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大節段鋼桁梁整體制造技術的認識
大節段鋼桁梁整體制造技術的認識
更新时间:2024-11-15 20:51:14

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。

大節段鋼桁梁整體制造技術的認識(基于網片彎折成型的超高索塔鋼筋部品裝配化施工工法)1

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。

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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。

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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。

大節段鋼桁梁整體制造技術的認識(基于網片彎折成型的超高索塔鋼筋部品裝配化施工工法)4

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。

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圖5 TD6000—30鋼筋網片柔性制造生産線

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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。

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圖7 平面鋼筋網片自動焊接成型

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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。

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圖9 鋼筋網片翻身

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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。

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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。

大節段鋼桁梁整體制造技術的認識(基于網片彎折成型的超高索塔鋼筋部品裝配化施工工法)12

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。

大節段鋼桁梁整體制造技術的認識(基于網片彎折成型的超高索塔鋼筋部品裝配化施工工法)13

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 m12 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。

參考文獻

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