大节段钢桁梁整体制造技术的认识（基于网片弯折成型的超高索塔钢筋部品装配化施工工法）

摘 要：深中通道伶仃洋大桥塔身钢筋层数多、数量大、结构复杂，施工难度大。为提高混凝土桥塔钢筋部品工业化建造水平，降低作业人员劳动强度和安全风险，深中通道S04标段以“工厂化生产、装配化施工”为总体思路，将绝大部分桥塔钢筋网片的制造转入地面工厂，通过工业化流水线的方式进行钢筋网片生产，对钢筋网片进行整体弯折成型，采用钢筋部品装配化方式进行塔柱节段拼装。索塔钢筋部品化施工工效提升30%,实现了钢筋网片毫米级精度控制，提高了施工效率，保障了工程品质。

关键词：深中通道;桥塔建造;钢筋部品;装配化施工;生产线;施工工法;

目前，我国开始在基础建设领域中尝试应用钢筋部品装配化技术，这项技术在桥梁建造的桩基、墩柱及盖梁施工中已趋于成熟[1]。上海S26公路是我国首个“钢筋模块化”应用的项目，根据结构特点、制作难度等将钢筋模块划分为立柱钢筋笼整体模块、承台钢筋笼整体模块、承台钢筋网片模块以及钻孔灌注桩钢筋笼分段模块[2]。浙江象山高湾特大桥工程通过 BIM 技术三维建模，对钢筋模块进行优化布筋，在理论层面上保证了钢筋模块组拼时的匹配性，基本能避免模块安装时钢筋的冲突碰撞[3]。鸭池河大桥项目借鉴钢箱梁节段厂内匹配加工的思路，在地面设置索塔钢筋预拼胎架，对索塔竖向主筋按“基准节 次节” 进行匹配制作，将钢筋节段整体吊装至塔上对接并安装，相邻节段间采用直螺纹套筒连接。虎门二桥主塔施工过程中，采用了预制网片吊装至塔顶拼接的方案，部分实现了索塔钢筋网片的预制装配化。

钢筋部品装配化技术的应用减轻了劳动强度，降低了安全风险，提高了施工效率[4,5,6,7]。但是，钢筋施工最普遍的方式仍是后场单元件加工，现场全人工绑扎成型，属于劳动密集型作业，技术要求低，对异型结构适应性强，对人工需求大。因此，如何提高钢筋部品工业化建造水平，减少人员操作，保障施工人员安全，实现机械化换人和自动化减人，是当前迫切需要解决的问题。

本文依托深中通道伶仃洋大桥[8,9]工程施工，以“工厂化生产、装配化施工”为总体思路，将绝大部分桥塔钢筋网片的制造转入地面工厂，通过工业化流水线的方式进行钢筋网片生产，对钢筋网片进行整体弯折成型；采用钢筋部品装配化方式进行塔柱节段拼装，通过融合装配化、自动化、信息化技术，最终形成深中通道超高桥塔钢筋部品装配化施工关键技术。

1 项目概况

深中通道项目北距虎门大桥约30 km, 南距港珠澳大桥38 km, 东接机荷高速，跨越珠江口，西至中山马鞍岛。项目全长约24.03 km, 其中跨海段长22.39 km, 伶仃洋大桥为主跨1 666 m的三跨全飘浮体系悬索桥，是桥梁标段关键控制性工程，如图1所示。

图1 深中通道伶仃洋大桥成桥效果

索塔采用门式造型，设置上、中、下3道横梁，总高度为270 m。上、下塔柱均采用八角形截面。下塔柱高程范围为 0～ 79 m, 截面尺寸由13 m×16 m过渡到8.4 m×12 m。上塔柱高程范围为 79～262.5 m, 截面尺寸由8.4 m×12 m过渡到7.5 m×12 m。全塔采用C55混凝土，主塔钢筋为3层主筋，均采用HRB400级热轧带肋钢筋，外圈双层主筋的直径为40 mm, 箍筋的直径为20 mm; 内圈一层主筋的直径为32 mm, 箍筋的直径为16 mm。塔柱钢筋平面布置如图2所示。

图2 塔柱钢筋平面布置实景(无劲性骨架)

2 塔柱钢筋总体施工方案

塔柱钢筋采用“厂内网片预制，胎架节段拼装，整体吊装上塔”的施工方法。塔柱钢筋网片在场内预制，通过TD6000—30钢筋网片柔性制造生产线进行无人布料、自动焊接和整体弯折成型。钢筋网片由驳船运输至水上平台，在塔下胎架内拼装，穿插拉钩筋后形成钢筋部品。钢筋部品由塔吊整体吊装上塔，通过锥套连接。

3钢筋部品施工关键技术

塔柱钢筋部品施工首先要确定钢筋网片划分方案，这将决定生产线整体尺寸、网片运输方式和部品拼装效率。根据钢筋加工厂行车吊高、桥塔塔吊的起重能力，合理设计塔柱分节长度。在钢筋网片弯折、翻身过程中需要设计固形工装、运输托盘和专用吊具，在钢筋部品拼装时，设计拼装胎架和专用吊具。

3.1钢筋网片划分

深中通道伶仃洋大桥塔柱有内外3层钢筋网。外2层钢筋网片可成环预制，从减少箍筋接头数量、提高网片制造工效考虑，将外2层钢筋网按面中线分割，每张钢筋网片包含5个边，自身对称，最大周长为27 m。内环钢筋网片由于自身构造特点，不可成环预制，将其分割为8个平面网片，最大长度9 m,如图3所示。

图3 塔柱钢筋网片划分方案示意

3.2塔柱节段划分

根据主筋来料长度并尽可能减少切割余量，塔柱节段长度可划分为3 m、4.5 m、6 m和9 m。受塔柱塔吊起重能力限制，9 m节段钢筋部品重量过大；而3 m节段长度增加了钢筋部品对接接头数量，成本提高，施工效率降低。考虑到钢筋加工场内行车吊高对网片翻身的限制，下塔柱划分为4.5 m节段，上塔柱划分为6 m节段。

3.3钢筋网片平面展开图

外层钢筋网片由平面网片整体弯折成型，首先要绘制塔柱钢筋网片平面展开图。根据塔柱构型建立三维模型，以其中一个面为基准进行展开，在展开的轮廓图上按照设计间距布设箍筋，根据主筋排布原则布设主筋，得到钢筋网片平面展开图，如图4所示。塔柱构型“上小下大”,钢筋网片展开后呈扇面分布。

图4 塔柱钢筋网片展开平面

单位：mm

3.4钢筋网片生产线制造

TD6000—30钢筋网片柔性制造生产线是中交二航局基于“工业化流水线生产、装配化施工、智能化控制”理念自主研发、与厂家联合研制的国内首台超大尺寸钢筋网片整体成型专用装备，生产线长72 m,宽14.5 m,高1.8 m,包含箍筋下料机构、箍筋布料初定位机构、箍筋牵引及自动焊接绑扎机构、主筋布料机构、箍筋定位及立体弯折机构、主筋补料机构等6大组成部分，如图5所示。该生产线具有箍筋无人下料、主筋自动布料、机械手自动焊接和绑扎、钢筋网片空间立体弯折等关键功能，能够在毫米级精度上实现超大尺寸桥塔钢筋网片整体自动化成型。

3.4.1箍筋下料

箍筋原材料直接吊运至生产线，由阶梯上料机构分散至传输托辊上，在闪光对焊机上进行箍筋自动接长，接头质量经检测符合规范要求。箍筋闪光对焊如图6所示。钢筋剪切机根据输入尺寸对箍筋进行自动剪切，再由联合阶梯上料机构输送至箍筋布料平台。箍筋经过自动接长和定尺剪切后，不仅满足网片长度要求，有利于工业化制造，而且能避免余料产生，节省成本。

图5 TD6000—30钢筋网片柔性制造生产线

图6 箍筋闪光对焊

3.4.2箍筋牵引与平面弯折

箍筋布料平台存放一张网片的箍筋，由牵引龙门将箍筋整体牵引至网片弯折平台，箍筋落入对应一次平弯托梁导槽内。箍筋牵引到位后，一次平弯托梁由伺服电机驱动，按照钢筋网片平面展开图将箍筋平面弯折成扇面。

3.4.3主筋布料与自动焊接

主筋原材料需要锯切成设计长度，然后成捆吊运至生产线，经阶梯上料、补料龙门抓取后，输送至主筋布料龙门。布料龙门根据一次平面展开图主筋布置原则，从箍筋端头开始进行主筋自动布料。牵引龙门搭载6套焊接机械手，自动跟随布料龙门，对主筋进行自动焊接，最终形成平面钢筋网片，如图7所示。

3.4.4钢筋网片立体弯折成型

钢筋网片柔性比较大，在弯折和翻身的过程中，需要依靠固形工装进行支撑。固形工装为5片独立桁架式结构，在平面钢筋网片成型后安装，工装与网片通过钢筋夹具连接，工装之间通过螺杆和固定斜撑连接。由于塔柱的构造特点，钢筋网片从底部开始尺寸持续缩小，通过螺杆和工装滑块适应网片尺寸变化。在钢筋网片弯折过程中，需要利用2台行车4个吊钩辅助起吊，消除工装与网片自重，防止钢筋网片变形。在平面钢筋网片每根弯折线位置安装反压块，由弯网机对平面钢筋网片进行整体弯折，每个折角成型后立即安装螺杆和固定斜撑。钢筋网片立体弯折成型如图8所示。

图7 平面钢筋网片自动焊接成型

图8 钢筋网片立体弯折成型

3.4.5钢筋网片成型精度控制措施

(1)钢筋弯折后，在弯折处形成圆弧，内皮收缩、外皮延伸，并沿钢筋外皮测量外包尺寸，因此下料尺寸一般小于实际尺寸，需要考虑弯曲调整值的影响。通过单根钢筋弯折试验，确定直径20 mm箍筋4个弯折角度对应的弯曲调整值，见表1。钢筋网片有4个弯折角，箍筋下料尺寸分别缩减5 cm和4.4 cm。

表1 20 mm箍筋弯曲调整值

弯折角度	59°	37°	57°	27°
弯曲调整值/mm	16	9	15	7

(2)箍筋通过一次平弯托梁上的小导轮进行定位，小导轮以50 mm为倍数进行布置，通过机加工进行制造。箍筋间距布设精度为2 mm, 可以按照100 mm、150 mm等50 mm的倍数进行调整。

(3)主筋布料龙门由伺服电机驱动，作业前以网片中线为零位进行定位，行走精度偏差小于2 mm。主筋布设端部设置定位档杆，通过顶推气缸控制主筋落料间隙，消除主筋弯曲的影响。主筋间距精度偏差小于3 mm, 满足锥套对接要求。

(4)钢筋网片弯折线位置和弯折由弯网机决定，控制弯网机位置偏差在5 mm内，网片弯折角度偏差在2°内。

3.5钢筋网片翻身与运输

钢筋网片弯折成型后，由2台行车整体抬吊至翻身区域，2个吊钩同时落下，另外2个吊钩同时起升，将网片由卧式翻转为立式，如图9所示。工人将固形工装分片拆除，运至堆存区重复利用。通过专用吊具将网片移至运输托盘，用链条和手拉葫芦将网片固定在托盘挡墙上，每个托盘装两张钢筋网片。由平板车将托盘整体运输至码头，用驳船将托盘由码头运输至水上平台，如图10所示。

图9 钢筋网片翻身

图10 驳船运输钢筋网片至水上平台

3.6钢筋网片胎架内组拼

履带吊将托盘整体吊运至水上平台堆存区，解除临时固定后，将钢筋网片吊运至拼装胎架内，拼装胎架如图11所示。胎架底部设置导槽，用于钢筋网片定位。将钢筋网片由内向外分别放入，内外3层钢筋网片在胎架内安装完成后，人工穿插拉钩筋，组拼成钢筋部品，安装钢筋保护层垫块。

图11 钢筋部品拼装胎架

3.7钢筋部品吊装与对接

钢筋部品成型后，在钢筋网片上焊接吊耳，通过专用吊具将钢筋部品吊装上塔。吊具与吊耳之间通过花篮螺栓调整吊绳长度，通过调整吊点位置适应钢筋部品重心变化，防止严重偏载。钢筋部品吊装如图12所示。

图12 钢筋部品整体吊装

钢筋部品吊装上塔后，在每个网面中间的主筋上安装喇叭口形落料钢筒，引导主筋落入相应位置。塔柱钢筋通过锥套连接[10],如图13所示。

4 钢筋网片和部品变形控制及调整措施

(1)钢筋网片柔性较大，在立体弯折过程中，需要通过行车辅助起吊，消除网片与工装自身重量的影响。行车吊钩起升速度由网片弯折速度决定。

图13 钢筋部品锥套连接

(2)钢筋网片抬吊至翻身区域的过程中，要保持2台行车的行走速度一致，否则会导致钢筋网片发生变形。通过固形工装增加网片刚度，工装自身发生变形是导致网片变形的最大影响因素。

(3)钢筋网片由托盘进行整体运输，通过托盘上的挡墙进行临时固定。网片2/3高度上设置7个临时固定点，基准面有3个固定点与挡墙进行临时连接，其他4个面分别与托盘底面通过防风拉缆进行临时连接。

(4)钢筋网片吊装进入胎架后，通过底部导槽进行底口定位，测量网片基准面中线和4个弯折线的位置，通过手拉葫芦进行适当调整，确保钢筋网片准确安装。

5结语

深中通道S04标项目实现了加工厂内钢筋网片的工业化生产，塔下钢筋部品装配化成型，塔上钢筋节段整体对接，三位一体同步作业，大大提高了索塔钢筋施工效率和成型质量。

(1)钢筋网片生产线制造工效达到6 h/片，3 d即可生产2个钢筋部品的网片。由于弯折网片具有自稳能力，取消了“劲性骨架”结构；同时，网片制造、部品拼装不占用关键工序，因此与塔顶人工原位绑扎相比，索塔钢筋施工工效提升30%。

(2)钢筋网片机械化生产，成型质量高，边长精度为5 mm,弯折角度偏差2°以内，箍筋间距精度达到2 mm,主筋间距精度达到3 mm,实现了钢筋网片网格尺寸免检。

(3)塔上钢筋部品对接，主筋对接质量良好，90%以上的主筋接头径向偏差在1 cm以内，提升了锥套对接成功率，减小了人工调节工作量，有效提高了塔上钢筋部品对接效率。

(4)现场钢筋网片生产，40 mm主筋下料取用9 m或12 m长钢筋从中心锯切成型；20 mm箍筋采用闪光对焊，然后根据下料尺寸定尺剪切截取。因此可以实现主筋与箍筋下料“零损耗”。

未来10年甚至更长的一段时间，我国乃至世界大跨径缆索承重桥梁建设需求旺盛，如常泰大桥、广东莲花山过江通道、浙江舟岱跨海高铁、川藏铁路、直布罗陀跨海大桥等等。可以预见，基于网片弯折成型的超高索塔钢筋部品装配化施工工法以其更安全、更高效、更智能的显著优势，具有非常广泛的应用前景，蕴含巨大的经济和社会效益。

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