高分子復合材料3D打印景觀橋安裝技術(shù)*

陳曉明，吳曉風,3，陸承麟,3

(1.上海建工集團股份有限公司，上海 200080；2.上海面向典型建筑應用機器人工程技術(shù)研究中心，上海 200072；3.上海市機械施工集團有限公司，上海 200072)

0 引言

3D打印技術(shù)是突破傳統(tǒng)切削加工方式，通過材料堆積形成實物的增材制造技術(shù)，具有節(jié)材、省時、免模具和高精度等優(yōu)點，尤其適用于制作造型復雜或個性定制的產(chǎn)品。目前，3D打印材料主要包括聚合類材料、金屬材料和陶瓷材料等。3D打印工藝多樣，且不同工藝具有與之適應的材料類型。本文結(jié)合福建泉州“云水橋”和四川成都“流云橋”，對高分子復合材料3D打印景觀橋安裝工藝進行介紹，以為類似項目提供參考，促進3D打印技術(shù)的發(fā)展。

1 3D打印景觀橋結(jié)構(gòu)組成

相比砂漿類3D打印技術(shù)，高分子復合材料3D打印技術(shù)具有工藝更成熟、層間黏結(jié)性能更優(yōu)、精度更高等優(yōu)勢，但高分子復合材料存在彈性模量較低且剛度不足等問題，難以直接打印作為建筑主結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件。此外，實踐中發(fā)現(xiàn)，高分子復合材料3D打印過程中，經(jīng)高溫軟化及堆積固化后，打印構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生溫度應力，進而發(fā)生翹曲變形，且隨著打印構(gòu)件尺寸的增加變形越嚴重。因此，限于打印工藝，難以利用高分子復合材料直接打印突破一定尺寸限制的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

對于景觀橋，其跨度普遍在10m以上，該尺度難以采用高分子復合材料3D打印一次成型。為此，提出鋼-高分子復合材料組合結(jié)構(gòu)設計理念，即利用剛度、強度較大的鋼材制造景觀橋內(nèi)置主承力結(jié)構(gòu)，利用高分子復合材料在3D打印方面更成熟可靠的優(yōu)勢，制造非規(guī)整的外觀造型構(gòu)件，如圖1所示。打印構(gòu)件沿橋跨方向進行分段，每段長度控制為1.0～1.5m，以減小打印構(gòu)件翹曲變形。在此基礎上，通過打印預留翹曲量及打印完成后進行分段面銑削，確保打印構(gòu)件拼接面精度。

圖1 鋼-高分子復合材料組合結(jié)構(gòu)

1.1 福建泉州“云水橋”

“云水橋”位于福建省泉州市生態(tài)連綿帶公園內(nèi)，橋長17.5m，寬4.0m，總高3.2m，呈拱狀，矢高1.025m，如圖2所示。內(nèi)置鋼箱梁作為承力主結(jié)構(gòu)，外部橋形打印構(gòu)件沿橋跨方向等分為16段，每段長1.075m，段間接縫寬度約20mm。鋼梁下翼緣兩端共設置4個支座，經(jīng)分析“云水橋”支座不存在承拉工況，因此采用不抗拉的板式橡膠支座。

圖2 “云水橋”橋形及尺寸

1.2 四川成都“流云橋”

“流云橋”位于四川省成都市驛馬河公園內(nèi)，橋長22.5m，寬2.6m，總高2.7m。水平和豎直方向均存在彎曲構(gòu)型，其中水平向弧高約1.467m，豎向矢高約0.765m，如圖3所示。采用內(nèi)置鋼箱梁作為承力主結(jié)構(gòu)，外部橋形打印構(gòu)件沿水平弧向分為20段，每段長1.12～1.15m，段間接縫寬度約20mm。鋼梁下翼緣兩端共設置8個支座，經(jīng)分析“流云橋”支座不存在承拉工況，因此同樣采用不抗拉的板式橡膠支座。

圖3 “流云橋”橋形及尺寸

2 打印構(gòu)件安裝工藝

打印構(gòu)件可視為依托于內(nèi)置鋼結(jié)構(gòu)上的附屬結(jié)構(gòu)，因此需待鋼結(jié)構(gòu)加工完成后進行打印構(gòu)件安裝，具體安裝流程如下。

1)打印構(gòu)件開孔 為防止打印構(gòu)件在風荷載和人行振動荷載等作用下，豎向脫離鋼結(jié)構(gòu)，采用螺栓將打印構(gòu)件與鋼梁上翼緣連接。因高分子復合材料與鋼材線膨脹系數(shù)差異較大，因此應防止鋼梁與打印構(gòu)件形成抗剪作用，避免打印構(gòu)件因溫度變形在開孔區(qū)發(fā)生破壞。為此，每個打印構(gòu)件僅在一端設置螺栓連接，也可在打印構(gòu)件上開設大圓孔。為滿足連接螺栓安裝要求，需預先采用機械鉆頭在打印構(gòu)件上開設螺栓孔，完成開孔后采用熱熔槍對開孔周邊區(qū)域進行加熱，使其軟化，以修復由鉆孔產(chǎn)生的微損傷。在熱熔過程中，在孔洞內(nèi)同步輕敲置入鋼管，為后續(xù)安裝各打印段硬限位的固定壓板提供預留孔。

2)鋪設橡膠墊 若打印構(gòu)件與鋼梁上翼緣為硬接觸，由于鋼梁上翼緣板焊接變形等問題，可能導致打印構(gòu)件僅局部支承在鋼梁上，既造成打印構(gòu)件局部受力較大，又影響使用舒適性。為此，在打印構(gòu)件與鋼梁間鋪設橡膠墊，實現(xiàn)二者軟承壓接觸。橡膠墊截面尺寸為53mm×5mm，沿鋼梁全長布置，間距約250mm，通過專用膠水粘于鋼梁上翼緣。

3)預拼裝 將打印構(gòu)件按理論位置進行預拼裝，并結(jié)合鋼梁與打印構(gòu)件實際尺寸，通過微調(diào)打印構(gòu)件間隙，使打印構(gòu)件合理平順地排布于鋼梁上。通過預拼裝，確定每段打印構(gòu)件具體位置，并在鋼梁上做好標記。同時，根據(jù)打印構(gòu)件上的開孔，在鋼梁上翼緣做好標記，待打印構(gòu)件吊離鋼梁后，在鋼梁上翼緣對應標記位置鉆螺紋孔。

4)正式拼裝 根據(jù)預拼裝確定的位置，將打印構(gòu)件按順序放置就位，每放置一段，及時安裝與鋼梁相連的螺栓，連接螺栓通過定制鋼蓋板與打印構(gòu)件承壓接觸，以擴大承壓面積，降低打印構(gòu)件局壓應力。所有打印構(gòu)件安裝完畢后，通過側(cè)向限位件對打印構(gòu)件水平位形進行微調(diào)，使打印構(gòu)件接縫過渡自然平順。微調(diào)完成后，將所有側(cè)向限位件螺栓頂緊打印構(gòu)件側(cè)壁，并擰緊側(cè)向限位件后置螺栓。

5)接縫處理 接縫處理的目的是將打印構(gòu)件接縫進行封閉，并控制其色彩盡量接近打印構(gòu)件顏色，以實現(xiàn)外觀形式的統(tǒng)一。可采用耐候密封膠填充，也可嵌入橡膠帶，應保證具有優(yōu)越的耐候性和可伸縮性。采用耐候密封膠填充工藝時，應先嵌入PE棒作為內(nèi)襯，并在接縫兩側(cè)打印構(gòu)件邊緣粘貼膠帶，然后涂刷耐候密封膠。

6)鋪設塑膠步道 完成前述安裝步驟并驗收合格后，對打印構(gòu)件表面進行清洗。清洗完成后，在打印構(gòu)件面板上鋪設塑膠步道，以供行人通行。至此，打印構(gòu)件全部安裝工序均結(jié)束，整體驗收后即可投入使用。

3 景觀橋安裝工藝

完成打印構(gòu)件安裝后，景觀橋已基本成型，需完成景觀橋安裝。“云水橋”和“流云橋”采用不同的現(xiàn)場安裝工藝。

3.1 “云水橋”現(xiàn)場安裝

打印構(gòu)件分段拼裝工藝在“云水橋”上首次應用，考慮到施工現(xiàn)場距離較遠，首次拼裝存在較多問題，且不便在施工現(xiàn)場解決，因此“云水橋”采用“打印構(gòu)件工廠組裝、現(xiàn)場整體吊裝”施工工藝。

1)整體運輸 完成打印構(gòu)件安裝后，在“云水橋”外圍包裹塑料膜進行保護，防止運輸過程對景觀橋造成污染，破壞景觀橋外觀視覺效果。“云水橋”總質(zhì)量約30t，由大件運輸公司負責工廠至施工現(xiàn)場的整件運輸。

2)整體吊裝 因打印構(gòu)件和內(nèi)置鋼梁需整體吊裝，因此吊裝方案應充分考慮吊具裝拆的方便性，且吊具不得擠壓打印構(gòu)件。采用在內(nèi)置鋼梁下設鋼托梁的方式作為吊具生根點，鋼托梁垂直于橋長軸方向布置。鋼托梁與內(nèi)置鋼梁通過圓管嵌套方式形成抗剪構(gòu)造，以平衡由于吊具傾斜帶來的水平剪力。采用4點吊裝方式，共布設2根鋼托梁，每根鋼托梁兩端各設置1個吊點。吊具采用吊帶，為防止吊帶擠壓打印構(gòu)件，鋼托梁沿“云水橋”寬度方向伸出一定距離。

3)安裝與校正 “云水橋”通過4個橡膠支座擱置在混凝土承臺上，橡膠支座與“云水橋”鋼梁宜采用螺栓連接，與混凝土承臺埋件宜采用焊接連接。因橡膠支座按形成靜定約束考慮，則橡膠支座水平剪力主要由景觀橋承受的水平風荷載產(chǎn)生，計算知單個橡膠支座承受的水平剪力設計值約為16kN，受力較小，因此橡膠支座與埋件間的焊縫按構(gòu)造考慮即可滿足要求。此外，考慮到焊接熱輸入易對橡膠支座產(chǎn)生損傷，宜在橡膠支座底板4個角部施焊，且焊接長度宜≤5cm，焊接高度宜≤6mm。現(xiàn)澆混凝土承臺標高一般設置負偏差，因此需通過墊片進行標高修正。標高偏差較小時(<6mm)，墊片可設置在支座與承臺間，也可設置在支座與鋼梁間。標高偏差較大時，墊塊宜設置在支座與承臺間，且應保證墊塊與橡膠支座埋件焊接牢固。現(xiàn)場采用全站儀進行標高和水平坐標量測，選取鋼梁上翼緣4個端部角點作為坐標控制點。“云水橋”最終完成形態(tài)如圖4所示。

圖4 “云水橋”完成形態(tài)

3.2 “流云橋”現(xiàn)場安裝

“流云橋”安裝采用打印構(gòu)件分段拼裝、端面銑削精加工及三維掃描數(shù)字化拼裝工藝，對打印構(gòu)件制作精度要求更高。此外，“流云橋”跨度更大，運輸距離更遠。綜合考慮多方面因素后，采用“鋼梁與打印構(gòu)件現(xiàn)場原位安裝”的施工工藝。

1)分段運輸 除打印構(gòu)件分段運輸外，對內(nèi)置鋼梁進行了分段，以避免大件運輸，降低了運輸成本。鋼梁分段位置如圖5所示，每段鋼梁長度≤12m。

圖5 鋼梁分段示意

2)鋼梁安裝 首先進行鋼梁原位安裝。與“云水橋”不同，“流云橋”鋼梁單獨吊裝，因此無須設置底托梁，以避開打印構(gòu)件。采用吊帶直接捆綁吊裝的方式，借助每段鋼梁上4個橡膠支座處外凸鋼結(jié)構(gòu)作為吊帶捆綁的抗剪卡件。一側(cè)吊帶直接連接鋼絲繩，另一側(cè)吊帶連接5t手拉葫蘆后再連接鋼絲繩，通過調(diào)節(jié)手拉葫蘆使鋼梁傾斜角度基本吻合成橋形態(tài)。鋼梁標高和水平位形校正采用與“云水橋”相同的處理方式。兩端鋼梁校正就位后，首先完成鋼梁上、下翼緣熔透對接焊，然后進行腹板間熔透對接焊，最終形成完整的結(jié)構(gòu)鋼梁。

3)打印構(gòu)件安裝 完成鋼梁安裝后，進行打印構(gòu)件原位安裝及塑膠步道施工。“流云橋”最終完成形態(tài)如圖6所示。

圖6 “流云橋”完成形態(tài)

4 結(jié)語

1)受高分子復合材料3D打印工藝和打印性能等影響，建筑領(lǐng)域大型結(jié)構(gòu)的打印宜采用“分段打印、組拼成型”的制作模式，并應結(jié)合其他常規(guī)材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢進行互補。

2)以高分子復合材料3D打印景觀橋為研究對象，對打印構(gòu)件組拼工藝進行敘述，實踐表明，景觀橋安裝時采用的組拼工藝可保證打印構(gòu)件與內(nèi)置鋼梁協(xié)調(diào)工作，且打印構(gòu)件組拼后的整體外觀造型基本滿足設計初衷。

3)打印構(gòu)件間密封膠是否具有足夠的伸縮性能有待進一步跟蹤研究。相對而言，采用嵌入橡膠帶的方式更簡便、可靠，但在細部外觀效果呈現(xiàn)上略有區(qū)別。

4)“云水橋”現(xiàn)場安裝時需設置超出打印構(gòu)件寬度的鋼托梁，以防止吊具對打印構(gòu)件產(chǎn)生擠壓。采用鋼墊片對景觀橋標高進行修正，并設置板式橡膠支座。

5)“流云橋”采用現(xiàn)場組拼后，組拼效果與工廠組拼效果基本一致，且降低了運輸成本及對起重設備的配置需求，優(yōu)勢顯著。