摘 要:深中通道伶仃洋大橋塔身鋼筋層數多、數量大、結構複雜,施工難度大。為提高混凝土橋塔鋼筋部品工業化建造水平,降低作業人員勞動強度和安全風險,深中通道S04标段以“工廠化生産、裝配化施工”為總體思路,将絕大部分橋塔鋼筋網片的制造轉入地面工廠,通過工業化流水線的方式進行鋼筋網片生産,對鋼筋網片進行整體彎折成型,采用鋼筋部品裝配化方式進行塔柱節段拼裝。索塔鋼筋部品化施工工效提升30%,實現了鋼筋網片毫米級精度控制,提高了施工效率,保障了工程品質。
關鍵詞:深中通道;橋塔建造;鋼筋部品;裝配化施工;生産線;施工工法;
目前,我國開始在基礎建設領域中嘗試應用鋼筋部品裝配化技術,這項技術在橋梁建造的樁基、墩柱及蓋梁施工中已趨于成熟[1]。上海S26公路是我國首個“鋼筋模塊化”應用的項目,根據結構特點、制作難度等将鋼筋模塊劃分為立柱鋼筋籠整體模塊、承台鋼筋籠整體模塊、承台鋼筋網片模塊以及鑽孔灌注樁鋼筋籠分段模塊[2]。浙江象山高灣特大橋工程通過 BIM 技術三維建模,對鋼筋模塊進行優化布筋,在理論層面上保證了鋼筋模塊組拼時的匹配性,基本能避免模塊安裝時鋼筋的沖突碰撞[3]。鴨池河大橋項目借鑒鋼箱梁節段廠内匹配加工的思路,在地面設置索塔鋼筋預拼胎架,對索塔豎向主筋按“基準節 次節” 進行匹配制作,将鋼筋節段整體吊裝至塔上對接并安裝,相鄰節段間采用直螺紋套筒連接。虎門二橋主塔施工過程中,采用了預制網片吊裝至塔頂拼接的方案,部分實現了索塔鋼筋網片的預制裝配化。
鋼筋部品裝配化技術的應用減輕了勞動強度,降低了安全風險,提高了施工效率[4,5,6,7]。但是,鋼筋施工最普遍的方式仍是後場單元件加工,現場全人工綁紮成型,屬于勞動密集型作業,技術要求低,對異型結構适應性強,對人工需求大。因此,如何提高鋼筋部品工業化建造水平,減少人員操作,保障施工人員安全,實現機械化換人和自動化減人,是當前迫切需要解決的問題。
本文依托深中通道伶仃洋大橋[8,9]工程施工,以“工廠化生産、裝配化施工”為總體思路,将絕大部分橋塔鋼筋網片的制造轉入地面工廠,通過工業化流水線的方式進行鋼筋網片生産,對鋼筋網片進行整體彎折成型;采用鋼筋部品裝配化方式進行塔柱節段拼裝,通過融合裝配化、自動化、信息化技術,最終形成深中通道超高橋塔鋼筋部品裝配化施工關鍵技術。
1 項目概況深中通道項目北距虎門大橋約30 km, 南距港珠澳大橋38 km, 東接機荷高速,跨越珠江口,西至中山馬鞍島。項目全長約24.03 km, 其中跨海段長22.39 km, 伶仃洋大橋為主跨1 666 m的三跨全飄浮體系懸索橋,是橋梁标段關鍵控制性工程,如圖1所示。
圖1 深中通道伶仃洋大橋成橋效果
索塔采用門式造型,設置上、中、下3道橫梁,總高度為270 m。上、下塔柱均采用八角形截面。下塔柱高程範圍為 0~ 79 m, 截面尺寸由13 m×16 m過渡到8.4 m×12 m。上塔柱高程範圍為 79~262.5 m, 截面尺寸由8.4 m×12 m過渡到7.5 m×12 m。全塔采用C55混凝土,主塔鋼筋為3層主筋,均采用HRB400級熱軋帶肋鋼筋,外圈雙層主筋的直徑為40 mm, 箍筋的直徑為20 mm; 内圈一層主筋的直徑為32 mm, 箍筋的直徑為16 mm。塔柱鋼筋平面布置如圖2所示。
圖2 塔柱鋼筋平面布置實景(無勁性骨架)
2 塔柱鋼筋總體施工方案塔柱鋼筋采用“廠内網片預制,胎架節段拼裝,整體吊裝上塔”的施工方法。塔柱鋼筋網片在場内預制,通過TD6000—30鋼筋網片柔性制造生産線進行無人布料、自動焊接和整體彎折成型。鋼筋網片由駁船運輸至水上平台,在塔下胎架内拼裝,穿插拉鈎筋後形成鋼筋部品。鋼筋部品由塔吊整體吊裝上塔,通過錐套連接。
3鋼筋部品施工關鍵技術塔柱鋼筋部品施工首先要确定鋼筋網片劃分方案,這将決定生産線整體尺寸、網片運輸方式和部品拼裝效率。根據鋼筋加工廠行車吊高、橋塔塔吊的起重能力,合理設計塔柱分節長度。在鋼筋網片彎折、翻身過程中需要設計固形工裝、運輸托盤和專用吊具,在鋼筋部品拼裝時,設計拼裝胎架和專用吊具。
3.1鋼筋網片劃分深中通道伶仃洋大橋塔柱有内外3層鋼筋網。外2層鋼筋網片可成環預制,從減少箍筋接頭數量、提高網片制造工效考慮,将外2層鋼筋網按面中線分割,每張鋼筋網片包含5個邊,自身對稱,最大周長為27 m。内環鋼筋網片由于自身構造特點,不可成環預制,将其分割為8個平面網片,最大長度9 m,如圖3所示。
圖3 塔柱鋼筋網片劃分方案示意
3.2塔柱節段劃分根據主筋來料長度并盡可能減少切割餘量,塔柱節段長度可劃分為3 m、4.5 m、6 m和9 m。受塔柱塔吊起重能力限制,9 m節段鋼筋部品重量過大;而3 m節段長度增加了鋼筋部品對接接頭數量,成本提高,施工效率降低。考慮到鋼筋加工場内行車吊高對網片翻身的限制,下塔柱劃分為4.5 m節段,上塔柱劃分為6 m節段。
3.3鋼筋網片平面展開圖外層鋼筋網片由平面網片整體彎折成型,首先要繪制塔柱鋼筋網片平面展開圖。根據塔柱構型建立三維模型,以其中一個面為基準進行展開,在展開的輪廓圖上按照設計間距布設箍筋,根據主筋排布原則布設主筋,得到鋼筋網片平面展開圖,如圖4所示。塔柱構型“上小下大”,鋼筋網片展開後呈扇面分布。
圖4 塔柱鋼筋網片展開平面
單位:mm
3.4鋼筋網片生産線制造TD6000—30鋼筋網片柔性制造生産線是中交二航局基于“工業化流水線生産、裝配化施工、智能化控制”理念自主研發、與廠家聯合研制的國内首台超大尺寸鋼筋網片整體成型專用裝備,生産線長72 m,寬14.5 m,高1.8 m,包含箍筋下料機構、箍筋布料初定位機構、箍筋牽引及自動焊接綁紮機構、主筋布料機構、箍筋定位及立體彎折機構、主筋補料機構等6大組成部分,如圖5所示。該生産線具有箍筋無人下料、主筋自動布料、機械手自動焊接和綁紮、鋼筋網片空間立體彎折等關鍵功能,能夠在毫米級精度上實現超大尺寸橋塔鋼筋網片整體自動化成型。
3.4.1箍筋下料箍筋原材料直接吊運至生産線,由階梯上料機構分散至傳輸托輥上,在閃光對焊機上進行箍筋自動接長,接頭質量經檢測符合規範要求。箍筋閃光對焊如圖6所示。鋼筋剪切機根據輸入尺寸對箍筋進行自動剪切,再由聯合階梯上料機構輸送至箍筋布料平台。箍筋經過自動接長和定尺剪切後,不僅滿足網片長度要求,有利于工業化制造,而且能避免餘料産生,節省成本。
圖5 TD6000—30鋼筋網片柔性制造生産線
圖6 箍筋閃光對焊
3.4.2箍筋牽引與平面彎折箍筋布料平台存放一張網片的箍筋,由牽引龍門将箍筋整體牽引至網片彎折平台,箍筋落入對應一次平彎托梁導槽内。箍筋牽引到位後,一次平彎托梁由伺服電機驅動,按照鋼筋網片平面展開圖将箍筋平面彎折成扇面。
3.4.3主筋布料與自動焊接主筋原材料需要鋸切成設計長度,然後成捆吊運至生産線,經階梯上料、補料龍門抓取後,輸送至主筋布料龍門。布料龍門根據一次平面展開圖主筋布置原則,從箍筋端頭開始進行主筋自動布料。牽引龍門搭載6套焊接機械手,自動跟随布料龍門,對主筋進行自動焊接,最終形成平面鋼筋網片,如圖7所示。
3.4.4鋼筋網片立體彎折成型鋼筋網片柔性比較大,在彎折和翻身的過程中,需要依靠固形工裝進行支撐。固形工裝為5片獨立桁架式結構,在平面鋼筋網片成型後安裝,工裝與網片通過鋼筋夾具連接,工裝之間通過螺杆和固定斜撐連接。由于塔柱的構造特點,鋼筋網片從底部開始尺寸持續縮小,通過螺杆和工裝滑塊适應網片尺寸變化。在鋼筋網片彎折過程中,需要利用2台行車4個吊鈎輔助起吊,消除工裝與網片自重,防止鋼筋網片變形。在平面鋼筋網片每根彎折線位置安裝反壓塊,由彎網機對平面鋼筋網片進行整體彎折,每個折角成型後立即安裝螺杆和固定斜撐。鋼筋網片立體彎折成型如圖8所示。
圖7 平面鋼筋網片自動焊接成型
圖8 鋼筋網片立體彎折成型
3.4.5鋼筋網片成型精度控制措施(1)鋼筋彎折後,在彎折處形成圓弧,内皮收縮、外皮延伸,并沿鋼筋外皮測量外包尺寸,因此下料尺寸一般小于實際尺寸,需要考慮彎曲調整值的影響。通過單根鋼筋彎折試驗,确定直徑20 mm箍筋4個彎折角度對應的彎曲調整值,見表1。鋼筋網片有4個彎折角,箍筋下料尺寸分别縮減5 cm和4.4 cm。
表1 20 mm箍筋彎曲調整值
彎折角度 |
59° |
37° |
57° |
27° |
彎曲調整值/mm |
16 |
9 |
15 |
7 |
(2)箍筋通過一次平彎托梁上的小導輪進行定位,小導輪以50 mm為倍數進行布置,通過機加工進行制造。箍筋間距布設精度為2 mm, 可以按照100 mm、150 mm等50 mm的倍數進行調整。
(3)主筋布料龍門由伺服電機驅動,作業前以網片中線為零位進行定位,行走精度偏差小于2 mm。主筋布設端部設置定位檔杆,通過頂推氣缸控制主筋落料間隙,消除主筋彎曲的影響。主筋間距精度偏差小于3 mm, 滿足錐套對接要求。
(4)鋼筋網片彎折線位置和彎折由彎網機決定,控制彎網機位置偏差在5 mm内,網片彎折角度偏差在2°内。
3.5鋼筋網片翻身與運輸鋼筋網片彎折成型後,由2台行車整體擡吊至翻身區域,2個吊鈎同時落下,另外2個吊鈎同時起升,将網片由卧式翻轉為立式,如圖9所示。工人将固形工裝分片拆除,運至堆存區重複利用。通過專用吊具将網片移至運輸托盤,用鍊條和手拉葫蘆将網片固定在托盤擋牆上,每個托盤裝兩張鋼筋網片。由平闆車将托盤整體運輸至碼頭,用駁船将托盤由碼頭運輸至水上平台,如圖10所示。
圖9 鋼筋網片翻身
圖10 駁船運輸鋼筋網片至水上平台
3.6鋼筋網片胎架内組拼履帶吊将托盤整體吊運至水上平台堆存區,解除臨時固定後,将鋼筋網片吊運至拼裝胎架内,拼裝胎架如圖11所示。胎架底部設置導槽,用于鋼筋網片定位。将鋼筋網片由内向外分别放入,内外3層鋼筋網片在胎架内安裝完成後,人工穿插拉鈎筋,組拼成鋼筋部品,安裝鋼筋保護層墊塊。
圖11 鋼筋部品拼裝胎架
3.7鋼筋部品吊裝與對接鋼筋部品成型後,在鋼筋網片上焊接吊耳,通過專用吊具将鋼筋部品吊裝上塔。吊具與吊耳之間通過花籃螺栓調整吊繩長度,通過調整吊點位置适應鋼筋部品重心變化,防止嚴重偏載。鋼筋部品吊裝如圖12所示。
圖12 鋼筋部品整體吊裝
鋼筋部品吊裝上塔後,在每個網面中間的主筋上安裝喇叭口形落料鋼筒,引導主筋落入相應位置。塔柱鋼筋通過錐套連接[10],如圖13所示。
4 鋼筋網片和部品變形控制及調整措施(1)鋼筋網片柔性較大,在立體彎折過程中,需要通過行車輔助起吊,消除網片與工裝自身重量的影響。行車吊鈎起升速度由網片彎折速度決定。
圖13 鋼筋部品錐套連接
(2)鋼筋網片擡吊至翻身區域的過程中,要保持2台行車的行走速度一緻,否則會導緻鋼筋網片發生變形。通過固形工裝增加網片剛度,工裝自身發生變形是導緻網片變形的最大影響因素。
(3)鋼筋網片由托盤進行整體運輸,通過托盤上的擋牆進行臨時固定。網片2/3高度上設置7個臨時固定點,基準面有3個固定點與擋牆進行臨時連接,其他4個面分别與托盤底面通過防風拉纜進行臨時連接。
(4)鋼筋網片吊裝進入胎架後,通過底部導槽進行底口定位,測量網片基準面中線和4個彎折線的位置,通過手拉葫蘆進行适當調整,确保鋼筋網片準确安裝。
5結語深中通道S04标項目實現了加工廠内鋼筋網片的工業化生産,塔下鋼筋部品裝配化成型,塔上鋼筋節段整體對接,三位一體同步作業,大大提高了索塔鋼筋施工效率和成型質量。
(1)鋼筋網片生産線制造工效達到6 h/片,3 d即可生産2個鋼筋部品的網片。由于彎折網片具有自穩能力,取消了“勁性骨架”結構;同時,網片制造、部品拼裝不占用關鍵工序,因此與塔頂人工原位綁紮相比,索塔鋼筋施工工效提升30%。
(2)鋼筋網片機械化生産,成型質量高,邊長精度為5 mm,彎折角度偏差2°以内,箍筋間距精度達到2 mm,主筋間距精度達到3 mm,實現了鋼筋網片網格尺寸免檢。
(3)塔上鋼筋部品對接,主筋對接質量良好,90%以上的主筋接頭徑向偏差在1 cm以内,提升了錐套對接成功率,減小了人工調節工作量,有效提高了塔上鋼筋部品對接效率。
(4)現場鋼筋網片生産,40 mm主筋下料取用9 m或12 m長鋼筋從中心鋸切成型;20 mm箍筋采用閃光對焊,然後根據下料尺寸定尺剪切截取。因此可以實現主筋與箍筋下料“零損耗”。
未來10年甚至更長的一段時間,我國乃至世界大跨徑纜索承重橋梁建設需求旺盛,如常泰大橋、廣東蓮花山過江通道、浙江舟岱跨海高鐵、川藏鐵路、直布羅陀跨海大橋等等。可以預見,基于網片彎折成型的超高索塔鋼筋部品裝配化施工工法以其更安全、更高效、更智能的顯著優勢,具有非常廣泛的應用前景,蘊含巨大的經濟和社會效益。
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