空間異型拱肋吊裝施工工藝研究及應(yīng)用

陳達(dá)鋒，劉 祥，何建喬

(1.北海市城市建設(shè)投資發(fā)展有限公司，廣西 北海 536000；2.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

在眾多橋型中，拱橋具有造型美觀、造價(jià)低、結(jié)構(gòu)安全、施工快速、后期維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)[1-2]。基于對(duì)橋梁美學(xué)及結(jié)構(gòu)造型多樣化的追求，促使拱結(jié)構(gòu)的型式不斷變化與創(chuàng)新，出現(xiàn)了一些造型奇異的拱結(jié)構(gòu)，雙飛翼拱橋和提籃拱橋就是其中的代表[3]。此類(lèi)拱橋的拱肋節(jié)段均屬于空間異型構(gòu)件，吊裝施工時(shí)需要空中調(diào)整拱肋節(jié)段的姿態(tài)，但高空作業(yè)條件惡劣，涉及高空危險(xiǎn)作業(yè)，且拱肋就位精度、線形難以保證，對(duì)吊裝施工也提出了新的挑戰(zhàn)。

在拱橋拱肋吊裝施工中常采用的方法有支架法、斜拉扣掛法和轉(zhuǎn)體施工法。其中斜拉扣掛法需要設(shè)置纜索塔架，占地空間大，在市政工程等場(chǎng)地狹小的工程中應(yīng)用受到一定限制；轉(zhuǎn)體施工具有施工難度高、轉(zhuǎn)體重量大等缺點(diǎn)，僅適合于小跨徑拱橋；傳統(tǒng)支架法施工是采用鋼管支架作為支撐體系，采用吊車(chē)完成拱肋吊裝，運(yùn)用手拉葫蘆和碼板等方式進(jìn)行構(gòu)件空中姿態(tài)調(diào)整，但調(diào)整過(guò)程中存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)構(gòu)件需要大角度調(diào)整時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩受力不均而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)[4]。

另外，異型構(gòu)件的重心選取及空中調(diào)整方式影響著構(gòu)件的吊裝效率[5]。傳統(tǒng)重心鎖定方法為平面投影法和三維CAD法，該方法能粗略確定結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單構(gòu)件的真實(shí)重心，但對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件效果不佳，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)拱肋姿態(tài)調(diào)整的工作量及難度加大[6]。

由于拱肋在溫度變化的影響下會(huì)產(chǎn)生較大的變形，最終改變拱肋線型而影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，本文以烏蘭木倫河3號(hào)橋?yàn)槔?，探索新型液壓吊具吊裝方法，運(yùn)用全時(shí)段監(jiān)控技術(shù)和預(yù)偏定位方法，以提高吊裝就位精度和效率，同時(shí)提高吊裝過(guò)程安全性，為空間異型構(gòu)件的高效安全吊裝提供新思路。

1 工程概況

烏蘭木倫河3號(hào)橋全長(zhǎng)348 m，屬于中承復(fù)式鋼箱拱橋。該橋梁上部拱肋結(jié)構(gòu)為雙飛翼式鋼箱拱，采用曲形曲做制作加工工藝，主拱向道路中心線外傾斜17°，副拱結(jié)構(gòu)為向道路中心線內(nèi)傾45°的內(nèi)傾式鋼箱拱。其中，主拱跨度為200 m，截面高3 m、寬4 m，截段長(zhǎng)度為4～12 m不等，最大重量為102 t，面內(nèi)矢高為75 m；副拱跨度分別為326 m、330 m，標(biāo)準(zhǔn)段尺寸高和寬均為2.0 m，變截面段尺寸高2.0～3.0 m、寬2.0～3.0 m，截段長(zhǎng)度為2～13 m不等，最大重量51 t，面內(nèi)矢高為35 m。該拱肋截段結(jié)構(gòu)重量大、長(zhǎng)度不一，且在空間上存在傾角，是傳統(tǒng)吊裝工藝難以完成的一種空間異型拱肋。

2 工藝原理

吊裝異型構(gòu)件首先通過(guò)計(jì)算求解構(gòu)件重心坐標(biāo)，然后根據(jù)構(gòu)件就位姿態(tài)確定吊耳位置和吊具工況，接著進(jìn)行就位起重設(shè)備、綁扎構(gòu)件和吊具上的鋼絲繩等吊裝準(zhǔn)備工作，隨后進(jìn)行起吊作業(yè)，作業(yè)過(guò)程中根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行空中姿態(tài)調(diào)整，最后進(jìn)行就位加固，完成吊裝。

空間異型構(gòu)件吊裝施工主要工藝原理見(jiàn)下頁(yè)圖1，主要工作為利用BIM技術(shù)進(jìn)行構(gòu)件吊耳布置、利用液壓自動(dòng)化吊具進(jìn)行拱肋節(jié)段吊裝及姿態(tài)調(diào)整、利用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行測(cè)量監(jiān)控。

吊耳位置確定的主要依據(jù)是構(gòu)件重心鎖定。重心鎖定是通過(guò)運(yùn)用BIM技術(shù)精確建立構(gòu)件三維模型和拱肋軸線及各節(jié)段的截面線，再用Solid Works軟件計(jì)算得出構(gòu)件重心點(diǎn)，從而合理配置吊耳位置及鋼絲繩長(zhǎng)度。液壓自動(dòng)化吊具吊裝主要通過(guò)液壓自動(dòng)化吊具精確調(diào)整構(gòu)件橫向和縱向的傾角，然后利用測(cè)量機(jī)器人實(shí)時(shí)監(jiān)控構(gòu)件姿態(tài)，再采用預(yù)制臨時(shí)加固三角結(jié)構(gòu)和定位碼板對(duì)構(gòu)件進(jìn)行臨時(shí)加固，最終實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)吊裝定位。

圖1 空間異型構(gòu)件吊裝工藝原理圖

3 BIM技術(shù)確定重心

在Solid Works軟件上輸入構(gòu)件的材料特性，然后根據(jù)構(gòu)件的截面形式建立構(gòu)件細(xì)化的三維模型(圖2)，利用Solid Works的質(zhì)量屬性模塊求取構(gòu)件的重心坐標(biāo)。

圖2 利用Solid Works軟件建立三維模型圖

在Solid Works軟件上建立拱圈軸線(圖3)，并按照構(gòu)件各節(jié)段長(zhǎng)度在拱圈軸線上劃分各個(gè)節(jié)段的截面線。

圖3 拱圈軸線及截面線劃分示意圖

將需吊裝的節(jié)段模型帶入拱圈軸線模型中，沿著構(gòu)件模型的重心點(diǎn)向上豎直延伸出一條線段，模擬吊車(chē)吊鉤形態(tài)，確保吊鉤和構(gòu)件重心點(diǎn)在一條垂線上(圖4)。根據(jù)鋼絲繩的長(zhǎng)度，從垂線與拱肋節(jié)段上連成線，在延伸出的線段上順橋向前后各布置吊點(diǎn)(圖5)。其中，吊耳角度為構(gòu)件就位時(shí)構(gòu)件與垂線的夾角。

圖4 構(gòu)件帶入拱圈軸線示意圖

圖5 模擬吊具吊裝狀態(tài)示意圖

4 液壓自動(dòng)化吊具

4.1 吊具設(shè)計(jì)

采用自行開(kāi)發(fā)研制的液壓自動(dòng)化吊具，其主要由分配梁、拉桿、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成，利用液壓系統(tǒng)調(diào)整構(gòu)件姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件在順橋向、橫橋向的姿態(tài)定位調(diào)整。其中，一級(jí)分配梁用于調(diào)整順橋向角度，二級(jí)分配梁用于調(diào)整橫橋向角度(圖6)。

注：1-一級(jí)分配梁；2-二級(jí)分配梁；3一級(jí)拉桿； 4-二級(jí)拉桿；5-過(guò)渡拉桿；6-液壓系統(tǒng)；7-電氣系統(tǒng)圖6 液壓自動(dòng)化吊具結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 吊具安裝

在吊裝作業(yè)前，應(yīng)檢查吊具各結(jié)構(gòu)部分之間連接正常，液壓、電氣管線無(wú)異常，吊具狀態(tài)正常。

吊具需安裝與起重設(shè)備配套的索具，該索具應(yīng)能承受吊具和構(gòu)件重量，且安全系數(shù)>6。為此，首先把二級(jí)分配梁底部四根與構(gòu)件相連的鋼絲繩安裝到位，然后將起重設(shè)備吊鉤與一級(jí)分配梁上的鋼絲繩安裝到位。將安裝吊裝構(gòu)件的配套卸扣，用二級(jí)分配梁底部四根鋼絲繩將吊具與構(gòu)件連接。

4.3 構(gòu)件翻身

緩慢起鉤，為保證構(gòu)件翻身過(guò)程穩(wěn)定調(diào)整角度而不發(fā)生突然擺動(dòng)，在構(gòu)件離地前，通過(guò)控制無(wú)線遙控操作調(diào)整順橋向的油缸，使得一級(jí)分配梁跨中鉸軸緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，直至構(gòu)件平穩(wěn)離地。構(gòu)件完全離地后，通過(guò)控制無(wú)線遙控操作調(diào)整順橋向油缸，直至構(gòu)件在順橋向基本達(dá)到設(shè)計(jì)傾角。

繼續(xù)觀察吊具和構(gòu)件，確定無(wú)異常后，繼續(xù)起鉤，直至構(gòu)件被送至設(shè)計(jì)安裝位附近。通過(guò)無(wú)線遙控器緩慢操作縱、橫向調(diào)整油缸，微調(diào)構(gòu)件姿態(tài)，反復(fù)調(diào)整直至整個(gè)構(gòu)件的姿態(tài)滿(mǎn)足要求。

5 吊裝定位方法

拱肋吊裝定位精度是拱肋成橋線型的關(guān)鍵。由于鋼的熱線彈性模量高，鋼結(jié)構(gòu)在溫度環(huán)境變化下存在較大偏位，特別是空間異型拱肋在溫度變化下的偏位難以預(yù)測(cè)。為此，本文提出了拱肋全時(shí)段監(jiān)控結(jié)合溫度變化預(yù)測(cè)拱肋偏移，并采用新型自動(dòng)化吊具完成吊裝定位。

為實(shí)現(xiàn)拱肋全時(shí)段監(jiān)控，采用測(cè)量機(jī)器人完成監(jiān)控工作，監(jiān)測(cè)頻率設(shè)置為1 h/次，在吊裝施工時(shí)加密為10 min/次。

以主拱S7節(jié)段吊裝為例，為探索拱肋偏位與外部環(huán)境的關(guān)系，對(duì)氣溫和已完成吊裝的拱肋偏位進(jìn)行48 h連續(xù)監(jiān)控(圖7)。

注：標(biāo)高偏差為“-”時(shí)拱肋偏向豎直向下，順橋向偏差為 “-”時(shí)拱肋偏向上一節(jié)段方向，橫橋向偏差為“-” 時(shí)拱肋偏向內(nèi)側(cè)圖7 拱肋偏位與氣溫變化監(jiān)測(cè)曲線圖

從圖7中可以看出，隨氣溫變化，拱肋在橫橋向和標(biāo)高兩個(gè)方向的偏位較小，因此在吊裝過(guò)程中無(wú)須考慮外界環(huán)境對(duì)拱肋標(biāo)高和順橋向的影響。因成橋線型以環(huán)境溫度為20 ℃±5 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，所以本文以環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)的拱肋線型作為吊裝定位的標(biāo)準(zhǔn)。

拱肋橫橋向的偏位最大為-49 mm，說(shuō)明拱肋在完成吊裝后受到外界環(huán)境的影響下存在較大的橫向偏位。但從圖7可以看出，拱肋橫向偏位并非與氣溫成正比例關(guān)系，說(shuō)明其還受到其他外部因素影響。通過(guò)測(cè)試拱肋溫度發(fā)現(xiàn)(圖8)，不同時(shí)段的拱肋溫度存在變化，同時(shí)拱肋兩側(cè)溫度也存在較大差別。

圖8 環(huán)境溫度及拱肋溫度監(jiān)測(cè)曲線圖

橋梁為南北走向，因此在日照下拱肋存在單側(cè)暴曬的情況，導(dǎo)致拱肋兩側(cè)存在溫度差異。從圖8可以看出，拱肋溫度隨環(huán)境溫度變化而變化。在19：00-06：00時(shí)間段內(nèi)，無(wú)日照影響，拱肋內(nèi)外側(cè)溫度基本一致，拱肋橫向的偏差在±10 mm內(nèi)；在06：00-18：00時(shí)間段內(nèi)，由于日照影響，拱肋橫向偏差大，最大偏差出現(xiàn)在10：00左右。上午拱肋外側(cè)受到陽(yáng)光照射而內(nèi)側(cè)沒(méi)有，導(dǎo)致拱肋外側(cè)溫度高于內(nèi)側(cè)，外側(cè)拱肋伸長(zhǎng)量大于內(nèi)側(cè)，最終出現(xiàn)拱肋向內(nèi)偏移的現(xiàn)象；下午受日照影響,拱肋內(nèi)側(cè)溫度高于外側(cè)，拱肋向外偏移，在16：00左右拱肋偏差恢復(fù)至±10 mm內(nèi)。

為此，吊裝定位盡量避開(kāi)在07：00-16：00進(jìn)行，若不能避開(kāi)上述時(shí)間段，應(yīng)根據(jù)前兩日監(jiān)控結(jié)果設(shè)置橫向偏移量。本工程根據(jù)該吊裝定位原則完成了主拱S8和S10節(jié)段，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)夜間環(huán)境溫度為20 ℃左右，拱肋定位后的夜間偏移在±10 mm內(nèi)(圖9～10)。

圖9 主拱S8節(jié)段拱肋偏移監(jiān)測(cè)曲線圖

圖10 主拱S10節(jié)段拱肋偏移監(jiān)測(cè)曲線圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文以烏蘭木倫河三號(hào)橋拱肋吊裝為例，介紹了空間異型拱肋的新型吊裝技術(shù)，充分利用自動(dòng)化液壓吊具、測(cè)量機(jī)器人及BIM技術(shù)，形成了整套的空間異型拱肋吊裝技術(shù)。

(1)自主研發(fā)了液壓自動(dòng)化吊具，可實(shí)現(xiàn)拱肋空中姿態(tài)自動(dòng)化調(diào)整，就位精度高，且減少高空作業(yè)工作量，人工耗費(fèi)少，安全性提高。

(2)使用BIM技術(shù)，通過(guò)模型的建立，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件重心精確鎖定，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行吊耳布置，信息化及智能化程度高，可實(shí)現(xiàn)拱肋姿態(tài)的快速調(diào)整。

(3)在環(huán)境溫度和日照影響下，拱肋會(huì)發(fā)生一定偏移，其中標(biāo)高方向和順橋向偏移量小，橫橋向偏移量大。

(4)針對(duì)外界因素對(duì)拱肋偏移的影響，可根據(jù)測(cè)量機(jī)器人監(jiān)控結(jié)果制定預(yù)偏的吊裝定位原則，有效削弱外界因素對(duì)拱肋偏位的影響，提高吊裝定位精度。