鋼-混凝土組合梁快速建造技術(shù)

蘇立超,趙子健,周印霄,馬維鑫

(1.邢臺路橋建設(shè)總公司,河北 邢臺 054001;2.河北省鋼混組合橋梁技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 邢臺 054001)

導(dǎo)語:

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,作為現(xiàn)代交通建設(shè)中的節(jié)點工程,橋梁建設(shè)需要實現(xiàn)管理、設(shè)計、施工及裝備轉(zhuǎn)型,同時還要解決交通流量日益劇增的需求,因此走橋梁工業(yè)化之路和快速施工成為必然的發(fā)展趨勢.本文針對公路橋梁的結(jié)構(gòu)組成,重點從樁基礎(chǔ)、下部結(jié)構(gòu)、主梁的創(chuàng)新,以及廠內(nèi)制造、運輸、預(yù)拼裝、現(xiàn)場安裝等多個工序,探討了快速施工的新思維、新方法.

快速建造技術(shù)目前是橋梁工程新的建造理念,目前我國公路橋梁工業(yè)化的新成果非常豐碩,而快速建造離不開工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化、輕量化的發(fā)展,在當(dāng)下信息化技術(shù)突飛猛進(jìn)的新形勢下,這項技術(shù)勢必會取得新的突破.

本文闡述快速建造的理念,探討樁基礎(chǔ)、下部結(jié)構(gòu)到主梁結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝技術(shù)及控制要點,重點對鋼-混凝土組合梁制造與施工成套技術(shù)的系統(tǒng)化、精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化方面進(jìn)行了研究,總結(jié)鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工的新技術(shù),為橋梁工業(yè)化的發(fā)展提供借鑒和參考.

快速建造技術(shù)的概念

根據(jù)交通運輸統(tǒng)計公報,中小跨徑橋梁在我國橋梁工程中的占比約為80%,傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)形式多是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),以預(yù)制裝配和現(xiàn)澆為主,隨著橋梁工業(yè)化的發(fā)展引入預(yù)制拼裝技術(shù),將原本效率低下的設(shè)計施工過程簡化為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的生產(chǎn)和拼裝,既能夠保證橋梁產(chǎn)品質(zhì)量,又能夠大大縮短橋梁的建造時間,這便是我們所說的快速建造技術(shù).通俗地講,就是采用搭積木的形式,將原本預(yù)制好的橋梁部件在短時間內(nèi)裝配起來,形成具有安全通行能力的橋梁構(gòu)筑物.

隨著BIM技術(shù)、智能制造等研究的深入,橋梁的快速建造技術(shù)將得到更高水準(zhǔn)、更高質(zhì)量、更高效率的發(fā)展.如何圍繞快速建造開展工作,從樁基礎(chǔ)到下部結(jié)構(gòu)、再到上部結(jié)構(gòu),最后到附屬工程,形成橋梁結(jié)構(gòu)一整套的預(yù)制拼裝技術(shù),是快速建造的研究目的.

基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)快速建造技術(shù)

(1)樁基礎(chǔ)施工新方法

傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)多采用鉆孔灌注樁,雖然其受到廣泛應(yīng)用,樁基承載力穩(wěn)定.但也有成樁慢、風(fēng)險高、污染大等缺點,工程師在橋梁樁基礎(chǔ)施工中也常常會采用預(yù)制管樁、土石復(fù)合樁.預(yù)制管樁采用預(yù)制高韌性混凝土管樁,通過靜力壓樁、振動沉樁等工藝將管樁下沉至設(shè)計標(biāo)高,這種方法在安徽省得到了較好的應(yīng)用,其效率高、成本低等特點受到工程師們青睞,然而受地質(zhì)條件影響使用受限;土石復(fù)合樁作為一種新型的樁基礎(chǔ),其采用管壁開孔的鋼管樁預(yù)沉后注漿的施工方法,兼具摩擦樁和端承樁的優(yōu)點,以擴大基礎(chǔ)的形式采用擠密樁身周圍土體的作用使樁基具有更好的承載能力,與以往的灌注方法相比,土石復(fù)合樁中的水泥漿液雖然沒有滲入土中發(fā)生黏土固化,但樁對天然地基的擠密和壓實作用更強.這種施工方法,免去了不同土體對水泥顆粒細(xì)度的要求,工藝簡單,造價低,具有很高的推廣價值.

(2)墩柱施工新方法

常規(guī)墩柱施工工藝為綁扎鋼筋、支設(shè)墩柱模板、澆筑混凝土、拆模等,工期較長、勞動強度高,不符合綠色建造技術(shù)的要求.目前國內(nèi)已經(jīng)形成了預(yù)制墩柱的新工藝,即在工廠內(nèi)將墩柱按照設(shè)計圖紙的要求進(jìn)行分節(jié)段預(yù)制,運輸至現(xiàn)場通過灌漿套筒、灌漿波紋管、預(yù)應(yīng)力鋼束、現(xiàn)澆帶等方式連接,在上海嘉閔高架路、四川成都羊犀立交等項目中均得到了采用.安徽推行的離心柱、河北推行的鋼管柱都成為一種新的體系,豐富了我國橋梁下部結(jié)構(gòu)快速施工的內(nèi)容.周良、閆興非等人對灌漿套筒、灌漿波紋管、預(yù)應(yīng)力鋼束等3種預(yù)制拼裝連接方法進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,套筒和波紋管預(yù)制拼裝連接構(gòu)造的橋墩與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩相比,具有相近的抗震性能,預(yù)應(yīng)力鋼束連接預(yù)制拼裝橋墩具有與現(xiàn)澆混凝土相近的變形能力[1].

鋼-混凝土組合梁快速建造技術(shù)

主梁結(jié)構(gòu)的快速建造是橋梁工作者關(guān)注最多的內(nèi)容,需要深入了解我國鋼-混凝土組合梁的構(gòu)造形式,針對其力學(xué)、構(gòu)造、制造、施工等特點開展相應(yīng)的研究.

(1)鋼-混凝土組合梁分類

在我國中小跨徑橋梁中,鋼混組合結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新形式豐富多樣,主流形式分為以下4種.

①組合鋼板梁.組合鋼板梁是由鋼腹板、上下鋼翼緣板、加勁肋組焊而成的工字型截面,配以剪力釘和鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋面板形成組合結(jié)構(gòu).組合鋼板梁在橫斷面設(shè)計上又分為雙主梁和多主梁.

②組合折腹梁.組合折腹梁由折形腹板、混凝土頂板和底板組合而成.

③組合鋼箱梁.組合鋼箱梁由槽型鋼梁和混凝土橋面板組合而成.

④組合鋼桁梁.組合鋼桁梁由鋼桁架和混凝土橋面板組合而成.

在此基礎(chǔ)上還衍生出了多種不同的組合形式,如折形腹板-鋼管混凝土梁、型鋼-組合梁、窄箱-組合梁等.

以上鋼-混凝土組合梁的構(gòu)造主要由鋼翼緣板、腹板(桿)、鋼底板、鋼橫梁、加勁肋等單元組成.根據(jù)主梁構(gòu)造特點及單元組成以通用技術(shù)介紹制造工藝和安裝工藝.

(2)鋼混組合梁制造工藝

制造過程主要分為:放樣、號料、預(yù)處理、部件(單元)加工、節(jié)段梁組裝、焊接、矯正、涂裝、預(yù)拼裝、驗收等.隨著未來BIM技術(shù)的深度發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)橋梁的加工制造將更加便捷、節(jié)約、高效.

工程技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)真審查研究設(shè)計圖紙、招標(biāo)文件、《編制組合梁制造工藝方案》等資料,完成施工圖轉(zhuǎn)化、工裝設(shè)計、涂裝工藝試驗、工藝文件編制等技術(shù)準(zhǔn)備工作.

車間加強在原材料進(jìn)場前的質(zhì)量檢驗.鋼材、焊絲、焊劑、高強度螺栓、剪力釘?shù)冗M(jìn)場前要按照相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)和頻率進(jìn)行檢測,合格后方可使用.

①號料.詳細(xì)制定放樣號料圖,根據(jù)圖上所示零件的外形尺寸、坡口形式與尺寸、各種加工符號、質(zhì)量檢驗線、工藝基準(zhǔn)線等繪制在相應(yīng)的鋼板和型材上.號料劃線精度要滿足加工精度要求,號料要充分考慮鋼板加工變形、焊接變形等多重因素影響.

②鋼板預(yù)處理.對平整度不滿足要求的鋼板進(jìn)行整平處理,同時對表面進(jìn)行涂裝預(yù)處理,噴砂或拋丸,后施做車間防護(hù)底漆.

③部件(單元)加工.應(yīng)將主梁各部件劃分為若干個單元,即底板單元、腹板單元、橫隔板單元等,在制造中盡量實現(xiàn)構(gòu)件板單元化,避免零散部件參與梁段組裝[2].加工坡口宜采用專業(yè)設(shè)備,火焰切割時確保尺寸滿足設(shè)計要求,且要清除邊緣氧化物、熔瘤和飛濺物等雜質(zhì).對接不同厚度的鋼板時,應(yīng)采用"厚板削薄"法,采用銑床將厚板按設(shè)計坡度銑刨.

④節(jié)段梁組裝.加工完且檢驗合格后的零部件要進(jìn)行組合,形成節(jié)段梁的拼裝,主要包括腹板、底板、翼緣板的組裝以及各種加勁肋的組裝、隔板組裝等工序.組裝時要做好線形、幾何尺寸和空間位置的檢查.

⑤焊接.焊接前應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評定,焊工應(yīng)通過考試并取得權(quán)威部門頒發(fā)的資格證方可施焊,同時應(yīng)當(dāng)對各個焊工建立焊接檔案庫,對其進(jìn)行的焊接作業(yè)要全面詳實記錄入檔.焊接應(yīng)確定合理的焊接工藝和焊接參數(shù)以確保焊接質(zhì)量和防治焊接變形.盡量減少仰焊作業(yè),可采用橋梁翻轉(zhuǎn)設(shè)備或翻轉(zhuǎn)工藝,最大程度上將仰焊、立焊變?yōu)槠胶?橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊縫等級要求較高,自動化焊接技術(shù)在薄板焊接、曲面焊接等方面還不能完全滿足應(yīng)用,因此焊接技術(shù)可與計算機技術(shù)相結(jié)合,采集組拼后的焊縫位置空間坐標(biāo),轉(zhuǎn)化到焊接機器人系統(tǒng)中實施追蹤焊接,對于提高焊縫質(zhì)量和焊接效率將有很大幫助.

⑥矯正.優(yōu)選采用冷矯正對構(gòu)件變形大于允許偏差的情況進(jìn)行矯正處理,矯正后的鋼材表面不應(yīng)有明顯壓痕或損傷.熱矯正要嚴(yán)格控制加熱溫度、同一區(qū)域加熱次數(shù)不得超過2次.

⑦涂裝.涂裝前,要對油漆進(jìn)行檢驗,合格后方可使用,油漆要做好崗前技術(shù)培訓(xùn)和交底,持證上崗,同時做好防護(hù)措施.涂裝前要對鋼板表面進(jìn)行清理和檢驗,保證其粗糙度滿足設(shè)計要求.大型鋼構(gòu)件宜采用工業(yè)機器人進(jìn)行涂裝前處理和涂裝作業(yè),工業(yè)機器人的作業(yè)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工涂裝,且易于控制質(zhì)量,機器人行走裝置可采用步履式或龍門架式行走,具體形式可結(jié)合鋼構(gòu)件類型進(jìn)行設(shè)計.

(3)鋼混組合梁模擬拼裝

模擬拼裝又稱虛擬拼裝技術(shù),是根據(jù)各構(gòu)件之間的空間關(guān)聯(lián)性,在對構(gòu)件接口的特征點進(jìn)行坐標(biāo)采集的基礎(chǔ)上進(jìn)行坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)化,并在專用軟件中進(jìn)行數(shù)字建模,形成空間模型,實現(xiàn)梁段在空間的模擬拼裝[3].

因設(shè)計鋼混組合梁單跨主梁多在20 m跨徑以上,特別是近些年鋼結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)用的體量越來越大,有些項目需多個鋼結(jié)構(gòu)廠家協(xié)同合作方能完成,考慮制造、運輸和安裝便利需分段制造,分段制造要在出廠前進(jìn)行預(yù)拼裝.傳統(tǒng)拼裝工藝需要較大的拼裝場地、繁瑣的拼裝胎膜、大噸位反復(fù)起吊,因此精度差、成本高、效率低、占用空間大,而采用虛擬預(yù)拼裝技術(shù)將是鋼結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域的一場信息化革命.國內(nèi)虛擬預(yù)拼裝在實樣數(shù)據(jù)采集中多采用激光掃描器、全息照相機等手段將加工成型的梁段進(jìn)行實體掃描,通過計算機技術(shù)形成三維立體圖,在此基礎(chǔ)上將多個梁段在計算機內(nèi)進(jìn)行模擬拼裝,有效降低了現(xiàn)場實體拼裝的成本,節(jié)約了空間,同時提高了拼裝效率和精度.同時,虛擬拼裝技術(shù)是BIM技術(shù)設(shè)計和施工結(jié)合的一項重要工具.原始數(shù)據(jù)的采集目前已經(jīng)完全能夠滿足精度要求,通過激光掃描技術(shù)可以實現(xiàn)實測模型的重構(gòu)[4],但龐大的點云數(shù)據(jù)模型處理還需要進(jìn)一步深入研究,在實踐中表明,點云數(shù)據(jù)應(yīng)用最多的是拼裝節(jié)點,要重點做好關(guān)鍵節(jié)點數(shù)據(jù)收集和處理,擯棄無關(guān)點,對應(yīng)用將有極大的借鑒意義.

(4)鋼混組合梁焊縫檢測

焊縫檢測多采用超聲波檢測,操作人員檢測效率較低,針對直焊縫可采用帶自動滑軌的超聲波檢測儀,結(jié)合智能機器人技術(shù),自動識別焊縫中心軸線,設(shè)定行走速度,可實現(xiàn)焊縫自動化前處理、耦合劑自動化涂刷、焊縫探傷自動化檢測、焊縫缺陷自動報警等功能,有效提高焊縫檢測速度,降低檢測勞動強度.

(5)鋼混組合梁運輸

鋼-混凝土組合梁運輸要充分考慮運輸環(huán)境和路形路況,確定分段長度,并報監(jiān)理、設(shè)計和建設(shè)單位,梁段在運輸過程中必須采取有效的防傾倒、防碰撞、防變形等措施,支點要平穩(wěn)、多點、可靠,支墊處應(yīng)防止硬性接觸損傷涂裝層和鋼板母材.

運輸過程中要按照道路運輸安全相關(guān)規(guī)定,事先做好路線規(guī)劃和運輸許可,同時要加強支點位置、梁段變形等方面的記錄和檢測.

(6)鋼混組合梁安裝

平原地區(qū)采用履帶式起重機雙機起吊或龍門式吊機起吊,山區(qū)采用架橋機、頂推施工、纜索施工等.對于鋼混組合梁自身架設(shè)后具有承重能力的特點,可以采用梁上運梁的方法實現(xiàn)梁體的縱向運輸.鋼構(gòu)件的連接采用螺栓連接、焊接、栓焊組合以及鉚接.鉚接技術(shù)的穩(wěn)定性和耐久性應(yīng)該得到工程師的認(rèn)可和重視.今后可嘗試熱鉚、射釘連接等方式,從而極大地提高現(xiàn)場鋼構(gòu)件連接效率,并有效保證連接質(zhì)量.

(7)鋼筋混凝土橋面板施工

混凝土橋面板采用預(yù)制橋面板和現(xiàn)澆橋面板兩種形式,隨著橋梁工業(yè)化的發(fā)展,預(yù)制橋面板的優(yōu)勢越發(fā)明顯.

預(yù)制橋面板按照構(gòu)造與分類又可分為全寬預(yù)制橋面板、分塊預(yù)制橋面板、疊合橋面板、壓型鋼板組合橋面板[5]和FRP組合橋面板等形式,極大地提高了橋面板施工的裝配化.考慮混凝土的徐變,預(yù)制混凝土橋面板的存放時間超過6個月,其位移變化趨于穩(wěn)定.

預(yù)制橋面板安裝精度要求較高,要加強全過程控制,同時對可能存在的單板受力問題制定相應(yīng)的解決措施.鑒于國內(nèi)在鋁模板技術(shù)上有重大突破,在預(yù)制橋面板的模板選擇上亦可考慮,同時應(yīng)探討采用輕質(zhì)耐久高強的復(fù)合材料在模板中的應(yīng)用.

現(xiàn)澆橋面板其多采用托架+鋼或木模板,托架形式多樣,可采用槽鋼、鋼管等部件組裝形成K形支撐,為方便拆卸,其節(jié)點連接處可采用插銷或螺栓連接,慎用焊接,與主梁支墊處要設(shè)置柔性墊塊,以防止裝拆時破壞鋼板涂裝體系,也便于脫模.

結(jié)語

鋼-混凝土組合橋梁的應(yīng)用既要加強質(zhì)量管控,又要重視后期養(yǎng)護(hù).京港澳高速保定互通匝道橋采用的裝配式組合鋼箱梁,其鋼材均為耐候鋼,這將大大降低鋼結(jié)構(gòu)橋梁的后期養(yǎng)護(hù)工作強度,是當(dāng)下應(yīng)該重點推廣的方向,而BIM技術(shù)在建筑和地鐵工程中應(yīng)用較為廣泛,但多在設(shè)計階段,在大型橋梁構(gòu)件全壽命周期中的應(yīng)用也僅僅局限在設(shè)計翻模階段,施工階段尚需進(jìn)行大量的參數(shù)收集,如誤差累積、溫度影響、變性控制等多種復(fù)雜因素會影響B(tài)IM技術(shù)施工化的應(yīng)用,實現(xiàn)BIM技術(shù)正向設(shè)計已刻不容緩.

傳統(tǒng)土木建筑領(lǐng)域的研究已無法滿足社會發(fā)展的需求,土木和材料、機械、計算機、電氣化等學(xué)科的跨界融合將更好地推動我國基礎(chǔ)設(shè)施的飛速發(fā)展,也為推動綜合交通、綠色交通、智慧交通和平安交通指明了方向.