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
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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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