提高抗倾覆性，该托架与墩身采用抱箍形式并通过机械千斤顶与桥墩刚性支撑，连接使用8.8级M24×50高强螺栓。架桥机与托架位置关系见图5。

图5 架桥机和托架位置关系图

3.3 墩顶现浇0#块装配式支架

连续刚构节段拼装中墩顶0#块现浇数量大，为此设计了墩顶现浇梁0#块装配式承重支架体系，由装配式型钢支架立柱、立柱连接系、双拼槽钢、千斤顶等4大部分组成。立柱分顶节、标准节和调节3种，采用钢管桁架立柱、分体式设计，左右幅均由4个立柱，水平方向通过螺栓组装成一个“临时结构体”，左右“临时结构体”通过后装连接系形成一个“拼装单元”，“拼装单元”竖向通过高强螺栓拼接形成支架体系。与传统满堂支架相比，该支架全部支撑于承台上，只需安拆“拼装单元”螺栓及连接系螺栓即可实现整体快速吊装，流水化作业。同时，通过调节千斤顶，可快速、精准调整标高，确保墩顶块施工质量，具有稳定性强、安拆方便、调节精度高、可重复倒用等优点，对矮墩（25 m内）箱型墩顶梁段具有较好的适用性。现浇墩顶0#块装配式支架见图6。

图6 现浇墩顶0#快装配式支架

3.4 墩柱施工装配式辅助平台体系

目前桥梁墩柱钢筋绑扎、模板安拆等辅助施工平台一般采用扣件式双排钢管支撑体系，存在倒用次数多、现场安装不规范、检查验收工序频繁等问题。针对上述问题研究设计定型装配式结构，该结构由多个高1.55 m“标准单元”竖向拼接而成，相邻“标准单元”骨架竖向通过高强螺栓连接。每个“标准单元”骨架均由钢管、连接系、防护网、爬梯、操作平台等5个小件组成，每个小件由工厂统一生产，现场组拼而成，实现设计安装标准化。装配式辅助平台系统见图7。

4 节段拼装装配式模具

节段拼装连续刚构桥墩柱和0#块为现浇，节段梁在预制场集中预制，验收合格后运输至现场吊装，节段拼装采用高位张拉、低位落梁施工技术；架桥机天车从两侧端梁向中间标准节段方向起吊、悬挂；首片端节段梁需利用天车调平液压缸将端梁的纵向、横向均调为水平悬挂状态，后续梁体以此匹配对位；高位张拉后落梁，现浇湿接缝，完成体系转换，最后施作两侧挡板和桥面系。

图7 装配式辅助平台系统

4.1 节段拼装架桥机选型设计

节段拼装架桥机按桥型设计采用的拼装工艺分为逐跨拼装法和对称悬拼法；按整机支撑受力方式分为上行式和下行式2种类型；按过跨模式不同分为一次走行到位与分部走行（即两跨和一跨半模式）。

4.1.1 架桥机的选型设计应考虑的主要因素

（1）满足不同跨度的节段拼装高位张拉、整孔落梁施工工艺要求；

（2）能适应预制节段在架桥机下方及后方等喂梁拼装方式；

（3）起重天车起吊能力和架桥机整机承载质量满足要求，兼具通用性；

（4）支腿能满足通过既有现浇桥梁的要求，能满足不同类型桥墩、墩顶现浇0#块的要求，能满足在临时支墩上稳定支撑的要求；

（5）能满足跨既有线等限高要求；

（6）具有良好的整体稳定性和适应性；

（7）拼装架设安全高效。

4.1.2 本工程研制的架桥机特点

根据本工程设计特点及现场施工条件，选用上行式、逐跨拼装法、大行程油缸整体落梁、一跨半式过跨结构模式，满足40 m跨700 t预制箱梁节段拼装要求。该节段拼装架桥机设计特点：①采用大行程油缸整体落梁装置；②后支腿采用“O”形结构形式，尾部取梁时节段混凝土梁采用顺序吊运拼装；③架桥机总高可以满足安全通过既有桥梁、高压线等限高物；④走行和架梁均通过支腿油缸调节架桥机坡度；⑤一跨半式结构，后支腿驱动减速机走行；⑥起重天车采用遥控操作全变频PLC（可编程逻辑控制器）控制技术；⑦前后支腿结构设计能满足可靠支撑在预先搭设好的各类临时支墩上；⑧整机可兼容25～40 m跨700 t预制节段拼装桥梁施工，便于常规设计跨度工程兼容使用。架桥机见图1。

（1）创新设计了高效落梁装置：一是将8个行程为0.15 m的落梁油缸优化为4个行程为1.2 m的大行程落梁油缸，并在油缸两侧备有螺旋保护丝杆；整孔箱梁落梁时，可缩短换油缸行程时间，减少4人操作，既安全，又提高工效。二是在60 t起重天车两侧增设液压顶升油缸，用于顶升、脱空落梁装置，同时在落梁装置底座设置4点驮运机构，用于起重天车“驮着”落梁装置移动，使落梁装置能快速、平稳整体移至主框架尾部充当过跨配重，节约过跨的时间。

（2）优化了架桥机过跨驱动模式：承重支腿电机托辊滚轮驱动整机前移方式优化为纵移液压油缸驱动整机前移的方式，滚动摩擦优化为滑动摩擦，且液压驱动油缸具有防溜钩功能，明显提高架桥机过跨的安全系数。

（3）增设临时吊装起重天车：在原设计一台60 t主天车的基础上，增设了一台10 t副天车，有效解决了辅助施工机具吊装速度慢的问题，优化了资源配置，明显提高了工效。

4.2 湿接缝施工装配式移动模架

节段拼装连续刚构后浇湿接缝施工是关键工序之一，具体工况为梁体已基本成型，每跨简支梁位于临时支墩上，待高空原位浇筑后浇带湿接缝并张拉连续钢束后，才完成简支变连续的体系转换。针对节段拼装后浇湿接缝数量多（148个）、高空作业风险高、常规支架搭设困难等难题，研制了由走行大架、悬吊平台、中间连接平台装配化组装的现浇湿接缝施工移动模架，将传统的“支架搭设静态模式”创新为“空中悬吊可移动式模式”，解决了现有技术中桥梁后浇湿接缝施工需要现场根据地理环境搭设简易支架或平台时存在的支架或平台通用性不强和耗时长的问题。

装配式模架由槽钢焊接而成，通过螺栓连接成整体，滚轮在桥面行走，底部构件活动式设计可实现“穿越”桥墩和临时支墩，两侧设有配套防护栏杆，形成了一个安全、封闭、可移动的施工环境，安全系数和工效明显提高。装配式移动模架见图8。

图8 装配式移动模架

4.3 临时预应力张拉装置［5］

为满足节段梁混凝土表面压应力≥0.3 MPa，且在大气温度下节段任何截面均不产生拉应力的设计指标要求，经计算，需在节段梁顶、内箱各设置4根φ 25 mm精扎螺纹钢进行临时预应力张拉。节段梁体分节吊装后截面涂胶完成50 min内，为保证两节段梁的匹配面紧密接触，胶体挤出梁缝，确保在简支钢束永久预应力张拉前，节段梁之间不会相对错动，采用精扎螺纹钢在节段梁顶板、底板进行第一次张拉，即临时预应力张拉。为此，开发了节段顶板临时预应力张拉台座装置，由钢板焊接制作而成，可多次倒用，极大地提高了工效。临时预应力张拉装置如图9所示。

图9 临时预应力张拉装置

4.4 移动式桥梁挡板安装防护装置

节段拼装连续钢构桥面挡板采用预制场集中预制、现场拼装法，将挡板按照长度2 m分块集中预制，通过吊装设备逐块吊装临时固定，挡板与梁面现浇层浇筑固定成型。挡板装配式施工极大地提高了工效，缩短了工期，但通常城市轨道交通高架桥作业面受限，桥面翼缘板两侧挡板吊装期间需要加强防护。为此，研发移动式桥梁挡板安装防护装置，该移动装置采取纵、横全对称设计，由槽钢焊接成框架结构，通过螺栓与挡板吊装移动龙门吊刚性接，两侧悬挑钢结构焊接钢板实现“兜底”防护，借助底部滚轮与龙门吊同步移动，实现安全防护与挡板吊装同步。解决了高架桥挡板安装移动防护的难题，相比固定防护设施成本更低，安拆方便，可重复利用。移动式桥梁挡板安装防护装置见图10。

图10 移动式桥梁挡板安装防护装置

5 结语

城市轨道交通高架桥节段预制拼装工艺在减少占道和交通拥堵方面相比支架现浇梁具有明显的优势，被越来越多的城市轨道交通工程所采用，推动了节段预制拼装工艺的发展和创新。党的十九大提出“建立健全绿色低碳循环发展的经济体系”，节段预制拼装工艺通过创新实现更大的装配化作业，研发更多的装配式模具，有效地保证施工安全和结构质量，提升施工效率，降低施工成本，提高模具的周转使用效率，降低能耗，符合国家大力倡导的绿色低碳循环发展理念，对于形成节约资源和保护环境的产业结构是有着积极的意义。

（1）节段预制模具、钢筋制作和定位装置、测量塔等应尽可能按装配式设计，便于循环利用；

（2）应重点控制节段预制精度，鼓励开发具有自主知识产权的线形监控软件，提高预制节段匹配精度；

（3）节段拼装架桥机的选型设计应充分考虑通用性和兼容性，以及城区施工特殊限高要求；

（4）节段拼装连续刚构桥施工在墩柱辅助施工平台、临时支墩设计、0#块现浇支架、湿接缝现浇模架、临时预应力张拉装置、挡板预制与防护等辅助措施和工艺方面应考虑装配化、移动式，采用BIM（建筑信息化模型）技术等辅助信息化手段，推动城市轨道交通建设践行绿色低碳循环发展。

参考文献

［1］（美）小波尔特·波多尔尼，（法）米勒尔·JM.预应力混凝土桥梁分段施工和设计［M］．万国朝，黄邦本，译．北京：人民交通出版社，1986.

［2］ 黄芳玮，刘显晖，等.预应力新技术在新浏河大桥中的运用［J］.上海公路，2001（B12）：84.

［3］ 中华人民共和国铁道部.铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范：TB 10002.3—2005［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［4］ 江正荣.建筑施工计算手册［M］.3版.中国建筑工业出版社，2013.

［5］ 中铁二局股份有限公司.一种临张拉预应力锚固装置：中国，ZL201320490208.7［P］.2014-01-29.

［6］ 张立青.节段预制拼装法建造桥梁技术综述［J］.铁道标准设计，2014，58（12）：63.