常泰長(zhǎng)江大橋鋼沉井?dāng)?shù)字化制造技術(shù)研究*

鄭海濤，陳建榮，吳啟和，唐 震

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040； 3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040)

1 工程概況

1.1 橋跨布置

常泰長(zhǎng)江大橋起自泰興市六圩港大道，跨長(zhǎng)江主航道，經(jīng)錄安洲，跨長(zhǎng)江夾江，止于常州市新北區(qū)港區(qū)大道，跨江路線全長(zhǎng)約5.3km，如圖1所示。大橋采用“高速公路+城際鐵路+普通公路”方式過(guò)江，主航道橋采用雙層鋼桁梁斜拉橋，橋跨布置為142+490+1 176+490+142=2 440m，橋梁上層為高速公路，下層為城際鐵路和普通公路。

圖1 常泰長(zhǎng)江大橋橋跨布置(單位：m)

1.2 鋼沉井結(jié)構(gòu)

主橋主塔采用沉井基礎(chǔ)，沉井平面呈圓端形，立面為臺(tái)階形，沉井底面尺寸為95.0m×57.8m(橫橋向×縱橋向)，圓端半徑28.9m；沉井頂面尺寸為77.0m×39.8m(橫橋向×縱橋向)，圓端半徑19.9m；臺(tái)階寬9.0m，如圖2所示。沉井為填充混凝土的鋼殼結(jié)構(gòu)，總高64.0m，外井、內(nèi)井壁厚分別為1.8，2.0m，隔墻厚1.4m，沉井總重約18 450t。

圖2 5號(hào)墩沉井結(jié)構(gòu)(單位：cm)

沉井在高度方向上設(shè)計(jì)分為10個(gè)環(huán)形節(jié)段，底部設(shè)有刃腳，第1節(jié)沉井鋼殼壁板厚度均為18mm；其余各節(jié)段鋼殼壁板厚度分別為：外井壁外壁板、內(nèi)壁板厚度分別為10，12mm，外井孔隔墻壁板厚14mm；內(nèi)井壁外壁板、內(nèi)壁板厚度分別為12，10mm，內(nèi)井孔隔墻壁板厚10mm。

井壁及隔墻壁板內(nèi)部設(shè)置豎向加勁肋，規(guī)格為 ∟110×70×6， 間距40cm。在鋼沉井塊段間的井壁、隔墻內(nèi)部設(shè)置隔艙板，以方便鋼殼內(nèi)分區(qū)澆筑混凝土，外井孔隔墻不設(shè)置隔艙板，隔艙板設(shè)置水平加勁肋，加勁肋采用 ∟110×70×8。 沉井標(biāo)準(zhǔn)段沿高度方向每隔1.5m在壁板上設(shè)置1道水平環(huán)，水平環(huán)采用260mm(寬度)×18mm(厚度)扁鋼板。在每層水平環(huán)間設(shè)置水平加勁桁架，加勁桁架采用 ∟110×10， 如圖3所示。

圖3 沉井平面構(gòu)造

相較于國(guó)內(nèi)外沉井基礎(chǔ)，常泰長(zhǎng)江大橋主橋主塔沉井平面尺寸巨大，為全鋼結(jié)構(gòu)，沉井制造精度要求高、制造工期緊、制造難度大[1-2]。

2 沉井制造方案及總體工藝流程

常泰長(zhǎng)江大橋5號(hào)墩沉井制造總體方案為：沉井總體采用水平建造法，在造船廠內(nèi)進(jìn)行分層、分塊制造，為了充分發(fā)揮工廠內(nèi)大型起重設(shè)備的起吊能力，對(duì)設(shè)計(jì)分層進(jìn)行了優(yōu)化，加工制作時(shí)在高度方向分為8層，從下往上每層高度依次為(9+6+9.72+8.28+10+8+6+7)m，總高64m，如圖4所示。其中，第1～5層共43m高沉井在工廠內(nèi)制作并在干船塢內(nèi)拼裝成整體后浮運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)；第6～8層在廠內(nèi)完成塊單元制作，后通過(guò)駁船運(yùn)至橋位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接高作業(yè)。

圖4 鋼沉井制造分層示意

根據(jù)工期要求，為了加快沉井制造進(jìn)度，沉井總段制作安排在長(zhǎng)江中下游某大型造船廠的3個(gè)廠區(qū)同時(shí)進(jìn)行，總段完成后集中運(yùn)至船塢進(jìn)行總裝及接高。

沉井總體上采用工廠內(nèi)流水線式的分段制造法進(jìn)行制造，其總體工藝流程為：鋼板下料→零件預(yù)制→基本單元件制作→塊單元制作→塊段組拼→整節(jié)預(yù)拼裝及干船塢總裝，如圖5所示。

圖5 沉井制造總體工藝流程

3 沉井?dāng)?shù)字化加工制造技術(shù)

為了提高沉井制造質(zhì)量、加快施工進(jìn)度，在傳統(tǒng)的沉井制造加工技術(shù)的基礎(chǔ)上[3-6]，充分發(fā)揮信息化、數(shù)字化技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將設(shè)備的自動(dòng)化加工與信息化、數(shù)字化控制技術(shù)深度融合，實(shí)現(xiàn)沉井的數(shù)字化加工制造。

3.1 鋼板下料與零件預(yù)制

本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)采用BIM正向設(shè)計(jì)，為了確保沉井制造精度、減少余料提高材料利用率，將設(shè)計(jì)與加工制造深度串聯(lián)，將設(shè)計(jì)BIM模型直接導(dǎo)入專業(yè)制造套料軟件，通過(guò)套料軟件三維處理，生成數(shù)字化套料和下料加工圖，然后通過(guò)數(shù)控等離子切割機(jī)進(jìn)行自動(dòng)切割下料，型材彎曲成型采用數(shù)控自動(dòng)彎曲成型工藝，完成零件的數(shù)字化、自動(dòng)化切割與焊接(見(jiàn)圖6)。

圖6 零件的自動(dòng)下料與焊接

3.2 基本單元件制作

基本單元包括板單元、桁片單元、桁架單元3種類型，主要由板材和角鋼等零件拼焊組成。鋼板按數(shù)控切割尺寸下料完成后在加工車間拼板工位專用設(shè)備上進(jìn)行拼裝，經(jīng)精控尺寸測(cè)量合格后，使用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊或埋弧自動(dòng)焊方式焊接完成，焊接作業(yè)全部由焊接機(jī)器人自動(dòng)焊接完成，如圖7所示。

圖7 桁架單元件制作

3.3 塊單元制作與塊段組拼

為了便于沉井制造、運(yùn)輸及安裝，每層沉井在平面上分成若干個(gè)塊單元，塊單元由若干個(gè)板單元組成，塊與塊間通過(guò)焊接進(jìn)行連接，組拼成雙弧形曲面塊段和十字形平直塊段2種類型，如圖8所示。

圖8 沉井塊段劃分

塊單元制作和塊段組拼均在胎架上完成，事先通過(guò)三維軟件對(duì)塊單元的制作過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化模擬，如圖9所示，確定各板單元件的組拼順序，并進(jìn)行碰撞檢查。

圖9 塊單元的數(shù)字化組拼

3.4 大節(jié)段預(yù)拼裝及干船塢總裝

沉井首節(jié)43m以下的5層分段在船塢接高前應(yīng)先進(jìn)行總拼，將多個(gè)分段連接成一個(gè)整體(大節(jié)段)。其中，第1層以散件在船塢內(nèi)吊裝，無(wú)須進(jìn)行總拼，第2層預(yù)先總拼成4個(gè)大節(jié)段，第3～5層預(yù)先總拼成5個(gè)大節(jié)段，如圖10所示。

圖10 沉井總拼

各種塊單元制作完成后，為了確保大節(jié)段拼裝精度，采用虛擬預(yù)拼裝技術(shù)[7]，在塊段拼裝前，采用三維激光掃描儀對(duì)已制作好的各塊段的空間幾何特征進(jìn)行掃描并生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理生成帶有制造誤差的三維模型，并模擬拼裝過(guò)程，如圖11所示，檢查分析加工拼裝精度，得到所需修改的調(diào)整信息，經(jīng)過(guò)必要校正、修改與模擬拼裝，直至滿足精度要求。

圖11 大節(jié)段虛擬預(yù)拼裝

首節(jié)43m沉井在船塢內(nèi)進(jìn)行總組拼，先散拼第1層的各塊段，再依次接高拼裝第2～5層的大節(jié)段，如圖12所示。總拼過(guò)程中也采用虛擬預(yù)拼裝技術(shù)，確保沉井總裝精度。

圖12 首節(jié)沉井總裝

4 沉井加工制造過(guò)程中的信息化管理

因沉井制造工期的需要，首節(jié)5層沉井塊段分別在3個(gè)廠區(qū)同步進(jìn)行制造。沉井制造過(guò)程中基本單元件、塊單元、塊段及大節(jié)段數(shù)量眾多，總計(jì)達(dá) 2 000 多個(gè)，單元件和組拼件需在多個(gè)場(chǎng)地制作并轉(zhuǎn)運(yùn)拼裝，為了提高管理效率，杜絕預(yù)制件的誤拼裝，采用了圖像識(shí)別技術(shù)，建立了沉井制造信息化管理系統(tǒng)，在每個(gè)單元件和塊段上貼上包含詳細(xì)制作信息的二維碼，為每個(gè)塊段制作專屬“身份證”，實(shí)現(xiàn)了塊段的物聯(lián)管理，提升了沉井制造信息化水平。

5 結(jié)語(yǔ)

常泰長(zhǎng)江大橋水中沉井結(jié)構(gòu)新穎、規(guī)模大、地質(zhì)條件復(fù)雜，沉井制造及水上施工技術(shù)難度大，精度難以保證，安全風(fēng)險(xiǎn)高。通過(guò)信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)的應(yīng)用，為沉井高效、高質(zhì)量制造提供了技術(shù)支撐。

1)通過(guò)數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用，確保了1.5萬(wàn)t首節(jié)43m沉井在短短100d內(nèi)制造總拼完成，且結(jié)構(gòu)尺寸、焊縫質(zhì)量一次合格率均達(dá)到99.8%以上。

2)基于沉井設(shè)計(jì)三維BIM模型，將設(shè)計(jì)與加工制造深度串聯(lián)，通過(guò)專業(yè)軟件建模、自動(dòng)套料，數(shù)控機(jī)床自動(dòng)切割與焊接，實(shí)現(xiàn)了真正意義上設(shè)計(jì)與施工的信息互通。

3)采用圖像識(shí)別技術(shù)，建立沉井制造信息化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了沉井制造構(gòu)件的物聯(lián)管理，提高了沉井制造信息化水平。

4)利用虛擬預(yù)拼裝技術(shù)進(jìn)行總拼精度控制，實(shí)現(xiàn)了沉井的數(shù)字化制造。

通過(guò)信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)工藝依賴人工操作、施工效率低下、測(cè)量與監(jiān)控手段落后等問(wèn)題，減少了工程人力資源投入、保證了進(jìn)度和質(zhì)量的同時(shí)降低了項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，可為后續(xù)類似大型沉井施工提供借鑒。