索股入深鞍槽索鞍施工關鍵技術*

劉俊學，郝聶冰，劉茂娜(.四川省交通運輸重點項目工作中心，四川 成都 6004；.中交二航局第二工程有限公司，重慶 40004)

中塔剛度和索股滑移是多塔懸索橋的核心問題，溫州甌江北口大橋采用A字形混凝土中塔和深槽索鞍解決上述2個問題，在淺鞍槽分離式索鞍中用傳統入鞍方式入索股尚且存在上述質量通病，顯然如何在深鞍槽索鞍中入索股且保證施工質量是工程建設者必須面對的嚴峻挑戰。

1 工程概況

溫州甌江北口大橋主跨800m，北邊跨230m，南邊跨348m，3塔均采用鋼筋混凝土結構，中塔采用深鞍槽索鞍，如圖1所示。鞍槽高726～929.5mm，豎向摩擦板沿高度方向為整體結構，在索鞍內為對稱的兩塊，底部與索鞍鞍槽采取焊接。豎向摩擦板共有14道，板厚12～16mm，摩擦板橫向凈距61mm。塔頂主纜理論交點高程151.000m，主纜最低點高程71.000m，矢高80m，矢跨比1/10。每根主纜由169根索股組成(北邊跨主纜加6根背索，為175根索股)，每根索股采用127絲φ5.4鍍鋅高強鋼絲組成，鋼絲抗拉極限強度為1 860MPa，按豎向尖頂的近似正六邊形排列組成，索股整形后是斷面尺寸為59.4mm×57.6mm的矩形，索股在鞍槽內間隙僅有1.6mm，由此可見在保證施工質量的前提下完成深鞍槽入鞍施工困難。

圖1 中塔深鞍槽索鞍

2 傳統索股入鞍施工常見問題

傳統索股入鞍方式為人工通過鋼片梳，配合木方在索股頂面進行敲擊、頂推固定，該方法大多適用于鞍槽隔板為分離式的索鞍，隨著索股層數不斷增加進行隔板安裝。采用傳統入鞍方法進行施工，一般存在下列幾方面問題。

1)傳統索股入鞍采用鋼片將索股截面由六邊形改為矩形，鋼片不能進入鞍槽隔板，無法在鞍槽內約束外形，敲擊木方時致使索股亂絲、跳絲及鼓絲；入鞍產生的木方碎屑會影響后續入鞍質量。

2)傳統索股入鞍時需外力敲打、敲擊索股才能緩慢入鞍，施工過程中易導致隔板變形，影響后期索股入鞍。

3)傳統索股入鞍采用木方對索股進行分段固定，若木方打入數量和深度不足，會造成索股松散。

3 深槽入鞍機器人

基于溫州甌江北口大橋中塔入鞍施工難度大和傳統入鞍施工工藝不足，研發出一套集仿生技術、圖像識別技術、電氣和計算機控制技術于一體的梳齒形主索鞍深槽入鞍機器人。

3.1 深槽入鞍機器人組成結構

為確保索股順利安裝到深鞍槽中，進行了實橋索鞍試驗。該設備由走行軌道、走行機構、設備框架、頂推壓桿、導引小車等部件組成，具有自動行走、同步頂推、實時監測、圖像識別等功能，如圖2所示。

圖2 梳齒形主索鞍深槽入鞍機器人

3.2 深槽入鞍機器人工作原理

深槽入鞍機器人工作原理為，基于仿生技術，以機械臂代替人工作業，將索股精準推壓進入索鞍。首先打開機器人開合機構，將索股置入機器人牽引小車；然后調整機械臂合適的角度和施壓力度，使得索股在索鞍入鞍口密貼；最后通過機械臂和牽引小車相互配合，將索股逐次按壓在鞍槽內，完成單根索股入鞍(見圖3)。

圖3 入鞍機器人細部結構

索股入鞍時橫向連接桿依次開合，將索股落入導引小車，調整電動壓桿角度和行程至與鞍槽垂直，并施加壓力將索股壓入鞍槽，走行機構行走帶動壓桿移動實現索股連續、穩定入鞍。

由于鞍槽較深，且索股與鞍槽直接接觸緊密，無法通過常規的檢測方法檢測索股深槽入鞍后的索股質量。采用圖像識別技術實現索股入鞍時索股質量檢測，通過對股絲的形貌與位置檢測，實現索股入鞍后的質量檢測。在導引小車前端、頂推壓桿底部安裝照明燈、攝像頭，利用機器視覺檢測技術，自動檢測索股上、下表面是否出現散絲、跳絲、鼓絲等索股質量問題，檢測著色絲的位置、部分股絲表面質量(見圖4)。

圖4 索股入鞍質量監控系統

4 深槽入鞍施工工藝

4.1 施工準備

4.1.1入鞍機器人安裝

入鞍機器人采用中塔JCD500動臂塔式起重機分塊吊裝，在索鞍上拼裝成整體。其安裝流程如下。

1)安裝軌道支撐架 南、北側2個支撐架最大重約2 300kg，將其與主索鞍通過螺栓連接牢固，調整支撐架與索鞍出口頂面高差，使軌道安裝后線形平順。

2)安裝走行軌道 軌道在廠內分2節制造，現場安裝時嚴格控制兩節段接縫處高差與順直度。

3)安裝走行機構 走行機構包含頂推壓桿、設備框架和導引小車等構件，整體吊重2 803kg。

4.1.2索股牽引及提升橫移至門形框架內

索股牽引到位后，同時啟動中塔頂兩側反拉滑車組提升索股，使得中塔左、右20m范圍內索股呈松弛狀態，橫移裝置與索鞍處中間部位的索股連接，邊提升邊橫移至入鞍機器人門形框架內。

4.2 深槽入鞍施工

本工程中塔主索鞍處索股入鞍施工主要有以下幾個步驟：①將橫移完成后的索股放置在導引小車上，并完成小車的節點固定；②伸縮電缸以調整氣缸角度，再伸出氣缸行程，使其與索股緊密接觸并壓實；③行走機構牽引導引小車，完成入鞍；④使機器人行駛至起點，移動頂部縱梁切換到下一個鞍槽隔板位置，進行下一根索股施工。

具體施工步驟如表1所示。

表1 索股深槽入鞍施工步驟

4.3 入鞍機器人應用效果

4.3.1質量方面

入鞍機器人導引小車上設置有四邊形整形器，在鞍槽內也能對索股進行約束，有效解決散絲問題；機器人采用液壓頂桿為機械手，通過液壓頂桿將索股“推”進索鞍，整個過程中氣缸頂推力均勻并可調節大小和方向，相比于傳統工藝將索股“砸”入索鞍，不易引起索股跳絲和鼓絲，隔板變形也得到有效控制。

4.3.2安全方面

入鞍機器人配合施工，減少了施工人員的臨邊作業，施工風險降低。

4.3.3效益方面

采用入鞍機器人進行入鞍作業，1根索股僅需35min，對比傳統人工輔助入鞍工效整體提升約30%，單點作業人員數量由8人減少至5人，機具設備使用量減少約50%。

5 入鞍機器人改進方向

溫州甌江北口大橋中塔處索股入鞍證明采用入鞍機器人實現索股入深鞍槽索鞍可行，人工輔助機器人入鞍相比于傳統入鞍有一定優勢，但還存在以下幾點不足之處。

1)入鞍機器人行走、調節壓桿壓力等指令均由固定在行走機構上的顯示屏發出，可將指揮系統改為無線遙控裝置避免設備入鞍過程中需由專人跟隨設備行走調整參數。

2)入鞍完成后導引小車無法在鞍槽內后退回到入鞍起點，每入鞍1根索股便需拆卸1次導引小車，后續可將入鞍機器人做加高處理，入鞍完成后收縮電缸將導引小車提起使其在鞍槽上方移動至入鞍起點。

3)入鞍過程中調節設備參數主要依靠操作人員根據圖像識別技術及現場經驗判斷，可在氣缸壓板處增加傳感器監測頂推力，或根據入鞍試驗設置桿件伸長量、角度、最大頂推力、行駛速度及容許波動范圍等參數的一般經驗值，在實際施工過程中以這些指標為基準，超出參數容許值時自動調整到最佳理論值。

4)提高導引小車上部滑板及氣缸壓板加工精度，保證其寬度介于索股整形后寬度和鞍槽隔板寬度之間，防止跳絲。

6 結語

入鞍機器人有效解決了深鞍槽索股入鞍難的問題，比傳統入鞍工藝高效、安全并有質量保障。但還存在半自動化、人員操作不便、不能流水作業等問題，在機器人自動化、智能化、操作性、適用性等方面還有很大改進空間。

縱觀國內外連續多塔懸索橋的發展趨勢，可以預期，連續多跨懸索橋將在未來橋梁中扮演越來越重要的角色。深槽入鞍機器人的研發及投入使用很大程度上彌補了傳統入鞍工藝在質量、安全和效益方面的短板，通過改進可用于深鞍槽索股入鞍施工，為同類型多跨懸索橋深鞍槽索股入鞍施工提供參考。