蘇立超,趙子健,周印霄,馬維鑫

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

導語:

隨著我國經濟的高速發(fā)展,作為現(xiàn)代交通建設中的節(jié)點工程,橋梁建設需要實現(xiàn)管理、設計、施工及裝備轉型,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構組成,重點從樁基礎、下部結構、主梁的創(chuàng)新,以及廠內制造、運輸、預拼裝、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、標準化、裝配化、輕量化的發(fā)展,在當下信息化技術突飛猛進的新形勢下,這項技術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、下部結構到主梁結構預制拼裝技術及控制要點,重點對鋼-混凝土組合梁制造與施工成套技術的系統(tǒng)化、精細化、標準化方面進行了研究,總結鋼結構橋梁施工的新技術,為橋梁工業(yè)化的發(fā)展提供借鑒和參考.

快速建造技術的概念

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)的橋梁結構形式多是鋼筋混凝土結構,以預制裝配和現(xiàn)澆為主,隨著橋梁工業(yè)化的發(fā)展引入預制拼裝技術,將原本效率低下的設計施工過程簡化為標準構件的生產和拼裝,既能夠保證橋梁產品質量,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.通俗地講,就是采用搭積木的形式,將原本預制好的橋梁部件在短時間內裝配起來,形成具有安全通行能力的橋梁構筑物.

隨著BIM技術、智能制造等研究的深入,橋梁的快速建造技術將得到更高水準、更高質量、更高效率的發(fā)展.如何圍繞快速建造開展工作,從樁基礎到下部結構、再到上部結構,最后到附屬工程,形成橋梁結構一整套的預制拼裝技術,是快速建造的研究目的.

基礎及下部結構快速建造技術

(1)樁基礎施工新方法

傳統(tǒng)的樁基礎多采用鉆孔灌注樁,雖然其受到廣泛應用,樁基承載力穩(wěn)定.但也有成樁慢、風險高、污染大等缺點,工程師在橋梁樁基礎施工中也常常會采用預制管樁、土石復合樁.預制管樁采用預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計標高,這種方法在安徽省得到了較好的應用,其效率高、成本低等特點受到工程師們青睞,然而受地質條件影響使用受限;土石復合樁作為一種新型的樁基礎,其采用管壁開孔的鋼管樁預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的要求.目前國內已經形成了預制墩柱的新工藝,即在工廠內將墩柱按照設計圖紙的要求進行分節(jié)段預制,運輸至現(xiàn)場通過灌漿套筒、灌漿波紋管、預應力鋼束、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構快速施工的內容.周良、閆興非等人對灌漿套筒、灌漿波紋管、預應力鋼束等3種預制拼裝連接方法進行了研究,結果表明,套筒和波紋管預制拼裝連接構造的橋墩與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土橋墩相比,具有相近的抗震性能,預應力鋼束連接預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

主梁結構的快速建造是橋梁工作者關注最多的內容,需要深入了解我國鋼-混凝土組合梁的構造形式,針對其力學、構造、制造、施工等特點開展相應的研究.

(1)鋼-混凝土組合梁分類

在我國中小跨徑橋梁中,鋼混組合結構的創(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應力鋼筋混凝土橋面板形成組合結構.組合鋼板梁在橫斷面設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)主梁構造特點及單元組成以通用技術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、預處理、部件(單元)加工、節(jié)段梁組裝、焊接、矯正、涂裝、預拼裝、驗收等.隨著未來BIM技術的深度發(fā)展,鋼結構橋梁的加工制造將更加便捷、節(jié)約、高效.

工程技術人員應認真審查研究設計圖紙、招標文件、《編制組合梁制造工藝方案》等資料,完成施工圖轉化、工裝設計、涂裝工藝試驗、工藝文件編制等技術準備工作.

車間加強在原材料進場前的質量檢驗.鋼材、焊絲、焊劑、高強度螺栓、剪力釘?shù)冗M場前要按照相應的檢測標準和頻率進行檢測,合格后方可使用.

①號料.詳細制定放樣號料圖,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、質量檢驗線、工藝基準線等繪制在相應的鋼板和型材上.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鋼板預處理.對平整度不滿足要求的鋼板進行整平處理,同時對表面進行涂裝預處理,噴砂或拋丸,后施做車間防護底漆.

③部件(單元)加工.應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)設備,火焰切割時確保尺寸滿足設計要求,且要清除邊緣氧化物、熔瘤和飛濺物等雜質.對接不同厚度的鋼板時,應采用"厚板削薄"法,采用銑床將厚板按設計坡度銑刨.

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

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

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

(3)鋼混組合梁模擬拼裝

模擬拼裝又稱虛擬拼裝技術,是根據(jù)各構件之間的空間關聯(lián)性,在對構件接口的特征點進行坐標采集的基礎上進行坐標間的轉化,并在專用軟件中進行數(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,特別是近些年鋼結構橋梁應用的體量越來越大,有些項目需多個鋼結構廠家協(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行預拼裝.傳統(tǒng)拼裝工藝需要較大的拼裝場地、繁瑣的拼裝胎膜、大噸位反復起吊,因此精度差、成本高、效率低、占用空間大,而采用虛擬預拼裝技術將是鋼結構制造領域的一場信息化革命.國內虛擬預拼裝在實樣數(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行實體掃描,通過計算機技術形成三維立體圖,在此基礎上將多個梁段在計算機內進行模擬拼裝,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,虛擬拼裝技術是BIM技術設計和施工結合的一項重要工具.原始數(shù)據(jù)的采集目前已經完全能夠滿足精度要求,通過激光掃描技術可以實現(xiàn)實測模型的重構[4],但龐大的點云數(shù)據(jù)模型處理還需要進一步深入研究,在實踐中表明,點云數(shù)據(jù)應用最多的是拼裝節(jié)點,要重點做好關鍵節(jié)點數(shù)據(jù)收集和處理,擯棄無關點,對應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,結合智能機器人技術,自動識別焊縫中心軸線,設定行走速度,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、設計和建設單位,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.鋼構件的連接采用螺栓連接、焊接、栓焊組合以及鉚接.鉚接技術的穩(wěn)定性和耐久性應該得到工程師的認可和重視.今后可嘗試熱鉚、射釘連接等方式,從而極大地提高現(xiàn)場鋼構件連接效率,并有效保證連接質量.

(7)鋼筋混凝土橋面板施工

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

預制橋面板按照構造與分類又可分為全寬預制橋面板、分塊預制橋面板、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的解決措施.鑒于國內在鋁模板技術上有重大突破,在預制橋面板的模板選擇上亦可考慮,同時應探討采用輕質耐久高強的復合材料在模板中的應用.

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.

結語

鋼-混凝土組合橋梁的應用既要加強質量管控,又要重視后期養(yǎng)護.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,這將大大降低鋼結構橋梁的后期養(yǎng)護工作強度,是當下應該重點推廣的方向,而BIM技術在建筑和地鐵工程中應用較為廣泛,但多在設計階段,在大型橋梁構件全壽命周期中的應用也僅僅局限在設計翻模階段,施工階段尚需進行大量的參數(shù)收集,如誤差累積、溫度影響、變性控制等多種復雜因素會影響B(tài)IM技術施工化的應用,實現(xiàn)BIM技術正向設計已刻不容緩.

傳統(tǒng)土木建筑領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、電氣化等學科的跨界融合將更好地推動我國基礎設施的飛速發(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.