劉俊學(xué),郝聶冰,劉茂娜(.四川省交通運輸重點項目工作中心,四川 成都 6004;.中交二航局第二工程有限公司,重慶 40004)
中塔剛度和索股滑移是多塔懸索橋的核心問題,溫州甌江北口大橋采用A字形混凝土中塔和深槽索鞍解決上述2個問題,在淺鞍槽分離式索鞍中用傳統(tǒng)入鞍方式入索股尚且存在上述質(zhì)量通病,顯然如何在深鞍槽索鞍中入索股且保證施工質(zhì)量是工程建設(shè)者必須面對的嚴峻挑戰(zhàn)。
溫州甌江北口大橋主跨800m,北邊跨230m,南邊跨348m,3塔均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),中塔采用深鞍槽索鞍,如圖1所示。鞍槽高726~929.5mm,豎向摩擦板沿高度方向為整體結(jié)構(gòu),在索鞍內(nèi)為對稱的兩塊,底部與索鞍鞍槽采取焊接。豎向摩擦板共有14道,板厚12~16mm,摩擦板橫向凈距61mm。塔頂主纜理論交點高程151.000m,主纜最低點高程71.000m,矢高80m,矢跨比1/10。每根主纜由169根索股組成(北邊跨主纜加6根背索,為175根索股),每根索股采用127絲φ5.4鍍鋅高強鋼絲組成,鋼絲抗拉極限強度為1 860MPa,按豎向尖頂?shù)慕普呅闻帕薪M成,索股整形后是斷面尺寸為59.4mm×57.6mm的矩形,索股在鞍槽內(nèi)間隙僅有1.6mm,由此可見在保證施工質(zhì)量的前提下完成深鞍槽入鞍施工困難。
圖1 中塔深鞍槽索鞍
傳統(tǒng)索股入鞍方式為人工通過鋼片梳,配合木方在索股頂面進行敲擊、頂推固定,該方法大多適用于鞍槽隔板為分離式的索鞍,隨著索股層數(shù)不斷增加進行隔板安裝。采用傳統(tǒng)入鞍方法進行施工,一般存在下列幾方面問題。
1)傳統(tǒng)索股入鞍采用鋼片將索股截面由六邊形改為矩形,鋼片不能進入鞍槽隔板,無法在鞍槽內(nèi)約束外形,敲擊木方時致使索股亂絲、跳絲及鼓絲;入鞍產(chǎn)生的木方碎屑會影響后續(xù)入鞍質(zhì)量。
2)傳統(tǒng)索股入鞍時需外力敲打、敲擊索股才能緩慢入鞍,施工過程中易導(dǎo)致隔板變形,影響后期索股入鞍。
3)傳統(tǒng)索股入鞍采用木方對索股進行分段固定,若木方打入數(shù)量和深度不足,會造成索股松散。
基于溫州甌江北口大橋中塔入鞍施工難度大和傳統(tǒng)入鞍施工工藝不足,研發(fā)出一套集仿生技術(shù)、圖像識別技術(shù)、電氣和計算機控制技術(shù)于一體的梳齒形主索鞍深槽入鞍機器人。
為確保索股順利安裝到深鞍槽中,進行了實橋索鞍試驗。該設(shè)備由走行軌道、走行機構(gòu)、設(shè)備框架、頂推壓桿、導(dǎo)引小車等部件組成,具有自動行走、同步頂推、實時監(jiān)測、圖像識別等功能,如圖2所示。
圖2 梳齒形主索鞍深槽入鞍機器人
深槽入鞍機器人工作原理為,基于仿生技術(shù),以機械臂代替人工作業(yè),將索股精準(zhǔn)推壓進入索鞍。首先打開機器人開合機構(gòu),將索股置入機器人牽引小車;然后調(diào)整機械臂合適的角度和施壓力度,使得索股在索鞍入鞍口密貼;最后通過機械臂和牽引小車相互配合,將索股逐次按壓在鞍槽內(nèi),完成單根索股入鞍(見圖3)。
圖3 入鞍機器人細部結(jié)構(gòu)
索股入鞍時橫向連接桿依次開合,將索股落入導(dǎo)引小車,調(diào)整電動壓桿角度和行程至與鞍槽垂直,并施加壓力將索股壓入鞍槽,走行機構(gòu)行走帶動壓桿移動實現(xiàn)索股連續(xù)、穩(wěn)定入鞍。
由于鞍槽較深,且索股與鞍槽直接接觸緊密,無法通過常規(guī)的檢測方法檢測索股深槽入鞍后的索股質(zhì)量。采用圖像識別技術(shù)實現(xiàn)索股入鞍時索股質(zhì)量檢測,通過對股絲的形貌與位置檢測,實現(xiàn)索股入鞍后的質(zhì)量檢測。在導(dǎo)引小車前端、頂推壓桿底部安裝照明燈、攝像頭,利用機器視覺檢測技術(shù),自動檢測索股上、下表面是否出現(xiàn)散絲、跳絲、鼓絲等索股質(zhì)量問題,檢測著色絲的位置、部分股絲表面質(zhì)量(見圖4)。
圖4 索股入鞍質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)
4.1.1入鞍機器人安裝
入鞍機器人采用中塔JCD500動臂塔式起重機分塊吊裝,在索鞍上拼裝成整體。其安裝流程如下。
1)安裝軌道支撐架 南、北側(cè)2個支撐架最大重約2 300kg,將其與主索鞍通過螺栓連接牢固,調(diào)整支撐架與索鞍出口頂面高差,使軌道安裝后線形平順。
2)安裝走行軌道 軌道在廠內(nèi)分2節(jié)制造,現(xiàn)場安裝時嚴格控制兩節(jié)段接縫處高差與順直度。
3)安裝走行機構(gòu) 走行機構(gòu)包含頂推壓桿、設(shè)備框架和導(dǎo)引小車等構(gòu)件,整體吊重2 803kg。
4.1.2索股牽引及提升橫移至門形框架內(nèi)
索股牽引到位后,同時啟動中塔頂兩側(cè)反拉滑車組提升索股,使得中塔左、右20m范圍內(nèi)索股呈松弛狀態(tài),橫移裝置與索鞍處中間部位的索股連接,邊提升邊橫移至入鞍機器人門形框架內(nèi)。
本工程中塔主索鞍處索股入鞍施工主要有以下幾個步驟:①將橫移完成后的索股放置在導(dǎo)引小車上,并完成小車的節(jié)點固定;②伸縮電缸以調(diào)整氣缸角度,再伸出氣缸行程,使其與索股緊密接觸并壓實;③行走機構(gòu)牽引導(dǎo)引小車,完成入鞍;④使機器人行駛至起點,移動頂部縱梁切換到下一個鞍槽隔板位置,進行下一根索股施工。
具體施工步驟如表1所示。
表1 索股深槽入鞍施工步驟
4.3.1質(zhì)量方面
入鞍機器人導(dǎo)引小車上設(shè)置有四邊形整形器,在鞍槽內(nèi)也能對索股進行約束,有效解決散絲問題;機器人采用液壓頂桿為機械手,通過液壓頂桿將索股“推”進索鞍,整個過程中氣缸頂推力均勻并可調(diào)節(jié)大小和方向,相比于傳統(tǒng)工藝將索股“砸”入索鞍,不易引起索股跳絲和鼓絲,隔板變形也得到有效控制。
4.3.2安全方面
入鞍機器人配合施工,減少了施工人員的臨邊作業(yè),施工風(fēng)險降低。
4.3.3效益方面
采用入鞍機器人進行入鞍作業(yè),1根索股僅需35min,對比傳統(tǒng)人工輔助入鞍工效整體提升約30%,單點作業(yè)人員數(shù)量由8人減少至5人,機具設(shè)備使用量減少約50%。
溫州甌江北口大橋中塔處索股入鞍證明采用入鞍機器人實現(xiàn)索股入深鞍槽索鞍可行,人工輔助機器人入鞍相比于傳統(tǒng)入鞍有一定優(yōu)勢,但還存在以下幾點不足之處。
1)入鞍機器人行走、調(diào)節(jié)壓桿壓力等指令均由固定在行走機構(gòu)上的顯示屏發(fā)出,可將指揮系統(tǒng)改為無線遙控裝置避免設(shè)備入鞍過程中需由專人跟隨設(shè)備行走調(diào)整參數(shù)。
2)入鞍完成后導(dǎo)引小車無法在鞍槽內(nèi)后退回到入鞍起點,每入鞍1根索股便需拆卸1次導(dǎo)引小車,后續(xù)可將入鞍機器人做加高處理,入鞍完成后收縮電缸將導(dǎo)引小車提起使其在鞍槽上方移動至入鞍起點。
3)入鞍過程中調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)主要依靠操作人員根據(jù)圖像識別技術(shù)及現(xiàn)場經(jīng)驗判斷,可在氣缸壓板處增加傳感器監(jiān)測頂推力,或根據(jù)入鞍試驗設(shè)置桿件伸長量、角度、最大頂推力、行駛速度及容許波動范圍等參數(shù)的一般經(jīng)驗值,在實際施工過程中以這些指標(biāo)為基準(zhǔn),超出參數(shù)容許值時自動調(diào)整到最佳理論值。
4)提高導(dǎo)引小車上部滑板及氣缸壓板加工精度,保證其寬度介于索股整形后寬度和鞍槽隔板寬度之間,防止跳絲。
入鞍機器人有效解決了深鞍槽索股入鞍難的問題,比傳統(tǒng)入鞍工藝高效、安全并有質(zhì)量保障。但還存在半自動化、人員操作不便、不能流水作業(yè)等問題,在機器人自動化、智能化、操作性、適用性等方面還有很大改進空間。
縱觀國內(nèi)外連續(xù)多塔懸索橋的發(fā)展趨勢,可以預(yù)期,連續(xù)多跨懸索橋?qū)⒃谖磥順蛄褐邪缪菰絹碓街匾慕巧I畈廴氚皺C器人的研發(fā)及投入使用很大程度上彌補了傳統(tǒng)入鞍工藝在質(zhì)量、安全和效益方面的短板,通過改進可用于深鞍槽索股入鞍施工,為同類型多跨懸索橋深鞍槽索股入鞍施工提供參考。