淺談山區鋼桁梁懸索橋智能建造施工技術

柳正

（貴州路橋集團有限公司，貴陽 550001）

1 引言

懸索橋作為跨越能力強的大跨度橋梁型式之一，在世界各國的交通基礎設施建設中，都起著重要的作用[1-3]。由于鋼桁加勁梁具有良好的抗風性能、重載耐受性和施工便捷性等突出特點，在我國山區大跨度懸索橋建設中廣泛應用。近5 年，我國在建和建成的20 余座主跨600 m 以上的山區大跨度鋼桁梁懸索橋中，貴州省就占據近一半數量[4]。從這些統計數據可以看出，超大跨鋼桁梁懸索橋在我國及世界交通基礎建設中的應用將呈現加速發展的趨勢。隨著國家交通建設重心的轉移，西南山區交通領域將迎來新一輪的發展，貴州V 形深切山地峽谷地區建造大跨度鋼桁梁懸索橋已成為一種合理選擇[5]。本文以采取數字智能化施工技術應用于山區懸索橋施工全過程為背景，對其建設期的施工工藝、管理手段、智能化建造技術、安全質量控制等要點開展研究，旨在為山區類似項目建設提供實踐參考。

2 金烽烏江大橋工程概況

金烽烏江大橋為貴陽經金沙至古藺高速公路項目的重要控制性工程，位于貴州省息烽縣九莊鎮和金沙縣化覺鎮，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制索股法施工的超寬鋼桁懸索橋，全長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 對吊索，吊索標準間距為12.0 m，主梁采用鋼桁加勁梁（板桁組合結構），桁高5.8 m，節段長12.0 m，寬度為36.0 m，全橋共計55 個節段，單節段最重235 t。鋼桁梁主體結構采用Q345qD、Q420qD 鋼材，工程總用量約1.46 萬t，大橋設計標準為公路Ⅰ級，設計速度100 km/h，橋面寬33.5 m。

圖1 金烽烏江大橋施工圖

3 數字化建造技術應用

3.1 智能溫控系統在大體積混凝土中應用

金烽烏江大橋承臺及錨錠均為大體積混凝土。大體積混凝土澆筑后將產生較高的水化熱溫升，形成不均勻非穩定溫度場，產生非均勻的溫度變形，溫度變形在下部結構和自身的約束之下將產生較大的溫度應力，溫度應力往往超過混凝土的抗拉強度，導致混凝土開裂。為防止有害溫度裂縫產生，保證工程質量，項目積極采用混凝土智能溫控技術應用到本項目錨碇及承臺大體積混凝土中（見圖2），有效控制了混凝土溫度和收縮裂縫，確?；炷临|量滿足規范要求。

圖2 大體積混凝土智能溫控系統應用圖

3.2 數字化技術在預應力管道支架中應用

錨碇主纜錨固系統預應力鋼管定位是錨體施工中的一個重要環節，項目部按照“錨體分層澆筑、預應力鋼管分節支撐、管道分段接長”的原則設計了錨錠預應力鋼管定位支架系統。應用數字化技術對不同的支架定位方案進行比選（見圖3），將具體化、可視化的技術應用于錨碇預應力管道定位之中，生動形象地顯示了支架結構的合理性，避免了結構沖突的同時也達到了節省材料的目的，確保了支架定位系統達到了設計誤差為±1 cm，施工誤差達到±3 mm 的精度。

圖3 數字技術應用于預應力管道支架圖

4 鋼桁梁虛擬拼裝技術應用

金烽烏江大橋鋼桁梁總計74 198 塊拼接板，1 210 塊橋面板，672 172 套高強螺栓。項目堅持數字化建造技術、智能化建造技術應用于鋼桁梁從工廠桿件制造加工、桁梁現場組拼、鋼桁梁吊裝等各個施工階段。在150 d 的鋼桁梁拼裝、吊裝、安裝施工周期內，確保了全橋67 萬套高強螺栓全部實現“零擴孔”，達到了鋼桁梁合龍只有5 mm 誤差的精度，完美體現了“中國速度”的同時，又保證了“中國質量”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段拼裝誤差控制問題；傳統工藝上，鋼桁梁廠內試拼裝和現場預拼裝是進行誤差校核的關鍵環節。項目在實施過程中創新性完善和發展了鋼桁梁全過程虛擬拼裝施工技術，形成了構件工廠制作、現場節段拼裝、節段吊運安裝的各施工階段數智化關鍵技術，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

4.1 面向構件工廠制作的鋼桁梁數字化制造關鍵技術

項目基于已完成設計校核的精細化鋼桁梁BIM 模型，自動生成構件零件數據庫，自適應生成板材下料切割數據，依據制造工藝專家庫自動匹配下料切割與制孔工藝與參數。

依據研發的構件制作質量驗收標準，依據焊接工藝專家系統，自動匹配各構件組裝的工序設計/焊接工藝及矯正工藝?；跀底只O計生成的制作工藝文件和數據庫，在管理信息系統發布面向各工序車間工作計劃/任務清單與作業指導書。

依據工藝數據庫生成過程質量管理清單和檢測表單，自動定向發布給各質檢員，執行過程質量檢測與數據上傳。對上傳質檢數據進行自動檢查，發布質量預警與反饋管理建議；對桿件制作誤差進行傳遞分析，提供虛擬試拼裝報告。

4.2 面向現場節段拼裝的鋼桁梁虛擬施工關鍵技術

項目基于數字化設計生成的施組文件，在研發的鋼桁梁管理信息系統中發布面向各班組的工作計劃/任務清單與作業指導書。同時利用鋼桁梁管理信息系統自動生成節段拼裝工序質檢表單，定向發布給質檢員，執行拼裝過程質量檢測與誤差數據上傳，可以達到對上傳拼裝質檢數據進行自動檢查，發布質量預警與反饋管理建議的效果，提供虛擬預拼裝分析報告和節點板調整建議。

依托鋼桁梁虛擬拼裝技術，項目研究建立了拼裝胎架、拼裝工序、臨時工裝等設計案例庫和推理邏輯，可依據場地特征動態生成施組工藝推薦方案（根據現場施工場地的現有條件，項目在大橋兩岸的路基上因地制宜地布置鋼桁梁拼裝場，無須額外征用紅線用地，切實貼合了國家綠色發展節能降排的雙降要求）；項目研究推導了桿件誤差的傳遞公式，能合理預測節段拼裝過程誤差分布，可自動設置各節點高栓作業工藝方案。

4.3 面向節段吊運安裝的鋼桁梁虛擬施工關鍵技術

基于工廠內的虛擬拼裝和現場組裝技術，在鋼桁梁節段吊裝節段，項目研究建立了吊點位置、環境溫場、臨時荷載等因素的影響規律圖表，根據作業環境自動生成工藝設計控制與作業指導書。

項目研究設計了節段短線法匹配控制表單，合理預測節段安裝空間坐標和控制數據，為數字化吊裝提供基礎數據?；跀底只O計生成的施組文件，在研發的鋼桁梁管理信息系統中發布面向各班組的工作計劃、任務清單與作業指導書。鋼桁梁管理信息系統自動生成節段吊裝工序質檢表單，定向發布給質檢員，執行吊裝過程質量檢測與線形誤差數據上傳。同時，能夠對上傳線形誤差數據進行自動檢查，與預設虛擬工況線形數據庫比對，提供線形誤差分析報告和反饋調整建議。

5 纜索吊裝系統智能監控與應用

山區懸索橋鋼桁梁施工，纜索吊機節段吊裝是成熟經濟高效的施工方案之一；纜索吊機的動作精度和復雜環境作業可靠性，直接決定了鋼桁梁節段吊裝施工質量與安全性。

金烽烏江大橋鋼桁梁吊裝采用基于北斗系統的2.0 版智能化信息控制系統，該系統基于可視化能夠控制吊裝施工運行及數據傳輸保存，并實現安全性監測及預警，保證鋼桁梁吊裝的安全性和高效性。北斗系統能實時地顯示鋼桁梁吊裝過程中索力、位移、變形、穩定性的數值，從而為吊裝過程動態糾偏提供依據。

6 結語

本文以金烽烏江大橋為背景，闡述了大橋在施工過程中采用的數字化、智能化建造技術，成功研發了以虛擬拼裝為基礎的鋼桁梁智能建造技術，解決無N+1 節段預制匹配下鋼桁梁安裝施工質量控制問題，對于提升貴州省和我國山區懸索橋鋼桁梁安裝施工質量控制技術水平和管理體系，具有重要的理論與實踐意義，對同類項目積極響應國家綠色建造和智能建造起到了借鑒和模板作用。