钢-混凝土组合梁快速建造技术

苏立超,赵子健,周印霄,马维鑫

(1.邢台路桥建设总公司,河北 邢台 054001;2.河北省钢混组合桥梁技术创新中心,河北 邢台 054001)

导语:

随着我国经济的高速发展,作为现代交通建设中的节点工程,桥梁建设需要实现管理、设计、施工及装备转型,同时还要解决交通流量日益剧增的需求,因此走桥梁工业化之路和快速施工成为必然的发展趋势.本文针对公路桥梁的结构组成,重点从桩基础、下部结构、主梁的创新,以及厂内制造、运输、预拼装、现场安装等多个工序,探讨了快速施工的新思维、新方法.

快速建造技术目前是桥梁工程新的建造理念,目前我国公路桥梁工业化的新成果非常丰硕,而快速建造离不开工业化、标准化、装配化、轻量化的发展,在当下信息化技术突飞猛进的新形势下,这项技术势必会取得新的突破.

本文阐述快速建造的理念,探讨桩基础、下部结构到主梁结构预制拼装技术及控制要点,重点对钢-混凝土组合梁制造与施工成套技术的系统化、精细化、标准化方面进行了研究,总结钢结构桥梁施工的新技术,为桥梁工业化的发展提供借鉴和参考.

快速建造技术的概念

根据交通运输统计公报,中小跨径桥梁在我国桥梁工程中的占比约为80%,传统的桥梁结构形式多是钢筋混凝土结构,以预制装配和现浇为主,随着桥梁工业化的发展引入预制拼装技术,将原本效率低下的设计施工过程简化为标准构件的生产和拼装,既能够保证桥梁产品质量,又能够大大缩短桥梁的建造时间,这便是我们所说的快速建造技术.通俗地讲,就是采用搭积木的形式,将原本预制好的桥梁部件在短时间内装配起来,形成具有安全通行能力的桥梁构筑物.

随着BIM技术、智能制造等研究的深入,桥梁的快速建造技术将得到更高水准、更高质量、更高效率的发展.如何围绕快速建造开展工作,从桩基础到下部结构、再到上部结构,最后到附属工程,形成桥梁结构一整套的预制拼装技术,是快速建造的研究目的.

基础及下部结构快速建造技术

(1)桩基础施工新方法

传统的桩基础多采用钻孔灌注桩,虽然其受到广泛应用,桩基承载力稳定.但也有成桩慢、风险高、污染大等缺点,工程师在桥梁桩基础施工中也常常会采用预制管桩、土石复合桩.预制管桩采用预制高韧性混凝土管桩,通过静力压桩、振动沉桩等工艺将管桩下沉至设计标高,这种方法在安徽省得到了较好的应用,其效率高、成本低等特点受到工程师们青睐,然而受地质条件影响使用受限;土石复合桩作为一种新型的桩基础,其采用管壁开孔的钢管桩预沉后注浆的施工方法,兼具摩擦桩和端承桩的优点,以扩大基础的形式采用挤密桩身周围土体的作用使桩基具有更好的承载能力,与以往的灌注方法相比,土石复合桩中的水泥浆液虽然没有渗入土中发生黏土固化,但桩对天然地基的挤密和压实作用更强.这种施工方法,免去了不同土体对水泥颗粒细度的要求,工艺简单,造价低,具有很高的推广价值.

(2)墩柱施工新方法

常规墩柱施工工艺为绑扎钢筋、支设墩柱模板、浇筑混凝土、拆模等,工期较长、劳动强度高,不符合绿色建造技术的要求.目前国内已经形成了预制墩柱的新工艺,即在工厂内将墩柱按照设计图纸的要求进行分节段预制,运输至现场通过灌浆套筒、灌浆波纹管、预应力钢束、现浇带等方式连接,在上海嘉闵高架路、四川成都羊犀立交等项目中均得到了采用.安徽推行的离心柱、河北推行的钢管柱都成为一种新的体系,丰富了我国桥梁下部结构快速施工的内容.周良、闫兴非等人对灌浆套筒、灌浆波纹管、预应力钢束等3种预制拼装连接方法进行了研究,结果表明,套筒和波纹管预制拼装连接构造的桥墩与传统现浇混凝土桥墩相比,具有相近的抗震性能,预应力钢束连接预制拼装桥墩具有与现浇混凝土相近的变形能力[1].

钢-混凝土组合梁快速建造技术

主梁结构的快速建造是桥梁工作者关注最多的内容,需要深入了解我国钢-混凝土组合梁的构造形式,针对其力学、构造、制造、施工等特点开展相应的研究.

(1)钢-混凝土组合梁分类

在我国中小跨径桥梁中,钢混组合结构的创新形式丰富多样,主流形式分为以下4种.

①组合钢板梁.组合钢板梁是由钢腹板、上下钢翼缘板、加劲肋组焊而成的工字型截面,配以剪力钉和钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土桥面板形成组合结构.组合钢板梁在横断面设计上又分为双主梁和多主梁.

②组合折腹梁.组合折腹梁由折形腹板、混凝土顶板和底板组合而成.

③组合钢箱梁.组合钢箱梁由槽型钢梁和混凝土桥面板组合而成.

④组合钢桁梁.组合钢桁梁由钢桁架和混凝土桥面板组合而成.

在此基础上还衍生出了多种不同的组合形式,如折形腹板-钢管混凝土梁、型钢-组合梁、窄箱-组合梁等.

以上钢-混凝土组合梁的构造主要由钢翼缘板、腹板(杆)、钢底板、钢横梁、加劲肋等单元组成.根据主梁构造特点及单元组成以通用技术介绍制造工艺和安装工艺.

(2)钢混组合梁制造工艺

制造过程主要分为:放样、号料、预处理、部件(单元)加工、节段梁组装、焊接、矫正、涂装、预拼装、验收等.随着未来BIM技术的深度发展,钢结构桥梁的加工制造将更加便捷、节约、高效.

工程技术人员应认真审查研究设计图纸、招标文件、《编制组合梁制造工艺方案》等资料,完成施工图转化、工装设计、涂装工艺试验、工艺文件编制等技术准备工作.

车间加强在原材料进场前的质量检验.钢材、焊丝、焊剂、高强度螺栓、剪力钉等进场前要按照相应的检测标准和频率进行检测,合格后方可使用.

①号料.详细制定放样号料图,根据图上所示零件的外形尺寸、坡口形式与尺寸、各种加工符号、质量检验线、工艺基准线等绘制在相应的钢板和型材上.号料划线精度要满足加工精度要求,号料要充分考虑钢板加工变形、焊接变形等多重因素影响.

②钢板预处理.对平整度不满足要求的钢板进行整平处理,同时对表面进行涂装预处理,喷砂或抛丸,后施做车间防护底漆.

③部件(单元)加工.应将主梁各部件划分为若干个单元,即底板单元、腹板单元、横隔板单元等,在制造中尽量实现构件板单元化,避免零散部件参与梁段组装[2].加工坡口宜采用专业设备,火焰切割时确保尺寸满足设计要求,且要清除边缘氧化物、熔瘤和飞溅物等杂质.对接不同厚度的钢板时,应采用"厚板削薄"法,采用铣床将厚板按设计坡度铣刨.

④节段梁组装.加工完且检验合格后的零部件要进行组合,形成节段梁的拼装,主要包括腹板、底板、翼缘板的组装以及各种加劲肋的组装、隔板组装等工序.组装时要做好线形、几何尺寸和空间位置的检查.

⑤焊接.焊接前应进行焊接工艺评定,焊工应通过考试并取得权威部门颁发的资格证方可施焊,同时应当对各个焊工建立焊接档案库,对其进行的焊接作业要全面详实记录入档.焊接应确定合理的焊接工艺和焊接参数以确保焊接质量和防治焊接变形.尽量减少仰焊作业,可采用桥梁翻转设备或翻转工艺,最大程度上将仰焊、立焊变为平焊.桥梁钢结构焊缝等级要求较高,自动化焊接技术在薄板焊接、曲面焊接等方面还不能完全满足应用,因此焊接技术可与计算机技术相结合,采集组拼后的焊缝位置空间坐标,转化到焊接机器人系统中实施追踪焊接,对于提高焊缝质量和焊接效率将有很大帮助.

⑥矫正.优选采用冷矫正对构件变形大于允许偏差的情况进行矫正处理,矫正后的钢材表面不应有明显压痕或损伤.热矫正要严格控制加热温度、同一区域加热次数不得超过2次.

⑦涂装.涂装前,要对油漆进行检验,合格后方可使用,油漆要做好岗前技术培训和交底,持证上岗,同时做好防护措施.涂装前要对钢板表面进行清理和检验,保证其粗糙度满足设计要求.大型钢构件宜采用工业机器人进行涂装前处理和涂装作业,工业机器人的作业效率远远高于人工涂装,且易于控制质量,机器人行走装置可采用步履式或龙门架式行走,具体形式可结合钢构件类型进行设计.

(3)钢混组合梁模拟拼装

模拟拼装又称虚拟拼装技术,是根据各构件之间的空间关联性,在对构件接口的特征点进行坐标采集的基础上进行坐标间的转化,并在专用软件中进行数字建模,形成空间模型,实现梁段在空间的模拟拼装[3].

因设计钢混组合梁单跨主梁多在20 m跨径以上,特别是近些年钢结构桥梁应用的体量越来越大,有些项目需多个钢结构厂家协同合作方能完成,考虑制造、运输和安装便利需分段制造,分段制造要在出厂前进行预拼装.传统拼装工艺需要较大的拼装场地、繁琐的拼装胎膜、大吨位反复起吊,因此精度差、成本高、效率低、占用空间大,而采用虚拟预拼装技术将是钢结构制造领域的一场信息化革命.国内虚拟预拼装在实样数据采集中多采用激光扫描器、全息照相机等手段将加工成型的梁段进行实体扫描,通过计算机技术形成三维立体图,在此基础上将多个梁段在计算机内进行模拟拼装,有效降低了现场实体拼装的成本,节约了空间,同时提高了拼装效率和精度.同时,虚拟拼装技术是BIM技术设计和施工结合的一项重要工具.原始数据的采集目前已经完全能够满足精度要求,通过激光扫描技术可以实现实测模型的重构[4],但庞大的点云数据模型处理还需要进一步深入研究,在实践中表明,点云数据应用最多的是拼装节点,要重点做好关键节点数据收集和处理,摈弃无关点,对应用将有极大的借鉴意义.

(4)钢混组合梁焊缝检测

焊缝检测多采用超声波检测,操作人员检测效率较低,针对直焊缝可采用带自动滑轨的超声波检测仪,结合智能机器人技术,自动识别焊缝中心轴线,设定行走速度,可实现焊缝自动化前处理、耦合剂自动化涂刷、焊缝探伤自动化检测、焊缝缺陷自动报警等功能,有效提高焊缝检测速度,降低检测劳动强度.

(5)钢混组合梁运输

钢-混凝土组合梁运输要充分考虑运输环境和路形路况,确定分段长度,并报监理、设计和建设单位,梁段在运输过程中必须采取有效的防倾倒、防碰撞、防变形等措施,支点要平稳、多点、可靠,支垫处应防止硬性接触损伤涂装层和钢板母材.

运输过程中要按照道路运输安全相关规定,事先做好路线规划和运输许可,同时要加强支点位置、梁段变形等方面的记录和检测.

(6)钢混组合梁安装

平原地区采用履带式起重机双机起吊或龙门式吊机起吊,山区采用架桥机、顶推施工、缆索施工等.对于钢混组合梁自身架设后具有承重能力的特点,可以采用梁上运梁的方法实现梁体的纵向运输.钢构件的连接采用螺栓连接、焊接、栓焊组合以及铆接.铆接技术的稳定性和耐久性应该得到工程师的认可和重视.今后可尝试热铆、射钉连接等方式,从而极大地提高现场钢构件连接效率,并有效保证连接质量.

(7)钢筋混凝土桥面板施工

混凝土桥面板采用预制桥面板和现浇桥面板两种形式,随着桥梁工业化的发展,预制桥面板的优势越发明显.

预制桥面板按照构造与分类又可分为全宽预制桥面板、分块预制桥面板、叠合桥面板、压型钢板组合桥面板[5]和FRP组合桥面板等形式,极大地提高了桥面板施工的装配化.考虑混凝土的徐变,预制混凝土桥面板的存放时间超过6个月,其位移变化趋于稳定.

预制桥面板安装精度要求较高,要加强全过程控制,同时对可能存在的单板受力问题制定相应的解决措施.鉴于国内在铝模板技术上有重大突破,在预制桥面板的模板选择上亦可考虑,同时应探讨采用轻质耐久高强的复合材料在模板中的应用.

现浇桥面板其多采用托架+钢或木模板,托架形式多样,可采用槽钢、钢管等部件组装形成K形支撑,为方便拆卸,其节点连接处可采用插销或螺栓连接,慎用焊接,与主梁支垫处要设置柔性垫块,以防止装拆时破坏钢板涂装体系,也便于脱模.

结语

钢-混凝土组合桥梁的应用既要加强质量管控,又要重视后期养护.京港澳高速保定互通匝道桥采用的装配式组合钢箱梁,其钢材均为耐候钢,这将大大降低钢结构桥梁的后期养护工作强度,是当下应该重点推广的方向,而BIM技术在建筑和地铁工程中应用较为广泛,但多在设计阶段,在大型桥梁构件全寿命周期中的应用也仅仅局限在设计翻模阶段,施工阶段尚需进行大量的参数收集,如误差累积、温度影响、变性控制等多种复杂因素会影响BIM技术施工化的应用,实现BIM技术正向设计已刻不容缓.

传统土木建筑领域的研究已无法满足社会发展的需求,土木和材料、机械、计算机、电气化等学科的跨界融合将更好地推动我国基础设施的飞速发展,也为推动综合交通、绿色交通、智慧交通和平安交通指明了方向.