摩擦焊在港珠澳大橋沉管預(yù)制中的應(yīng)用

戴書學(xué)，李陽(yáng)

（中交二航局第二工程有限公司，重慶 421121）

1 工程概況

港珠澳大橋島隧工程海底隧道全長(zhǎng)5 664 m，由33個(gè)預(yù)制沉管管節(jié)組成。預(yù)制沉管采用兩孔一管廊截面形式，寬3 795 cm，高1 140 cm，底板、側(cè)墻、頂板厚150 cm，中隔墻厚80 cm。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180 m，分成8個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段長(zhǎng)22.5 m，混凝土3 413m3，全斷面一次澆筑成型。

2 鋼筋設(shè)計(jì)與施工工藝

管節(jié)鋼筋采用HRB400，最大直徑40 mm，單個(gè)節(jié)段鋼筋最大用量約1 100 t。預(yù)制沉管的橫向主筋直徑為32 mm和40 mm兩種，分4層布置，最外層主筋為環(huán)管節(jié)橫斷面封閉形式，間距除端部加密段之外為10、14 cm間隔布置。箍筋設(shè)計(jì)為外箍分兩半制作、搭接連接，中間設(shè)拉鉤筋加強(qiáng)的形式，橫向主筋及封閉箍筋布置見(jiàn)圖1。為保證鋼筋骨架剛度以及在綁扎和頂推過(guò)程中的穩(wěn)定性，間距2 m設(shè)置沿管節(jié)橫斷面封閉的型鋼勁性骨架。

鋼筋綁扎采用分區(qū)綁扎、頂推移位施工工藝，即在底板區(qū)完成底板鋼筋綁扎后，頂推到墻體區(qū)綁扎側(cè)墻和中隔墻鋼筋，然后頂推到頂板區(qū)綁扎頂板鋼筋，最后頂推到模板區(qū)，依次流水施工。

受主筋間距、長(zhǎng)度、施工工藝和鋼筋綁扎區(qū)場(chǎng)地限制，導(dǎo)致封閉箍筋的拉筋如采用常規(guī)設(shè)計(jì)將無(wú)法施工，必須采取新型拉鉤筋形式才能解決拉鉤筋安裝的施工難題。

3 拉鉤筋和錨固板形式比選

國(guó)內(nèi)外常用的拉筋構(gòu)造形式見(jiàn)圖2。錨固鋼板采用Q345B材質(zhì)，尺寸見(jiàn)表1。鋼筋錨固板的連接主要有螺紋連接式和焊接式2種，對(duì)比情況見(jiàn)表2。經(jīng)過(guò)調(diào)研和比較，選定預(yù)制沉管拉筋構(gòu)造形式為一端錨固板的J形構(gòu)造，摩擦焊連接形式。

圖1 橫向主筋布置及封閉箍筋組合示意圖Fig.1 The combination ofhorizontalmain reinforcement layoutand closed stirrup

圖2 常見(jiàn)拉筋構(gòu)造形式Fig.2 The common retractormuscle configuration

表1 錨固鋼板尺寸一覽表Table 1 Listof steelanchoring plate size

表2 常用鋼筋錨固板連接形式對(duì)比表Table2 The connecting type comparison of common steel anchoring p late

4 摩擦焊機(jī)構(gòu)造、工作原理及主要特點(diǎn)

4.1 摩擦焊機(jī)構(gòu)造及工作原理

根據(jù)沉管預(yù)制所加工的鋼筋強(qiáng)度、直徑、工效等要求，采購(gòu)3臺(tái)日本SAKAE公司生產(chǎn)的WF－30SH型摩擦焊機(jī)，其最大壓接推力100 kN，電機(jī)功率15 kW，主軸最高轉(zhuǎn)速2 500 r/min，可加工鋼筋直徑12～25 mm，可加工鋼筋長(zhǎng)度1 300～1 760 mm，可以滿足沉管預(yù)制所需拉鉤筋加工要求，摩擦焊機(jī)構(gòu)造見(jiàn)圖3。

圖3 摩擦焊機(jī)構(gòu)造圖Fig.3 Structureof frictionweldingmachine

工作原理為：錨固鋼板安裝于旋轉(zhuǎn)主軸前端的旋轉(zhuǎn)頭凹槽內(nèi)，鋼筋安裝于滑動(dòng)臺(tái)的支座上，通過(guò)加長(zhǎng)桿保證鋼筋與錨固鋼板有效接觸并由液壓夾具固定，后方液壓千斤頂頂動(dòng)滑動(dòng)臺(tái)使鋼筋與錨固鋼板接觸壓力滿足加熱壓力要求，主軸電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸高速旋轉(zhuǎn)使鋼筋與錨固鋼板間摩擦發(fā)熱，當(dāng)鋼筋與鋼板熔化后主軸停止旋轉(zhuǎn)，通過(guò)液壓千斤頂頂推滑動(dòng)臺(tái)帶動(dòng)鋼筋與鋼板壓接成型。設(shè)備運(yùn)行參數(shù)在控制系統(tǒng)觸摸屏上設(shè)置。

4.2 摩擦焊工藝的主要特點(diǎn)

摩擦焊利用摩擦生熱的原理，需焊接的兩工件在確定壓力條件下通過(guò)高速相對(duì)旋轉(zhuǎn)摩擦生熱至金屬熔融，再通過(guò)壓緊壓力使兩金屬結(jié)合為整體的焊接技術(shù)。其主要特點(diǎn)為：

1）摩擦焊接將兩個(gè)工件完全緊貼使其發(fā)熱，有效阻止空氣進(jìn)入焊接部位，并能夠?qū)⒔雍厦娴奈酃敢约白璧K接合的氧化膜等雜質(zhì)化為飛邊以清除，從而避免傳統(tǒng)焊接容易出現(xiàn)的氣孔、夾渣、虛焊等質(zhì)量缺陷；

2）焊接部位為面接觸，受熱均勻，能有效抑制金屬變形；

3）主要控制參數(shù)為接觸壓力、焊接時(shí)間、工件尺寸等物理量，通過(guò)壓接焊機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)控制，不受人員技能、經(jīng)驗(yàn)、熟練程度等因素影響，質(zhì)量穩(wěn)定可靠；

4）材質(zhì)適應(yīng)范圍廣，不同金屬材料間也能進(jìn)行焊接；

5）焊接過(guò)程中不產(chǎn)生飛濺物和煙塵，相對(duì)傳統(tǒng)焊接作業(yè)有更好的作業(yè)環(huán)境。

5 摩擦焊工藝介紹

5.1 設(shè)備配置

J形拉鉤筋平均數(shù)量為22 500根/節(jié)段，按預(yù)制進(jìn)度2節(jié)段/周，生產(chǎn)能力需達(dá)到約6 500根/d，按3班作業(yè)時(shí)間計(jì)算，所需摩擦焊臺(tái)數(shù)為：6 500/（800×3）=2.7臺(tái)，配置3臺(tái)設(shè)備可以滿足預(yù)制進(jìn)度需要。同時(shí)為滿足錨固鋼板表面處理需要，配置1臺(tái)拋丸清理機(jī)。拋丸清理機(jī)、摩擦焊機(jī)布置在一間加工廠房?jī)?nèi)。

5.2 摩擦焊工藝流程

摩擦焊工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4 摩擦焊工藝流程圖Fig.4 Flow diagram of frictionwelding process

5.3 主要工藝介紹

1） 材料準(zhǔn)備

鋼筋采用切斷機(jī)下料，要求端面平整，無(wú)明顯變形。下料長(zhǎng)度偏差小于3mm，否則摩擦焊機(jī)會(huì)報(bào)錯(cuò)誤而無(wú)法焊接。

錨固鋼板按設(shè)計(jì)尺寸在鋼材市場(chǎng)購(gòu)買成品，焊接前用拋丸清理機(jī)對(duì)鋼板表面進(jìn)行處理，處理后的鋼板表面要求無(wú)銹蝕、油污等雜質(zhì)。鋼板應(yīng)做到隨處理隨使用，避免處理后的表面二次污染影響焊接質(zhì)量。

2）更換旋轉(zhuǎn)頭、設(shè)置運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)所加工的鋼筋直徑，更換相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)頭。

設(shè)備運(yùn)行參數(shù)包括：主軸旋轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速、加熱壓力 P1（MPa）、接合壓力 P2（MPa）、鋼筋長(zhǎng)度、加熱時(shí)間、接合時(shí)間、液壓夾具夾持力等，參數(shù)選擇的主要依據(jù)為鋼筋強(qiáng)度等級(jí)、鋼筋直徑、經(jīng)試驗(yàn)得到的參數(shù)圖表。在設(shè)備投入使用前，抽檢所用鋼筋、鋼板進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，根據(jù)廠家提供的參數(shù)曲線選定設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行試加工并檢驗(yàn)焊接接頭力學(xué)性能，如接頭力學(xué)性能不能滿足要求則對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行微調(diào)并再次進(jìn)行試加工和檢驗(yàn)。接頭檢驗(yàn)合格后該運(yùn)行參數(shù)即固定不變，除非材料有明顯變化導(dǎo)致接頭質(zhì)量不合格才需重新進(jìn)行試加工檢驗(yàn)。港珠澳大橋島隧工程沉管預(yù)制J形拉鉤筋所用錨固鋼板和鋼筋試驗(yàn)得到的摩擦焊參數(shù)曲線見(jiàn)圖5。為防止工人誤操作或因人員變更引起設(shè)備運(yùn)行參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，將各規(guī)格拉鉤鋼筋焊接參數(shù)存儲(chǔ)于控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)器內(nèi)，工人在設(shè)備運(yùn)行前只需按所加工的拉鉤筋在設(shè)置表中選定相應(yīng)規(guī)格，即可從存儲(chǔ)器中直接調(diào)出全套參數(shù)設(shè)置。

圖5 摩擦焊參數(shù)曲線Fig.5 Parameter curvesof friction welding

式中：F為摩擦焊接所需的推力，N；C為摩擦焊接面積，mm2；P為摩擦焊接壓力，MPa，通過(guò)試驗(yàn)確定；P′為液壓千斤頂油缸油壓，MPa；D為液壓千斤頂油缸有效截面面積，mm2，WF-30SH型摩擦焊機(jī)為5 027 mm2；f為滑動(dòng)臺(tái)與導(dǎo)軌間的摩擦阻力，MPa，此處取0.2。

液壓夾具夾持力應(yīng)滿足鋼筋在摩擦焊接過(guò)程中不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或前后移位，液壓夾具油壓與夾持力對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 液壓夾具油壓與夾持力對(duì)應(yīng)表Table 3 Corresponding relation tableofoilpressure and clam ping force ofhydroclamp

3）設(shè)備檢查和試運(yùn)行

每工作班開(kāi)始焊接前，需對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查和試運(yùn)行，主要檢查內(nèi)容包括：確認(rèn)工件安裝部位和鋼筋?yuàn)A具等位置無(wú)雜物和粉塵；確認(rèn)各部分液壓?jiǎn)卧?、液壓油管及接頭無(wú)漏油，電磁閥等電器元件正常；確認(rèn)各液壓?jiǎn)卧臀徽?，液壓油無(wú)污染，壓力計(jì)指針在綠色使用壓力范圍內(nèi)；確認(rèn)主軸旋轉(zhuǎn)頭側(cè)面的油脂泵內(nèi)潤(rùn)滑油量滿足要求。

4） 調(diào)節(jié)加長(zhǎng)桿

根據(jù)成品所需尺寸，安裝或拆除加長(zhǎng)桿，并調(diào)節(jié)加長(zhǎng)桿后方螺紋使鋼筋前端與錨固鋼板頂緊、后方與加長(zhǎng)桿頂緊即可。

5）鋼筋與錨固鋼板焊接

設(shè)備運(yùn)行參數(shù)設(shè)置完成，試運(yùn)行后即可正式開(kāi)始鋼筋與錨固鋼板焊接作業(yè)。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程全自動(dòng)化，工人只需要進(jìn)行錨固鋼板、鋼筋安裝和取出成品即可，消除了人為因素可能帶來(lái)的質(zhì)量波動(dòng)。

焊接過(guò)程中需注意安全事項(xiàng)包括：設(shè)備運(yùn)行中要注意觀察主軸旋轉(zhuǎn)頭和滑動(dòng)臺(tái)等運(yùn)動(dòng)裝置，防止焊接工件脫落；焊接過(guò)程中可能會(huì)有高溫的鋼筋氧化皮飛起，人員不得靠近焊接處；鏈條傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置和主軸旋轉(zhuǎn)裝置上均裝有安全蓋，在拆下安全蓋的狀態(tài)下不得運(yùn)行設(shè)備；剛焊接好的拉鉤筋接合部位溫度很高，不可接觸人體以免燙傷；停止運(yùn)行或人員離開(kāi)設(shè)備時(shí)，應(yīng)關(guān)閉設(shè)備的電源。

5.4 摩擦焊接頭驗(yàn)收

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每沉管節(jié)段所用各規(guī)格摩擦焊接頭均隨機(jī)抽取3根試件按JGJ 256—2011《鋼筋錨固板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》要求進(jìn)行接頭力學(xué)性能試驗(yàn)，如3根試件的極限拉力均不小于鋼筋達(dá)到極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)拉力，則判定該批焊接接頭合格。如有1根試件不滿足抗拉強(qiáng)度要求，則再取6根試件進(jìn)行復(fù)檢，復(fù)檢中如仍有1根試件不滿足抗拉強(qiáng)度要求，則該批焊接接頭判定為不合格。

6 J形拉鉤筋加工與安裝

錨固鋼板與鋼筋焊接好之后，用數(shù)控彎曲機(jī)加工彎鉤。為滿足拉鉤筋安裝需要，拉鉤筋長(zhǎng)度較設(shè)計(jì)增加3～5 mm，彎制好的拉鉤筋用專用鋼筋吊籠裝好備用。拉鉤筋安裝時(shí)將錨固板一端從主筋間穿入，彎鉤到位后旋轉(zhuǎn)拉鉤筋使錨固鋼板勾住主筋，再綁扎牢固即可。

7 結(jié)語(yǔ)

港珠澳大橋島隧工程沉管隧道管節(jié)預(yù)制采用J形拉鉤筋成功解決了拉鉤筋的安裝難題，摩擦焊工藝滿足了沉管預(yù)制施工效率、加工精度、質(zhì)量穩(wěn)定性等方面的要求。在港珠澳大橋島隧工程后續(xù)開(kāi)工的人工島上隧道、非通航孔橋中推廣采用了該工藝，也獲得了良好效果。摩擦焊工藝在本項(xiàng)目的成功應(yīng)用，可為類似工程提供借鑒。

[1]JGJ256—2011，鋼筋錨固板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].JGJ 256—2011,Technical specification for application of headed bars[S].

[2] Sakae Industries Co.,Ltd.Automatic friction weldingmachine instructionmanualWF-30SH[Z].2010.

[3] 吳廣彬，葛召深，李智斌，等.CABR鋼筋錨固板在AP1000核電工程中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2011，40（354）：69-71.WUGuang-bin,GE Zhao-shen,LIZhi-bin,etal.Application of reinforcement anchorage plate in AP1000 nuclear power engineering[J].Construction Technology,2011,40(354)：69-71.