李冬冬，張益鵬，陳 斌

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造技術研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長大橋建設國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箍筋彎曲，在塔柱主筋上進行人工綁扎，效率低，勞動強度大，施工風險高；設計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 個節(jié)段；每個鋼筋部品分為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)線進行生產(chǎn)，折網(wǎng)片通過立體彎折設備進行折網(wǎng)片成型，一體式立體彎弧裝置進行弧網(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，標準彈性模量E＝200GPa，屈服強度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。

試驗共8 張網(wǎng)片，網(wǎng)片長18.6m 高5.98m，每端彎曲為半徑1.5m 的1/4 圓弧，對網(wǎng)片采用三維激光掃描技術進行測量，每層箍筋于主筋交叉點與理論對比記錄，分析得出應用結(jié)論。

1 數(shù)學模型

1.1 模型假設

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。通過對單根鋼筋的彎曲計算，拓展到整體網(wǎng)片的彎弧。在研究鋼筋彎曲時，做如下假設。

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

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

3）純彎曲假設 鋼筋只受到彎矩作用。

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

注：立彎計算不考慮重力影響。

1.2 理論依據(jù)

箍筋斷面焊接主筋后產(chǎn)生殘余應力σv，σv恒小于鋼材屈服強度，即

σv＝Eεvσt-σv＝E（εt-εv）

設殘余應力引起的屈服應變等效衰減系數(shù)為μ，考慮殘余應力后的等效屈服應變?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——鋼筋預彎半徑；

εt——鋼筋屈服應變；

R——鋼筋半徑；

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

θ1——預彎對應的圓心角；

θ2——回彈對應的圓心角；

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，試驗箍筋的總變形曲率Aε＝Aw。

4）彈復曲率 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 鋼筋彈復后的曲率，用Ac表示，Ac＝1/rc。

各曲率相對表達式如表1 所示。

表1 各曲率相對表達式

1.3 計算

由試驗件拉伸試驗指標，確定試驗件屈服強度σt＝445MPa，彈性模量E＝206MPa，抗拉強度σp＝635MPa。下屈服應變?yōu)棣舤＝0.00216，結(jié)合文獻《HRB400 鋼筋單調(diào)拉伸及低周疲勞性能試驗研究》，考慮強化初始階段的應變?yōu)?.0164，峰值應力即抗拉強度對應的應變?yōu)?.1339。

根據(jù)上述理論假設，試驗件本構為彈性-屈服的兩折線模型，簡化后的本構模型如圖1 所示，可得強化系數(shù)η＝E1/E＝0.007。

圖1 簡化兩折模型

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力分配到箍筋徑向通長的平均殘余應力為10MPa，可得試驗件的各項計算參數(shù)，等效屈服應變εs＝0.002111，強化系數(shù)η＝0.007，箍筋半徑R＝10mm。帶入公式，求解得鋼筋網(wǎng)片預彎及回彈參數(shù)如表2 所示。

表2 網(wǎng)片試驗預彎及回彈理論值

2 試驗驗證

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

按照計算值將設備的彎曲半徑和彎曲角度調(diào)整后，立彎第一張網(wǎng)片，與理論值對比分析；調(diào)整彎弧設備翅板，改變彎曲半徑，再進行第二次彎弧驗證；彎弧機構設計將弧形面分為6 段共5個翅板，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。文中以同編號箍筋按同層，同編號主筋按同列。

2.2 試驗準備

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

圖3 一體式彎弧機構

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點焊，采取隔1 焊1 的二氧化碳保護焊接方式；每張網(wǎng)片兩個弧面，分別在網(wǎng)片第2.25～2.69m 和9.91～11.46m 處，每個弧面共51 根箍筋16 根主筋。

一體式彎弧試驗設備，利用桁車預彎，液壓機械爪超彎，設計可調(diào)節(jié)翅板，無極可調(diào)彎曲半徑和彎曲角度，適應不同彎曲半徑寬6.5m 內(nèi)的大型網(wǎng)片。將一體式彎弧設備的翅板rw＝0.957m進行調(diào)節(jié)；液壓爪底座按θ1＝140.44°調(diào)節(jié)。

2.3 試驗步驟

2.3.1 預彎

1）制作好網(wǎng)片，將一體式彎弧機構起吊調(diào)整姿態(tài)，下部導向槽卡在弧形起點鋼筋。

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構的翅板后停止桁車動作。

2.3.2 超彎、回彈

1）伸長彎弧機構的3 個液壓機械爪，將液壓機械爪抓鉤鉤住弧形面末端主筋。

2）回縮彎弧機構的3 個液壓機械爪，同步落下吊鉤將液壓機械爪縮回到底。

3）回彈：①伸長彎弧機構的3 個液壓機械爪，同步提起吊鉤，直至取下液壓機械爪；②緩慢調(diào)整吊鉤高度及桁車，使網(wǎng)片弧形面終點主筋距離網(wǎng)片水平面高度、弧形面起點主筋距離網(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 吊點方式2 桁車同步將網(wǎng)片吊至空曠場地。

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)片起點向網(wǎng)片中心線數(shù)第二根設置吊點，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 彎弧機構調(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 測量、分析和調(diào)整

2.4.1 測量

網(wǎng)片立起后高5.98m，使用徠卡P40 三維激光掃描儀設置精度到10m/0.8mm 進行掃描；提取點云數(shù)據(jù)后對每張網(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行測量對比記錄，一共記錄4 張網(wǎng)片，每張網(wǎng)片51 層、每層16 個數(shù)據(jù)點，8 個弧面共6 528 個交叉點與理論值的對比偏差。

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

圖4 網(wǎng)片點云

圖5 單層箍筋點云偏差記錄

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 個交叉點的方差，分析同列離散性，可以看到同一主筋各交叉點偏差相差很小。

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存在一致性，最大偏差達到3.87cm；不滿足2cm 要求的主筋主要分布在彎弧機構中間3 個翅板，分別將一體式彎弧機構翅板從下往上數(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，均滿足鋼筋保護層厚度要求。

圖9 第3～8張網(wǎng)片弧形段偏差

3 工程應用

此一體式彎弧機構首次應用在南京龍?zhí)哆^江大橋LT-3 橋塔項目：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鍵工序轉(zhuǎn)換成非關鍵工序，鋼筋綁扎工作交予機械設備在鋼筋廠內(nèi)進行，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，南北塔柱共實施8 個節(jié)段鋼筋部品，成功應用包括試驗使用的后7 張網(wǎng)片共16 張弧形網(wǎng)片。

1）按照3 天一個塔柱節(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）塔上鋼筋部品對接，90%以上主筋徑向偏差在1cm 內(nèi)，使用錐套進行部品對接，有效提高鋼筋部品對接效率，1 天完成部品對接和剩余拉鉤筋穿插。

4）利用鋼筋保護層厚度測量儀對澆筑后的鋼筋保護層厚度進行記錄，其中弧形面的鋼筋保護層厚度合格率94%，其它網(wǎng)面鋼筋保護層厚度合格率在95%以上，均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

此彎弧試驗驗證了在考慮焊接應力影響情況下理論計算數(shù)據(jù)方向的正確性，在大型網(wǎng)片立式彎弧是具備應用參考價值。

大型弧形網(wǎng)片的立彎對于精度要求高的工程應用需要考慮到重力造成的網(wǎng)片的塑性變形影響，需要對翅板按其兩邊最近主筋偏差平均值進行補償調(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。