橋塔弧形鋼筋網(wǎng)片試驗(yàn)驗(yàn)證與成型方法

李冬冬，張益鵬，陳 斌

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.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；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司，北京 100032）

傳統(tǒng)橋塔弧形部分施工方法是單個(gè)箍筋彎曲，在塔柱主筋上進(jìn)行人工綁扎，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工風(fēng)險(xiǎn)高；設(shè)計(jì)一套新型制作大型弧形網(wǎng)片一體成型裝置，效率高，在地面上進(jìn)行，安全性好。

龍?zhí)哆^江大橋LT-3 合同段南岸塔柱為弧形豎面變截面空心橋塔，塔柱高249m，弧形段的固定直徑1/4 圓弧，內(nèi)部鋼筋結(jié)構(gòu)為雙層環(huán)形；塔柱施工采用鋼筋部品整體吊裝方式，按節(jié)段劃分，共42 個(gè)節(jié)段；每個(gè)鋼筋部品分為4 張網(wǎng)片，其中2 張折網(wǎng)片，2 張弧網(wǎng)片。網(wǎng)片均采用鋼筋TD6000-30 鋼筋網(wǎng)片生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，折網(wǎng)片通過立體彎折設(shè)備進(jìn)行折網(wǎng)片成型，一體式立體彎弧裝置進(jìn)行弧網(wǎng)片立體成型；共需要制作64 張高6m 彎曲半徑為1.44m 的弧形網(wǎng)片，共進(jìn)行128次網(wǎng)片彎弧。

網(wǎng)片鋼筋均采用HRB400 普通帶肋直螺紋鋼筋，標(biāo)準(zhǔn)彈性模量E＝200GPa，屈服強(qiáng)度σs＝400MPa；?40 鋼筋的單位質(zhì)量為9.87kg/m，?20 鋼筋的單位質(zhì)量為2.47kg/m。

試驗(yàn)共8 張網(wǎng)片，網(wǎng)片長(zhǎng)18.6m 高5.98m，每端彎曲為半徑1.5m 的1/4 圓弧，對(duì)網(wǎng)片采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，每層箍筋于主筋交叉點(diǎn)與理論對(duì)比記錄，分析得出應(yīng)用結(jié)論。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 模型假設(shè)

鋼筋網(wǎng)片整體彎弧，可以看作是多根箍筋彎曲的同尺寸組合。通過對(duì)單根鋼筋的彎曲計(jì)算，拓展到整體網(wǎng)片的彎弧。在研究鋼筋彎曲時(shí)，做如下假設(shè)。

1）平斷面假設(shè) 彎曲時(shí)，各層纖維的應(yīng)變與其到中性層的距離成正比；鋼筋的剪應(yīng)力忽略不計(jì)。

2）中性層不變假設(shè) 彎曲過程中，鋼筋的彎曲不會(huì)使中性層產(chǎn)生塑性變形。

3）純彎曲假設(shè) 鋼筋只受到彎矩作用。

4）焊接簡(jiǎn)化 焊接部位簡(jiǎn)化為剛接，根據(jù)影響區(qū)域?qū)︿摻顓?shù)進(jìn)行修正。

注：立彎計(jì)算不考慮重力影響。

1.2 理論依據(jù)

箍筋斷面焊接主筋后產(chǎn)生殘余應(yīng)力σv，σv恒小于鋼材屈服強(qiáng)度，即

σv＝Eεvσt-σv＝E（εt-εv）

設(shè)殘余應(yīng)力引起的屈服應(yīng)變等效衰減系數(shù)為μ，考慮殘余應(yīng)力后的等效屈服應(yīng)變?yōu)棣舠＝εt-εv，則

代入鋼筋回彈公式[2]得鋼筋焊接網(wǎng)片整體彎折回彈方程組

式中rw——鋼筋預(yù)彎半徑；

εt——鋼筋屈服應(yīng)變；

R——鋼筋半徑；

η——鋼筋強(qiáng)化系數(shù)，η＝E1/E，E為彈性模量，E1為強(qiáng)化節(jié)段的簡(jiǎn)化直線模量；

θ1——預(yù)彎對(duì)應(yīng)的圓心角；

θ2——回彈對(duì)應(yīng)的圓心角；

rc——回彈后的半徑。

1）原始曲率 鋼筋初始狀態(tài)下的曲率，用A0表示，A0＝1/r0，試驗(yàn)箍筋初始狀態(tài)為水平，A0＝0。

2）反彎曲率 鋼筋在外力作用后的曲率，用AW表示，Aw＝1/rw試驗(yàn)箍筋即為彎折狀態(tài)后的曲率。

3）總變形曲率 原始曲率與反彎曲率的代數(shù)和，用Aε表示，則Aε＝Aw+A0，試驗(yàn)箍筋的總變形曲率Aε＝Aw。

4）彈復(fù)曲率 作用在鋼筋上的外力移除后，鋼筋回彈后曲率變化量，用Af表示，且有Af＝Aw-Ac。

5）殘余曲率 鋼筋彈復(fù)后的曲率，用Ac表示，Ac＝1/rc。

各曲率相對(duì)表達(dá)式如表1 所示。

表1 各曲率相對(duì)表達(dá)式

1.3 計(jì)算

由試驗(yàn)件拉伸試驗(yàn)指標(biāo)，確定試驗(yàn)件屈服強(qiáng)度σt＝445MPa，彈性模量E＝206MPa，抗拉強(qiáng)度σp＝635MPa。下屈服應(yīng)變?yōu)棣舤＝0.00216，結(jié)合文獻(xiàn)《HRB400 鋼筋單調(diào)拉伸及低周疲勞性能試驗(yàn)研究》，考慮強(qiáng)化初始階段的應(yīng)變?yōu)?.0164，峰值應(yīng)力即抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.1339。

根據(jù)上述理論假設(shè)，試驗(yàn)件本構(gòu)為彈性-屈服的兩折線模型，簡(jiǎn)化后的本構(gòu)模型如圖1 所示，可得強(qiáng)化系數(shù)η＝E1/E＝0.007。

圖1 簡(jiǎn)化兩折模型

依據(jù)上述理論公式，假定鋼筋網(wǎng)片電焊部分的不均勻參與應(yīng)力分配到箍筋徑向通長(zhǎng)的平均殘余應(yīng)力為10MPa，可得試驗(yàn)件的各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)，等效屈服應(yīng)變?chǔ)舠＝0.002111，強(qiáng)化系數(shù)η＝0.007，箍筋半徑R＝10mm。帶入公式，求解得鋼筋網(wǎng)片預(yù)彎及回彈參數(shù)如表2 所示。

表2 網(wǎng)片試驗(yàn)預(yù)彎及回彈理論值

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 工作流程及思路

工作流程及思路如圖2 所示。

圖2 工作流程

按照計(jì)算值將設(shè)備的彎曲半徑和彎曲角度調(diào)整后，立彎第一張網(wǎng)片，與理論值對(duì)比分析；調(diào)整彎弧設(shè)備翅板，改變彎曲半徑，再進(jìn)行第二次彎弧驗(yàn)證；彎弧機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)將弧形面分為6 段共5個(gè)翅板，翅板之間主筋數(shù)量分別是2、3、3、3、3、2，調(diào)整值按照翅板上下最近的主筋偏差平均值調(diào)整嘗試。文中以同編號(hào)箍筋按同層，同編號(hào)主筋按同列。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)采用多點(diǎn)整體彎折、徑向以折代曲的方式彎曲鋼筋網(wǎng)片，試驗(yàn)準(zhǔn)備的材料有：10t 兩吊鉤桁車2 部、一體式彎弧設(shè)備（圖3）、膨脹螺絲、高強(qiáng)螺栓、固形工裝、18.6m×5.98m 網(wǎng)片、鋼絲繩等。

圖3 一體式彎弧機(jī)構(gòu)

網(wǎng)片箍筋間距為10cm 主筋間距為15cm，網(wǎng)片采取在主筋箍筋交叉點(diǎn)點(diǎn)焊，采取隔1 焊1 的二氧化碳保護(hù)焊接方式；每張網(wǎng)片兩個(gè)弧面，分別在網(wǎng)片第2.25～2.69m 和9.91～11.46m 處，每個(gè)弧面共51 根箍筋16 根主筋。

一體式彎弧試驗(yàn)設(shè)備，利用桁車預(yù)彎，液壓機(jī)械爪超彎，設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)翅板，無極可調(diào)彎曲半徑和彎曲角度，適應(yīng)不同彎曲半徑寬6.5m 內(nèi)的大型網(wǎng)片。將一體式彎弧設(shè)備的翅板rw＝0.957m進(jìn)行調(diào)節(jié)；液壓爪底座按θ1＝140.44°調(diào)節(jié)。

2.3 試驗(yàn)步驟

2.3.1 預(yù)彎

1）制作好網(wǎng)片，將一體式彎弧機(jī)構(gòu)起吊調(diào)整姿態(tài)，下部導(dǎo)向槽卡在弧形起點(diǎn)鋼筋。

2）將鋼絲繩兩端掛在網(wǎng)片的一端，桁車吊鉤掛在鋼絲繩中間，緩慢、同步起吊網(wǎng)片。

3）檢查網(wǎng)片端部為豎直狀態(tài)，網(wǎng)片下半部逐步貼緊一體式彎弧機(jī)構(gòu)的翅板后停止桁車動(dòng)作。

2.3.2 超彎、回彈

1）伸長(zhǎng)彎弧機(jī)構(gòu)的3 個(gè)液壓機(jī)械爪，將液壓機(jī)械爪抓鉤鉤住弧形面末端主筋。

2）回縮彎弧機(jī)構(gòu)的3 個(gè)液壓機(jī)械爪，同步落下吊鉤將液壓機(jī)械爪縮回到底。

3）回彈：①伸長(zhǎng)彎弧機(jī)構(gòu)的3 個(gè)液壓機(jī)械爪，同步提起吊鉤，直至取下液壓機(jī)械爪；②緩慢調(diào)整吊鉤高度及桁車，使網(wǎng)片弧形面終點(diǎn)主筋距離網(wǎng)片水平面高度、弧形面起點(diǎn)主筋距離網(wǎng)片豎直面均為1.47m；③安裝網(wǎng)片的直撐斜撐，取下網(wǎng)片桁車鋼絲繩。

2.3.3 網(wǎng)片起吊、翻身、釋放彈性形變

1）安裝弧形網(wǎng)片的固形工裝、采取每端6 吊點(diǎn)方式2 桁車同步將網(wǎng)片吊至空曠場(chǎng)地。

2）下落網(wǎng)片底部的吊鉤，提升網(wǎng)片頂部吊鉤，使網(wǎng)片在空中翻身至豎直狀態(tài)，放至地面。

3）拆除固形工裝，將弧形網(wǎng)片起點(diǎn)向網(wǎng)片中心線數(shù)第二根設(shè)置吊點(diǎn)，分別依次緩慢提起網(wǎng)片一端離地面2cm 釋放彈性變形，待網(wǎng)片靜止后，緩慢下方網(wǎng)片。

2.3.4 彎弧機(jī)構(gòu)調(diào)整

考慮到立彎回彈后續(xù)步驟重力影響，每次彎弧后，三維激光掃描進(jìn)行分析，調(diào)整彎弧翅板來調(diào)整彎曲半徑，減少重力影響造成的形變。

2.4 測(cè)量、分析和調(diào)整

2.4.1 測(cè)量

網(wǎng)片立起后高5.98m，使用徠卡P40 三維激光掃描儀設(shè)置精度到10m/0.8mm 進(jìn)行掃描；提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后對(duì)每張網(wǎng)片的弧形部分的以箍筋為層按水平面截取，在CAD 中采用多段線擬合主筋外表面與理論曲線進(jìn)行測(cè)量對(duì)比記錄，一共記錄4 張網(wǎng)片，每張網(wǎng)片51 層、每層16 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，8 個(gè)弧面共6 528 個(gè)交叉點(diǎn)與理論值的對(duì)比偏差。

圖4 為三維激光掃描點(diǎn)云，從下往上按高度分層漸變；圖5 為單層箍筋點(diǎn)云擬合線與理論值偏差。

圖4 網(wǎng)片點(diǎn)云

圖5 單層箍筋點(diǎn)云偏差記錄

2.4.2 分析和調(diào)整

1）圖6 為兩次彎弧共32 根主筋同列51 個(gè)交叉點(diǎn)的方差，分析同列離散性，可以看到同一主筋各交叉點(diǎn)偏差相差很小。

圖6 偏差離散度

2）定性分析圖7 可以看出第一張網(wǎng)片兩次彎弧偏差趨勢(shì)存在一致性，最大偏差達(dá)到3.87cm；不滿足2cm 要求的主筋主要分布在彎弧機(jī)構(gòu)中間3 個(gè)翅板，分別將一體式彎弧機(jī)構(gòu)翅板從下往上數(shù)第2、3、4 調(diào)整縮短彎曲半徑2.78cm、3.72cm、2.11cm。

圖7 第1張網(wǎng)片弧形段偏差

3）定性分析圖8，調(diào)整后再次分析二次網(wǎng)片弧形段偏差均滿足工程施工要求精度。

圖8 第2張網(wǎng)片弧形段偏差

4）定量分析圖9，第3～8張網(wǎng)片弧形段偏差，可以看出調(diào)整后連續(xù)6 張網(wǎng)片生產(chǎn)，偏差穩(wěn)定，均滿足鋼筋保護(hù)層厚度要求。

圖9 第3～8張網(wǎng)片弧形段偏差

3 工程應(yīng)用

此一體式彎弧機(jī)構(gòu)首次應(yīng)用在南京龍?zhí)哆^江大橋LT-3 橋塔項(xiàng)目：1～10 節(jié)段人工綁扎模式，11～42 節(jié)鋼筋部品吊裝；鋼筋廠內(nèi)生產(chǎn)網(wǎng)片，運(yùn)至塔下胎架拼接成鋼筋部品，在塔柱吊裝的方式施工。

鋼筋部品化施工把塔柱鋼筋綁扎關(guān)鍵工序轉(zhuǎn)換成非關(guān)鍵工序，鋼筋綁扎工作交予機(jī)械設(shè)備在鋼筋廠內(nèi)進(jìn)行，提高施工效率，改善工作環(huán)境，提高施工安全性。截止投稿日期塔柱14 節(jié)段已經(jīng)澆筑完成，南北塔柱共實(shí)施8 個(gè)節(jié)段鋼筋部品，成功應(yīng)用包括試驗(yàn)使用的后7 張網(wǎng)片共16 張弧形網(wǎng)片。

1）按照3 天一個(gè)塔柱節(jié)段共需8 張網(wǎng)片施工周期，每6h 一張弧形或者折網(wǎng)片的生產(chǎn)效率，完全滿足生產(chǎn)需要。

2）鋼筋網(wǎng)片全機(jī)械化生產(chǎn)，網(wǎng)片端頭平齊度偏差±2.5mm，箍筋間距精度±1mm，弧形偏差在+2/-1cm 內(nèi)，折網(wǎng)片角度偏差1°內(nèi)，鋼筋網(wǎng)片網(wǎng)格尺寸免檢；一體式彎弧，較傳統(tǒng)鐵絲綁扎曲面度更為一致。

3）塔上鋼筋部品對(duì)接，90%以上主筋徑向偏差在1cm 內(nèi)，使用錐套進(jìn)行部品對(duì)接，有效提高鋼筋部品對(duì)接效率，1 天完成部品對(duì)接和剩余拉鉤筋穿插。

4）利用鋼筋保護(hù)層厚度測(cè)量?jī)x對(duì)澆筑后的鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行記錄，其中弧形面的鋼筋保護(hù)層厚度合格率94%，其它網(wǎng)面鋼筋保護(hù)層厚度合格率在95%以上，均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

此彎弧試驗(yàn)驗(yàn)證了在考慮焊接應(yīng)力影響情況下理論計(jì)算數(shù)據(jù)方向的正確性，在大型網(wǎng)片立式彎弧是具備應(yīng)用參考價(jià)值。

大型弧形網(wǎng)片的立彎對(duì)于精度要求高的工程應(yīng)用需要考慮到重力造成的網(wǎng)片的塑性變形影響，需要對(duì)翅板按其兩邊最近主筋偏差平均值進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整；調(diào)整后彎曲半徑和彎曲角度下的彎弧偏差區(qū)間穩(wěn)定，可以一直使用至施工完成。

在橋梁塔柱施工機(jī)械式一體式彎弧效果較傳統(tǒng)人工綁扎效果更好：弧面成型更為統(tǒng)一，箍筋緊貼主筋，在組拼成部品澆筑后鋼筋保護(hù)層厚度偏差滿足規(guī)范要求；將高空鋼筋綁扎改為地面操作，極大提高施工安全性。