超高索塔鋼筋網(wǎng)片成型與部品裝配技術(shù)研究*

周明生，曾 煒，奉思東，王元鑫

(1.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121； 2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；3.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040)

0 引言

目前，超高鋼筋混凝土索塔鋼筋施工多采用人工原位單根綁扎的方式，需大量人員相互配合，由于作業(yè)空間狹小，鋼筋施工時(shí)間約占索塔施工時(shí)間的60%。此外，鋼筋施工存在定位精度較低的問題，施工監(jiān)管難度較大，質(zhì)量控制要求較高。針對(duì)超高索塔鋼筋施工特點(diǎn)，已進(jìn)行了鋼筋裝配化施工實(shí)踐[1-5]，如貴州鴨池河大橋采用鋼筋部品塔下人工綁扎成型、預(yù)制節(jié)段整體吊裝入塔的方式(見圖1)，有效減少了高空作業(yè)量，但對(duì)吊裝的要求較高，且未從根本上減少鋼筋部品制作人工成本，無法達(dá)到工廠化生產(chǎn)水平；廣東虎門二橋施工時(shí)將鋼筋部品拆分成短網(wǎng)片(見圖2)，網(wǎng)片由工廠預(yù)制，在索塔處進(jìn)行拼裝，施工效率較高，但現(xiàn)場(chǎng)工作量仍較大，所用時(shí)間仍較多。

圖1 鋼筋部品整體吊裝

圖2 鋼筋網(wǎng)片分片吊裝

索塔鋼筋施工關(guān)鍵工藝為鋼筋網(wǎng)片工廠整體彎折成型、現(xiàn)場(chǎng)部品化組裝，針對(duì)鋼筋網(wǎng)片加工、彎折成型等過程，國(guó)外推出了一體化設(shè)備[6-8]，將鋼筋焊接生產(chǎn)線、網(wǎng)片定位抓取、網(wǎng)片整體彎折成型等進(jìn)行流水線式聯(lián)動(dòng)控制。國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼筋網(wǎng)片加工、彎折成型設(shè)備的研究處于起步階段，主要以鋼筋網(wǎng)片折角彎曲為主，鋼筋上下料、彎曲長(zhǎng)度和角度通常需通過人工控制，生產(chǎn)效率一般，定位及彎折精度難以保證，且不易實(shí)現(xiàn)多角度連續(xù)彎折。

深圳至中山跨江通道(深中通道)工程對(duì)索塔鋼筋部品化施工工藝進(jìn)行了有益嘗試，鋼筋部品如圖3所示，工藝流程為：鋼筋網(wǎng)片整體彎折成型→網(wǎng)片堆存及運(yùn)輸→部品現(xiàn)場(chǎng)組拼，鋼筋網(wǎng)片整體彎折成型時(shí)采用自主研發(fā)的TD6000-30型鋼筋網(wǎng)片柔性制作生產(chǎn)線，將大部分鋼筋施工作業(yè)轉(zhuǎn)移至地面工廠進(jìn)行，對(duì)鋼筋部品制作、運(yùn)輸與裝配進(jìn)行全過程精度控制。

圖3 深中通道索塔鋼筋部品

對(duì)于截面形式較復(fù)雜的情況，已有生產(chǎn)線適用性尚需進(jìn)一步研究，需研發(fā)適用于多種網(wǎng)片形狀的整體彎折成型控制技術(shù)與設(shè)備等。為此，依托南京龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋工程，基于弧形鋼筋網(wǎng)片彎折、鋼筋部品組裝等，對(duì)超高索塔鋼筋網(wǎng)片工廠化成型與部品快速裝配技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

南京龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋主塔為門式結(jié)構(gòu)，塔高237.5m，塔柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。塔柱截面由直線段、折線段、弧形段組成，為不規(guī)則八邊形，如圖4所示，截面寬7～9m，截面長(zhǎng)由塔頂?shù)?0m漸變?yōu)樗椎?2m，傾斜角度2°～3°。

圖4 索塔截面示意

塔柱采用一體化筑塔技術(shù)施工，為適應(yīng)截面尺寸沿高度的變化，每隔6m劃分為1個(gè)節(jié)段，節(jié)段內(nèi)主筋連接接頭多達(dá)520個(gè)，縱向箍筋共60層。

2 弧形鋼筋網(wǎng)片彎折回彈試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

采用橫向多點(diǎn)整體彎折、徑向以折代曲的方式開展弧形鋼筋網(wǎng)片彎折回彈試驗(yàn)，鋼筋網(wǎng)片尺寸為4m×2m，如圖5所示，主筋直徑32mm，箍筋直徑20mm，橫向間隔布置型鋼，避免彎折時(shí)主筋因觸碰預(yù)彎點(diǎn)而脫離，同時(shí)提高整體性。試驗(yàn)裝置主要由立架和支撐桿組成，如圖6所示。試驗(yàn)流程為：鋼筋網(wǎng)片整體預(yù)彎至支撐桿→卸載回彈→垂直放置鋼筋網(wǎng)片，測(cè)量回彈點(diǎn)位坐標(biāo)，如圖7所示。鋼筋網(wǎng)片彎折時(shí)，利用橋式起重機(jī)牽引網(wǎng)片，將手拉葫蘆掛設(shè)在相同吊點(diǎn)位置，拉動(dòng)網(wǎng)片使型鋼緊貼支撐桿，及時(shí)調(diào)整起重機(jī)水平位置，保證鋼筋網(wǎng)片臨時(shí)固定。卸載回彈時(shí)，下放吊繩至回彈量不再變化，將鋼筋網(wǎng)片吊至與地面垂直后放置，避免鋼筋網(wǎng)片在自重作用下沿箍筋方向發(fā)生回彈。

圖5 鋼筋網(wǎng)片示意

圖6 試驗(yàn)裝置

圖7 試驗(yàn)流程

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

鋼筋網(wǎng)片回彈規(guī)律與單根鋼筋相似，主筋頂部、底部在地面上的投影幾乎重合，回彈量基本相同，說明在鋼筋網(wǎng)片中設(shè)置主筋可保證整體彎折回彈效果?；貜椇箐摻罱徊婧附狱c(diǎn)未出現(xiàn)脫離，鋼筋網(wǎng)片沿箍筋方向的剛度較小，可通過調(diào)節(jié)端部箍筋彎曲程度實(shí)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)片對(duì)接。

對(duì)于鋼筋網(wǎng)片整體彎折回彈預(yù)測(cè)，參考文獻(xiàn)[9-12]研究成果，計(jì)算得到鋼筋網(wǎng)片預(yù)彎半徑為1.410m，回彈后半徑為2.751m，預(yù)彎圓心角為110°，回彈后圓心角為56°。為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用圖8所示硬化彈塑性兩折線本構(gòu)模型，該本構(gòu)模型下的計(jì)算回彈曲線與實(shí)測(cè)回彈曲線吻合良好。

圖8 簡(jiǎn)化本構(gòu)模型

3 鋼筋網(wǎng)片分塊

3.1 分塊原則

進(jìn)行鋼筋網(wǎng)片分塊時(shí)綜合考慮彎折成型、運(yùn)輸、地面組拼、節(jié)段安裝的影響，基于施工可行性，需滿足以下原則：①考慮對(duì)設(shè)備及彎折工藝的影響；②滿足裝載、定型、運(yùn)輸要求；③滿足鋼筋對(duì)接要求，考慮分塊數(shù)量對(duì)鋼筋網(wǎng)片對(duì)接工作量的影響；④考慮分塊制作精度對(duì)鋼筋網(wǎng)片對(duì)接誤差的影響。

3.2 分塊方案

分塊方案如圖9所示，由弧形、折線形鋼筋網(wǎng)片構(gòu)成1，1’分塊，由直線形鋼筋網(wǎng)片構(gòu)成2，2’分塊。

圖9 鋼筋網(wǎng)片分塊示意

4 鋼筋網(wǎng)片工廠化制作

鋼筋網(wǎng)片工廠化制作應(yīng)包括單鋼筋下料至成品存放全過程，工藝流程為：?jiǎn)胃摻钪谱鳌拷钸B接→箍筋自動(dòng)布料→箍筋平面內(nèi)一次彎折→主筋自動(dòng)布料→自動(dòng)焊接→立體二次彎折→成品轉(zhuǎn)移至彎折平臺(tái)→彎折成型→成品轉(zhuǎn)運(yùn)。

箍筋通過橋式起重機(jī)吊運(yùn)至備料臺(tái)上，利用箍筋階梯上料，利用閃光對(duì)焊將等長(zhǎng)箍筋連成通長(zhǎng)鋼筋，然后切割成長(zhǎng)度不一的單根鋼筋。制作完成的箍筋按順序在布料臺(tái)上自動(dòng)排列整齊，牽引至網(wǎng)片制作區(qū)域，利用平面彎折機(jī)固定箍筋，完成箍筋平面內(nèi)一次彎折。

通過送料小車將主筋送至布料龍門，開始布料時(shí)僅焊接2根主筋，起臨時(shí)固定箍筋的作用，布料一段時(shí)間后，焊接剩余主筋，完成平面網(wǎng)片制作。

進(jìn)行立體二次彎折時(shí)，折線形鋼筋網(wǎng)片存在2個(gè)彎折過程，均通過彎折機(jī)完成預(yù)設(shè)角度的彎折。進(jìn)行第2次彎折時(shí)，需臨時(shí)固定第1次彎折角兩邊鋼筋網(wǎng)片，以保證鋼筋剛度。彎折完成后，對(duì)外側(cè)鋼筋進(jìn)行臨時(shí)支撐固定，防止鋼筋網(wǎng)片變形垮塌。

弧形鋼筋網(wǎng)片采用橫向多點(diǎn)整體彎折、徑向以折代曲的思路，支撐桿作為箍筋彎折支撐，通過橋式起重機(jī)拉動(dòng)鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片下方設(shè)置滾輪機(jī)構(gòu)，以保證鋼筋網(wǎng)片緊貼支撐桿。為方便吊出鋼筋網(wǎng)片，彎折機(jī)增設(shè)撤離彎折工作面功能，即在彎折機(jī)兩側(cè)立柱內(nèi)部及下部設(shè)置油缸，將支撐桿升起后撤離彎折工作面。

為使折線形與弧形鋼筋網(wǎng)片成型互不干擾，研發(fā)整體彎折成型生產(chǎn)線，大幅度提高了成型效率與質(zhì)量，如圖10所示。

圖10 整體彎折成型生產(chǎn)線

5 鋼筋部品快速裝配

鋼筋網(wǎng)片制作完成后，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速裝配。裝配平臺(tái)位于橋位下方，與索塔混凝土工作面互不沖突，二者協(xié)調(diào)作業(yè)，可有效加快施工速度。

5.1 網(wǎng)片定位對(duì)接

裝配平臺(tái)采用可移動(dòng)式設(shè)計(jì)，可適應(yīng)不同截面形式鋼筋部品組裝。此外，裝配平臺(tái)頂部與底部的定位裝置可保證鋼筋網(wǎng)片精確定位。頂部定位裝置安裝時(shí)，將其固定在裝配平臺(tái)上，并與鋼筋網(wǎng)片連接；底部定位裝置由槽鋼和引導(dǎo)設(shè)備組成，可與裝配平臺(tái)同時(shí)移動(dòng)；中部定位裝置由撐桿組成。在鋼筋部品頂?shù)卓趦?nèi)外層及豎向平面分別設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)加固措施，將節(jié)段鋼筋連成整體，增加鋼筋部品整體剛度，保證穩(wěn)定性。鋼筋網(wǎng)片定位后搭接箍筋，并綁扎內(nèi)外層網(wǎng)片連接鋼筋(U形筋及拉鉤筋)。

5.2 鋼筋部品安裝

采用錐套鎖緊鋼筋接頭的方式進(jìn)行鋼筋部品對(duì)接，該接頭由錐套、鎖片、鎖片保持架組成(見圖11)，連接鋼筋時(shí)無須轉(zhuǎn)動(dòng)，通過在鋼筋外圍施加力矩完成對(duì)接[13]。由于主筋無須進(jìn)行螺紋加工，可節(jié)省一定成本。此外，錐套鎖緊鋼筋接頭性能優(yōu)異，質(zhì)量檢查方便，允許待接鋼筋位置存在較大精度誤差。

圖11 錐套鎖緊鋼筋接頭

鋼筋部品安裝前，將液壓鉗和液壓泵站安裝在工程車上，提前將錐套固定在塔柱已施工完成節(jié)段主筋上。鋼筋部品定位對(duì)接時(shí)，首先將其吊至塔內(nèi)支撐架上，然后利用導(dǎo)向裝置快速定位，導(dǎo)向裝置中的型鋼件用于固定鋼筋部品，對(duì)接處設(shè)計(jì)成錐頭插銷形式，以實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)，如圖12所示。

圖12 導(dǎo)向裝置

6 結(jié)語

依托南京龍?zhí)堕L(zhǎng)江大橋工程，研發(fā)鋼筋網(wǎng)片工廠化制作成型與部品快速裝配技術(shù)。開展弧形鋼筋網(wǎng)片彎折回彈試驗(yàn)，結(jié)果表明橫向多點(diǎn)整體彎折、徑向以折代曲的方式可使鋼筋網(wǎng)片回彈曲線具有較好的弧度，網(wǎng)片中設(shè)置的主筋可保證彎折回彈整體效果。對(duì)鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行分塊，可保證整體成型質(zhì)量，使鋼筋部品快速裝配可控性較好。為使弧形與折線形鋼筋網(wǎng)片成型互不干擾，研發(fā)整體彎折成型生產(chǎn)線，大幅度提高了成型效率與質(zhì)量。