淺談山區(qū)鋼桁梁懸索橋智能建造施工技術(shù)

柳正

（貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴陽(yáng) 550001）

1 引言

懸索橋作為跨越能力強(qiáng)的大跨度橋梁型式之一，在世界各國(guó)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，都起著重要的作用[1-3]。由于鋼桁加勁梁具有良好的抗風(fēng)性能、重載耐受性和施工便捷性等突出特點(diǎn)，在我國(guó)山區(qū)大跨度懸索橋建設(shè)中廣泛應(yīng)用。近5 年，我國(guó)在建和建成的20 余座主跨600 m 以上的山區(qū)大跨度鋼桁梁懸索橋中，貴州省就占據(jù)近一半數(shù)量[4]。從這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，超大跨鋼桁梁懸索橋在我國(guó)及世界交通基礎(chǔ)建設(shè)中的應(yīng)用將呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢(shì)。隨著國(guó)家交通建設(shè)重心的轉(zhuǎn)移，西南山區(qū)交通領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)新一輪的發(fā)展，貴州V 形深切山地峽谷地區(qū)建造大跨度鋼桁梁懸索橋已成為一種合理選擇[5]。本文以采取數(shù)字智能化施工技術(shù)應(yīng)用于山區(qū)懸索橋施工全過(guò)程為背景，對(duì)其建設(shè)期的施工工藝、管理手段、智能化建造技術(shù)、安全質(zhì)量控制等要點(diǎn)開(kāi)展研究，旨在為山區(qū)類似項(xiàng)目建設(shè)提供實(shí)踐參考。

2 金烽烏江大橋工程概況

金烽烏江大橋?yàn)橘F陽(yáng)經(jīng)金沙至古藺高速公路項(xiàng)目的重要控制性工程，位于貴州省息烽縣九莊鎮(zhèn)和金沙縣化覺(jué)鎮(zhèn)，跨越烏江支流，橋面距水面231 m 高，如圖1 所示。大橋是貴州省第一座采用預(yù)制索股法施工的超寬鋼桁懸索橋，全長(zhǎng)1 473.5m，主跨650 m，主纜的孔跨布置為218 m+650 m+188 m，主纜垂跨比1/9.5，采用平面索布置，全橋共53 對(duì)吊索，吊索標(biāo)準(zhǔn)間距為12.0 m，主梁采用鋼桁加勁梁（板桁組合結(jié)構(gòu)），桁高5.8 m，節(jié)段長(zhǎng)12.0 m，寬度為36.0 m，全橋共計(jì)55 個(gè)節(jié)段，單節(jié)段最重235 t。鋼桁梁主體結(jié)構(gòu)采用Q345qD、Q420qD 鋼材，工程總用量約1.46 萬(wàn)t，大橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為公路Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)速度100 km/h，橋面寬33.5 m。

圖1 金烽烏江大橋施工圖

3 數(shù)字化建造技術(shù)應(yīng)用

3.1 智能溫控系統(tǒng)在大體積混凝土中應(yīng)用

金烽烏江大橋承臺(tái)及錨錠均為大體積混凝土。大體積混凝土澆筑后將產(chǎn)生較高的水化熱溫升，形成不均勻非穩(wěn)定溫度場(chǎng)，產(chǎn)生非均勻的溫度變形，溫度變形在下部結(jié)構(gòu)和自身的約束之下將產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力往往超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。為防止有害溫度裂縫產(chǎn)生，保證工程質(zhì)量，項(xiàng)目積極采用混凝土智能溫控技術(shù)應(yīng)用到本項(xiàng)目錨碇及承臺(tái)大體積混凝土中（見(jiàn)圖2），有效控制了混凝土溫度和收縮裂縫，確?；炷临|(zhì)量滿足規(guī)范要求。

圖2 大體積混凝土智能溫控系統(tǒng)應(yīng)用圖

3.2 數(shù)字化技術(shù)在預(yù)應(yīng)力管道支架中應(yīng)用

錨碇主纜錨固系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鋼管定位是錨體施工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，項(xiàng)目部按照“錨體分層澆筑、預(yù)應(yīng)力鋼管分節(jié)支撐、管道分段接長(zhǎng)”的原則設(shè)計(jì)了錨錠預(yù)應(yīng)力鋼管定位支架系統(tǒng)。應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)對(duì)不同的支架定位方案進(jìn)行比選（見(jiàn)圖3），將具體化、可視化的技術(shù)應(yīng)用于錨碇預(yù)應(yīng)力管道定位之中，生動(dòng)形象地顯示了支架結(jié)構(gòu)的合理性，避免了結(jié)構(gòu)沖突的同時(shí)也達(dá)到了節(jié)省材料的目的，確保了支架定位系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)誤差為±1 cm，施工誤差達(dá)到±3 mm 的精度。

圖3 數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力管道支架圖

4 鋼桁梁虛擬拼裝技術(shù)應(yīng)用

金烽烏江大橋鋼桁梁總計(jì)74 198 塊拼接板，1 210 塊橋面板，672 172 套高強(qiáng)螺栓。項(xiàng)目堅(jiān)持?jǐn)?shù)字化建造技術(shù)、智能化建造技術(shù)應(yīng)用于鋼桁梁從工廠桿件制造加工、桁梁現(xiàn)場(chǎng)組拼、鋼桁梁吊裝等各個(gè)施工階段。在150 d 的鋼桁梁拼裝、吊裝、安裝施工周期內(nèi)，確保了全橋67 萬(wàn)套高強(qiáng)螺栓全部實(shí)現(xiàn)“零擴(kuò)孔”，達(dá)到了鋼桁梁合龍只有5 mm 誤差的精度，完美體現(xiàn)了“中國(guó)速度”的同時(shí)，又保證了“中國(guó)質(zhì)量”的要求。

鋼桁梁建造，需解決鋼桁梁桿件制作誤差和鋼桁梁節(jié)段拼裝誤差控制問(wèn)題；傳統(tǒng)工藝上，鋼桁梁廠內(nèi)試拼裝和現(xiàn)場(chǎng)預(yù)拼裝是進(jìn)行誤差校核的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中創(chuàng)新性完善和發(fā)展了鋼桁梁全過(guò)程虛擬拼裝施工技術(shù)，形成了構(gòu)件工廠制作、現(xiàn)場(chǎng)節(jié)段拼裝、節(jié)段吊運(yùn)安裝的各施工階段數(shù)智化關(guān)鍵技術(shù)，主要分為3 大方面，如圖4 所示。

圖4 鋼桁梁虛擬拼裝施工技術(shù)

4.1 面向構(gòu)件工廠制作的鋼桁梁數(shù)字化制造關(guān)鍵技術(shù)

項(xiàng)目基于已完成設(shè)計(jì)校核的精細(xì)化鋼桁梁BIM 模型，自動(dòng)生成構(gòu)件零件數(shù)據(jù)庫(kù)，自適應(yīng)生成板材下料切割數(shù)據(jù)，依據(jù)制造工藝專家?guī)熳詣?dòng)匹配下料切割與制孔工藝與參數(shù)。

依據(jù)研發(fā)的構(gòu)件制作質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)焊接工藝專家系統(tǒng)，自動(dòng)匹配各構(gòu)件組裝的工序設(shè)計(jì)/焊接工藝及矯正工藝?；跀?shù)字化設(shè)計(jì)生成的制作工藝文件和數(shù)據(jù)庫(kù)，在管理信息系統(tǒng)發(fā)布面向各工序車間工作計(jì)劃/任務(wù)清單與作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。

依據(jù)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)生成過(guò)程質(zhì)量管理清單和檢測(cè)表單，自動(dòng)定向發(fā)布給各質(zhì)檢員，執(zhí)行過(guò)程質(zhì)量檢測(cè)與數(shù)據(jù)上傳。對(duì)上傳質(zhì)檢數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)檢查，發(fā)布質(zhì)量預(yù)警與反饋管理建議；對(duì)桿件制作誤差進(jìn)行傳遞分析，提供虛擬試拼裝報(bào)告。

4.2 面向現(xiàn)場(chǎng)節(jié)段拼裝的鋼桁梁虛擬施工關(guān)鍵技術(shù)

項(xiàng)目基于數(shù)字化設(shè)計(jì)生成的施組文件，在研發(fā)的鋼桁梁管理信息系統(tǒng)中發(fā)布面向各班組的工作計(jì)劃/任務(wù)清單與作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。同時(shí)利用鋼桁梁管理信息系統(tǒng)自動(dòng)生成節(jié)段拼裝工序質(zhì)檢表單，定向發(fā)布給質(zhì)檢員，執(zhí)行拼裝過(guò)程質(zhì)量檢測(cè)與誤差數(shù)據(jù)上傳，可以達(dá)到對(duì)上傳拼裝質(zhì)檢數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)檢查，發(fā)布質(zhì)量預(yù)警與反饋管理建議的效果，提供虛擬預(yù)拼裝分析報(bào)告和節(jié)點(diǎn)板調(diào)整建議。

依托鋼桁梁虛擬拼裝技術(shù)，項(xiàng)目研究建立了拼裝胎架、拼裝工序、臨時(shí)工裝等設(shè)計(jì)案例庫(kù)和推理邏輯，可依據(jù)場(chǎng)地特征動(dòng)態(tài)生成施組工藝推薦方案（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地的現(xiàn)有條件，項(xiàng)目在大橋兩岸的路基上因地制宜地布置鋼桁梁拼裝場(chǎng)，無(wú)須額外征用紅線用地，切實(shí)貼合了國(guó)家綠色發(fā)展節(jié)能降排的雙降要求）；項(xiàng)目研究推導(dǎo)了桿件誤差的傳遞公式，能合理預(yù)測(cè)節(jié)段拼裝過(guò)程誤差分布，可自動(dòng)設(shè)置各節(jié)點(diǎn)高栓作業(yè)工藝方案。

4.3 面向節(jié)段吊運(yùn)安裝的鋼桁梁虛擬施工關(guān)鍵技術(shù)

基于工廠內(nèi)的虛擬拼裝和現(xiàn)場(chǎng)組裝技術(shù)，在鋼桁梁節(jié)段吊裝節(jié)段，項(xiàng)目研究建立了吊點(diǎn)位置、環(huán)境溫場(chǎng)、臨時(shí)荷載等因素的影響規(guī)律圖表，根據(jù)作業(yè)環(huán)境自動(dòng)生成工藝設(shè)計(jì)控制與作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。

項(xiàng)目研究設(shè)計(jì)了節(jié)段短線法匹配控制表單，合理預(yù)測(cè)節(jié)段安裝空間坐標(biāo)和控制數(shù)據(jù)，為數(shù)字化吊裝提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基于數(shù)字化設(shè)計(jì)生成的施組文件，在研發(fā)的鋼桁梁管理信息系統(tǒng)中發(fā)布面向各班組的工作計(jì)劃、任務(wù)清單與作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。鋼桁梁管理信息系統(tǒng)自動(dòng)生成節(jié)段吊裝工序質(zhì)檢表單，定向發(fā)布給質(zhì)檢員，執(zhí)行吊裝過(guò)程質(zhì)量檢測(cè)與線形誤差數(shù)據(jù)上傳。同時(shí)，能夠?qū)ι蟼骶€形誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)檢查，與預(yù)設(shè)虛擬工況線形數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，提供線形誤差分析報(bào)告和反饋調(diào)整建議。

5 纜索吊裝系統(tǒng)智能監(jiān)控與應(yīng)用

山區(qū)懸索橋鋼桁梁施工，纜索吊機(jī)節(jié)段吊裝是成熟經(jīng)濟(jì)高效的施工方案之一；纜索吊機(jī)的動(dòng)作精度和復(fù)雜環(huán)境作業(yè)可靠性，直接決定了鋼桁梁節(jié)段吊裝施工質(zhì)量與安全性。

金烽烏江大橋鋼桁梁吊裝采用基于北斗系統(tǒng)的2.0 版智能化信息控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于可視化能夠控制吊裝施工運(yùn)行及數(shù)據(jù)傳輸保存，并實(shí)現(xiàn)安全性監(jiān)測(cè)及預(yù)警，保證鋼桁梁吊裝的安全性和高效性。北斗系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地顯示鋼桁梁吊裝過(guò)程中索力、位移、變形、穩(wěn)定性的數(shù)值，從而為吊裝過(guò)程動(dòng)態(tài)糾偏提供依據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以金烽烏江大橋?yàn)楸尘?，闡述了大橋在施工過(guò)程中采用的數(shù)字化、智能化建造技術(shù)，成功研發(fā)了以虛擬拼裝為基礎(chǔ)的鋼桁梁智能建造技術(shù)，解決無(wú)N+1 節(jié)段預(yù)制匹配下鋼桁梁安裝施工質(zhì)量控制問(wèn)題，對(duì)于提升貴州省和我國(guó)山區(qū)懸索橋鋼桁梁安裝施工質(zhì)量控制技術(shù)水平和管理體系，具有重要的理論與實(shí)踐意義，對(duì)同類項(xiàng)目積極響應(yīng)國(guó)家綠色建造和智能建造起到了借鑒和模板作用。