高分子復(fù)合材料3D打印景觀橋安裝技術(shù)*

陳曉明，吳曉風(fēng),3，陸承麟,3

(1.上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；2.上海面向典型建筑應(yīng)用機(jī)器人工程技術(shù)研究中心，上海 200072；3.上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，上海 200072)

0 引言

3D打印技術(shù)是突破傳統(tǒng)切削加工方式，通過材料堆積形成實(shí)物的增材制造技術(shù)，具有節(jié)材、省時(shí)、免模具和高精度等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于制作造型復(fù)雜或個(gè)性定制的產(chǎn)品。目前，3D打印材料主要包括聚合類材料、金屬材料和陶瓷材料等。3D打印工藝多樣，且不同工藝具有與之適應(yīng)的材料類型。本文結(jié)合福建泉州“云水橋”和四川成都“流云橋”，對(duì)高分子復(fù)合材料3D打印景觀橋安裝工藝進(jìn)行介紹，以為類似項(xiàng)目提供參考，促進(jìn)3D打印技術(shù)的發(fā)展。

1 3D打印景觀橋結(jié)構(gòu)組成

相比砂漿類3D打印技術(shù)，高分子復(fù)合材料3D打印技術(shù)具有工藝更成熟、層間黏結(jié)性能更優(yōu)、精度更高等優(yōu)勢(shì)，但高分子復(fù)合材料存在彈性模量較低且剛度不足等問題，難以直接打印作為建筑主結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件。此外，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，高分子復(fù)合材料3D打印過程中，經(jīng)高溫軟化及堆積固化后，打印構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，進(jìn)而發(fā)生翹曲變形，且隨著打印構(gòu)件尺寸的增加變形越嚴(yán)重。因此，限于打印工藝，難以利用高分子復(fù)合材料直接打印突破一定尺寸限制的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

對(duì)于景觀橋，其跨度普遍在10m以上，該尺度難以采用高分子復(fù)合材料3D打印一次成型。為此，提出鋼-高分子復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，即利用剛度、強(qiáng)度較大的鋼材制造景觀橋內(nèi)置主承力結(jié)構(gòu)，利用高分子復(fù)合材料在3D打印方面更成熟可靠的優(yōu)勢(shì)，制造非規(guī)整的外觀造型構(gòu)件，如圖1所示。打印構(gòu)件沿橋跨方向進(jìn)行分段，每段長(zhǎng)度控制為1.0～1.5m，以減小打印構(gòu)件翹曲變形。在此基礎(chǔ)上，通過打印預(yù)留翹曲量及打印完成后進(jìn)行分段面銑削，確保打印構(gòu)件拼接面精度。

圖1 鋼-高分子復(fù)合材料組合結(jié)構(gòu)

1.1 福建泉州“云水橋”

“云水橋”位于福建省泉州市生態(tài)連綿帶公園內(nèi)，橋長(zhǎng)17.5m，寬4.0m，總高3.2m，呈拱狀，矢高1.025m，如圖2所示。內(nèi)置鋼箱梁作為承力主結(jié)構(gòu)，外部橋形打印構(gòu)件沿橋跨方向等分為16段，每段長(zhǎng)1.075m，段間接縫寬度約20mm。鋼梁下翼緣兩端共設(shè)置4個(gè)支座，經(jīng)分析“云水橋”支座不存在承拉工況，因此采用不抗拉的板式橡膠支座。

圖2 “云水橋”橋形及尺寸

1.2 四川成都“流云橋”

“流云橋”位于四川省成都市驛馬河公園內(nèi)，橋長(zhǎng)22.5m，寬2.6m，總高2.7m。水平和豎直方向均存在彎曲構(gòu)型，其中水平向弧高約1.467m，豎向矢高約0.765m，如圖3所示。采用內(nèi)置鋼箱梁作為承力主結(jié)構(gòu)，外部橋形打印構(gòu)件沿水平弧向分為20段，每段長(zhǎng)1.12～1.15m，段間接縫寬度約20mm。鋼梁下翼緣兩端共設(shè)置8個(gè)支座，經(jīng)分析“流云橋”支座不存在承拉工況，因此同樣采用不抗拉的板式橡膠支座。

圖3 “流云橋”橋形及尺寸

2 打印構(gòu)件安裝工藝

打印構(gòu)件可視為依托于內(nèi)置鋼結(jié)構(gòu)上的附屬結(jié)構(gòu)，因此需待鋼結(jié)構(gòu)加工完成后進(jìn)行打印構(gòu)件安裝，具體安裝流程如下。

1)打印構(gòu)件開孔 為防止打印構(gòu)件在風(fēng)荷載和人行振動(dòng)荷載等作用下，豎向脫離鋼結(jié)構(gòu)，采用螺栓將打印構(gòu)件與鋼梁上翼緣連接。因高分子復(fù)合材料與鋼材線膨脹系數(shù)差異較大，因此應(yīng)防止鋼梁與打印構(gòu)件形成抗剪作用，避免打印構(gòu)件因溫度變形在開孔區(qū)發(fā)生破壞。為此，每個(gè)打印構(gòu)件僅在一端設(shè)置螺栓連接，也可在打印構(gòu)件上開設(shè)大圓孔。為滿足連接螺栓安裝要求，需預(yù)先采用機(jī)械鉆頭在打印構(gòu)件上開設(shè)螺栓孔，完成開孔后采用熱熔槍對(duì)開孔周邊區(qū)域進(jìn)行加熱，使其軟化，以修復(fù)由鉆孔產(chǎn)生的微損傷。在熱熔過程中，在孔洞內(nèi)同步輕敲置入鋼管，為后續(xù)安裝各打印段硬限位的固定壓板提供預(yù)留孔。

2)鋪設(shè)橡膠墊 若打印構(gòu)件與鋼梁上翼緣為硬接觸，由于鋼梁上翼緣板焊接變形等問題，可能導(dǎo)致打印構(gòu)件僅局部支承在鋼梁上，既造成打印構(gòu)件局部受力較大，又影響使用舒適性。為此，在打印構(gòu)件與鋼梁間鋪設(shè)橡膠墊，實(shí)現(xiàn)二者軟承壓接觸。橡膠墊截面尺寸為53mm×5mm，沿鋼梁全長(zhǎng)布置，間距約250mm，通過專用膠水粘于鋼梁上翼緣。

3)預(yù)拼裝 將打印構(gòu)件按理論位置進(jìn)行預(yù)拼裝，并結(jié)合鋼梁與打印構(gòu)件實(shí)際尺寸，通過微調(diào)打印構(gòu)件間隙，使打印構(gòu)件合理平順地排布于鋼梁上。通過預(yù)拼裝，確定每段打印構(gòu)件具體位置，并在鋼梁上做好標(biāo)記。同時(shí)，根據(jù)打印構(gòu)件上的開孔，在鋼梁上翼緣做好標(biāo)記，待打印構(gòu)件吊離鋼梁后，在鋼梁上翼緣對(duì)應(yīng)標(biāo)記位置鉆螺紋孔。

4)正式拼裝 根據(jù)預(yù)拼裝確定的位置，將打印構(gòu)件按順序放置就位，每放置一段，及時(shí)安裝與鋼梁相連的螺栓，連接螺栓通過定制鋼蓋板與打印構(gòu)件承壓接觸，以擴(kuò)大承壓面積，降低打印構(gòu)件局壓應(yīng)力。所有打印構(gòu)件安裝完畢后，通過側(cè)向限位件對(duì)打印構(gòu)件水平位形進(jìn)行微調(diào)，使打印構(gòu)件接縫過渡自然平順。微調(diào)完成后，將所有側(cè)向限位件螺栓頂緊打印構(gòu)件側(cè)壁，并擰緊側(cè)向限位件后置螺栓。

5)接縫處理 接縫處理的目的是將打印構(gòu)件接縫進(jìn)行封閉，并控制其色彩盡量接近打印構(gòu)件顏色，以實(shí)現(xiàn)外觀形式的統(tǒng)一?？刹捎媚秃蛎芊饽z填充，也可嵌入橡膠帶，應(yīng)保證具有優(yōu)越的耐候性和可伸縮性。采用耐候密封膠填充工藝時(shí)，應(yīng)先嵌入PE棒作為內(nèi)襯，并在接縫兩側(cè)打印構(gòu)件邊緣粘貼膠帶，然后涂刷耐候密封膠。

6)鋪設(shè)塑膠步道 完成前述安裝步驟并驗(yàn)收合格后，對(duì)打印構(gòu)件表面進(jìn)行清洗。清洗完成后，在打印構(gòu)件面板上鋪設(shè)塑膠步道，以供行人通行。至此，打印構(gòu)件全部安裝工序均結(jié)束，整體驗(yàn)收后即可投入使用。

3 景觀橋安裝工藝

完成打印構(gòu)件安裝后，景觀橋已基本成型，需完成景觀橋安裝。“云水橋”和“流云橋”采用不同的現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝。

3.1 “云水橋”現(xiàn)場(chǎng)安裝

打印構(gòu)件分段拼裝工藝在“云水橋”上首次應(yīng)用，考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)距離較遠(yuǎn)，首次拼裝存在較多問題，且不便在施工現(xiàn)場(chǎng)解決，因此“云水橋”采用“打印構(gòu)件工廠組裝、現(xiàn)場(chǎng)整體吊裝”施工工藝。

1)整體運(yùn)輸 完成打印構(gòu)件安裝后，在“云水橋”外圍包裹塑料膜進(jìn)行保護(hù)，防止運(yùn)輸過程對(duì)景觀橋造成污染，破壞景觀橋外觀視覺效果?！霸扑畼颉笨傎|(zhì)量約30t，由大件運(yùn)輸公司負(fù)責(zé)工廠至施工現(xiàn)場(chǎng)的整件運(yùn)輸。

2)整體吊裝 因打印構(gòu)件和內(nèi)置鋼梁需整體吊裝，因此吊裝方案應(yīng)充分考慮吊具裝拆的方便性，且吊具不得擠壓打印構(gòu)件。采用在內(nèi)置鋼梁下設(shè)鋼托梁的方式作為吊具生根點(diǎn)，鋼托梁垂直于橋長(zhǎng)軸方向布置。鋼托梁與內(nèi)置鋼梁通過圓管嵌套方式形成抗剪構(gòu)造，以平衡由于吊具傾斜帶來的水平剪力。采用4點(diǎn)吊裝方式，共布設(shè)2根鋼托梁，每根鋼托梁兩端各設(shè)置1個(gè)吊點(diǎn)。吊具采用吊帶，為防止吊帶擠壓打印構(gòu)件，鋼托梁沿“云水橋”寬度方向伸出一定距離。

3)安裝與校正 “云水橋”通過4個(gè)橡膠支座擱置在混凝土承臺(tái)上，橡膠支座與“云水橋”鋼梁宜采用螺栓連接，與混凝土承臺(tái)埋件宜采用焊接連接。因橡膠支座按形成靜定約束考慮，則橡膠支座水平剪力主要由景觀橋承受的水平風(fēng)荷載產(chǎn)生，計(jì)算知單個(gè)橡膠支座承受的水平剪力設(shè)計(jì)值約為16kN，受力較小，因此橡膠支座與埋件間的焊縫按構(gòu)造考慮即可滿足要求。此外，考慮到焊接熱輸入易對(duì)橡膠支座產(chǎn)生損傷，宜在橡膠支座底板4個(gè)角部施焊，且焊接長(zhǎng)度宜≤5cm，焊接高度宜≤6mm?，F(xiàn)澆混凝土承臺(tái)標(biāo)高一般設(shè)置負(fù)偏差，因此需通過墊片進(jìn)行標(biāo)高修正。標(biāo)高偏差較小時(shí)(<6mm)，墊片可設(shè)置在支座與承臺(tái)間，也可設(shè)置在支座與鋼梁間。標(biāo)高偏差較大時(shí)，墊塊宜設(shè)置在支座與承臺(tái)間，且應(yīng)保證墊塊與橡膠支座埋件焊接牢固?，F(xiàn)場(chǎng)采用全站儀進(jìn)行標(biāo)高和水平坐標(biāo)量測(cè)，選取鋼梁上翼緣4個(gè)端部角點(diǎn)作為坐標(biāo)控制點(diǎn)。“云水橋”最終完成形態(tài)如圖4所示。

圖4 “云水橋”完成形態(tài)

3.2 “流云橋”現(xiàn)場(chǎng)安裝

“流云橋”安裝采用打印構(gòu)件分段拼裝、端面銑削精加工及三維掃描數(shù)字化拼裝工藝，對(duì)打印構(gòu)件制作精度要求更高。此外，“流云橋”跨度更大，運(yùn)輸距離更遠(yuǎn)。綜合考慮多方面因素后，采用“鋼梁與打印構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)原位安裝”的施工工藝。

1)分段運(yùn)輸 除打印構(gòu)件分段運(yùn)輸外，對(duì)內(nèi)置鋼梁進(jìn)行了分段，以避免大件運(yùn)輸，降低了運(yùn)輸成本。鋼梁分段位置如圖5所示，每段鋼梁長(zhǎng)度≤12m。

圖5 鋼梁分段示意

2)鋼梁安裝 首先進(jìn)行鋼梁原位安裝。與“云水橋”不同，“流云橋”鋼梁?jiǎn)为?dú)吊裝，因此無須設(shè)置底托梁，以避開打印構(gòu)件。采用吊帶直接捆綁吊裝的方式，借助每段鋼梁上4個(gè)橡膠支座處外凸鋼結(jié)構(gòu)作為吊帶捆綁的抗剪卡件。一側(cè)吊帶直接連接鋼絲繩，另一側(cè)吊帶連接5t手拉葫蘆后再連接鋼絲繩，通過調(diào)節(jié)手拉葫蘆使鋼梁傾斜角度基本吻合成橋形態(tài)。鋼梁標(biāo)高和水平位形校正采用與“云水橋”相同的處理方式。兩端鋼梁校正就位后，首先完成鋼梁上、下翼緣熔透對(duì)接焊，然后進(jìn)行腹板間熔透對(duì)接焊，最終形成完整的結(jié)構(gòu)鋼梁。

3)打印構(gòu)件安裝 完成鋼梁安裝后，進(jìn)行打印構(gòu)件原位安裝及塑膠步道施工。“流云橋”最終完成形態(tài)如圖6所示。

圖6 “流云橋”完成形態(tài)

4 結(jié)語(yǔ)

1)受高分子復(fù)合材料3D打印工藝和打印性能等影響，建筑領(lǐng)域大型結(jié)構(gòu)的打印宜采用“分段打印、組拼成型”的制作模式，并應(yīng)結(jié)合其他常規(guī)材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)。

2)以高分子復(fù)合材料3D打印景觀橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)打印構(gòu)件組拼工藝進(jìn)行敘述，實(shí)踐表明，景觀橋安裝時(shí)采用的組拼工藝可保證打印構(gòu)件與內(nèi)置鋼梁協(xié)調(diào)工作，且打印構(gòu)件組拼后的整體外觀造型基本滿足設(shè)計(jì)初衷。

3)打印構(gòu)件間密封膠是否具有足夠的伸縮性能有待進(jìn)一步跟蹤研究。相對(duì)而言，采用嵌入橡膠帶的方式更簡(jiǎn)便、可靠，但在細(xì)部外觀效果呈現(xiàn)上略有區(qū)別。

4)“云水橋”現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)需設(shè)置超出打印構(gòu)件寬度的鋼托梁，以防止吊具對(duì)打印構(gòu)件產(chǎn)生擠壓。采用鋼墊片對(duì)景觀橋標(biāo)高進(jìn)行修正，并設(shè)置板式橡膠支座。

5)“流云橋”采用現(xiàn)場(chǎng)組拼后，組拼效果與工廠組拼效果基本一致，且降低了運(yùn)輸成本及對(duì)起重設(shè)備的配置需求，優(yōu)勢(shì)顯著。