常泰長江大橋鋼沉井數(shù)字化制造技術研究*

鄭海濤，陳建榮，吳啟和，唐 震

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040； 2.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040； 3.交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造技術研發(fā)中心，湖北 武漢 430040)

1 工程概況

1.1 橋跨布置

常泰長江大橋起自泰興市六圩港大道，跨長江主航道，經(jīng)錄安洲，跨長江夾江，止于常州市新北區(qū)港區(qū)大道，跨江路線全長約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 常泰長江大橋橋跨布置(單位：m)

1.2 鋼沉井結構

主橋主塔采用沉井基礎，沉井平面呈圓端形，立面為臺階形，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；臺階寬9.0m，如圖2所示。沉井為填充混凝土的鋼殼結構，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號墩沉井結構(單位：cm)

沉井在高度方向上設計分為10個環(huán)形節(jié)段，底部設有刃腳，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，外井孔隔墻不設置隔艙板，隔艙板設置水平加勁肋，加勁肋采用 ∟110×70×8。 沉井標準段沿高度方向每隔1.5m在壁板上設置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 沉井平面構造

相較于國內(nèi)外沉井基礎，常泰長江大橋主橋主塔沉井平面尺寸巨大，為全鋼結構，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

常泰長江大橋5號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)進行分層、分塊制造，為了充分發(fā)揮工廠內(nèi)大型起重設備的起吊能力，對設計分層進行了優(yōu)化，加工制作時在高度方向分為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)拼裝成整體后浮運至施工現(xiàn)場；第6～8層在廠內(nèi)完成塊單元制作，后通過駁船運至橋位進行現(xiàn)場接高作業(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度，沉井總段制作安排在長江中下游某大型造船廠的3個廠區(qū)同時進行，總段完成后集中運至船塢進行總裝及接高。

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

圖5 沉井制造總體工藝流程

3 沉井數(shù)字化加工制造技術

為了提高沉井制造質(zhì)量、加快施工進度，在傳統(tǒng)的沉井制造加工技術的基礎上[3-6]，充分發(fā)揮信息化、數(shù)字化技術優(yōu)勢，將設備的自動化加工與信息化、數(shù)字化控制技術深度融合，實現(xiàn)沉井的數(shù)字化加工制造。

3.1 鋼板下料與零件預制

本項目主體結構采用BIM正向設計，為了確保沉井制造精度、減少余料提高材料利用率，將設計與加工制造深度串聯(lián)，將設計BIM模型直接導入專業(yè)制造套料軟件，通過套料軟件三維處理，生成數(shù)字化套料和下料加工圖，然后通過數(shù)控等離子切割機進行自動切割下料，型材彎曲成型采用數(shù)控自動彎曲成型工藝，完成零件的數(shù)字化、自動化切割與焊接(見圖6)。

圖6 零件的自動下料與焊接

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備上進行拼裝，經(jīng)精控尺寸測量合格后，使用二氧化碳氣體保護焊或埋弧自動焊方式焊接完成，焊接作業(yè)全部由焊接機器人自動焊接完成，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、運輸及安裝，每層沉井在平面上分成若干個塊單元，塊單元由若干個板單元組成，塊與塊間通過焊接進行連接，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，事先通過三維軟件對塊單元的制作過程進行數(shù)字化模擬，如圖9所示，確定各板單元件的組拼順序，并進行碰撞檢查。

圖9 塊單元的數(shù)字化組拼

3.4 大節(jié)段預拼裝及干船塢總裝

沉井首節(jié)43m以下的5層分段在船塢接高前應先進行總拼，將多個分段連接成一個整體(大節(jié)段)。其中，第1層以散件在船塢內(nèi)吊裝，無須進行總拼，第2層預先總拼成4個大節(jié)段，第3～5層預先總拼成5個大節(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，采用虛擬預拼裝技術[7]，在塊段拼裝前，采用三維激光掃描儀對已制作好的各塊段的空間幾何特征進行掃描并生成點云數(shù)據(jù)，通過計算機處理生成帶有制造誤差的三維模型，并模擬拼裝過程，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)段虛擬預拼裝

首節(jié)43m沉井在船塢內(nèi)進行總組拼，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。總拼過程中也采用虛擬預拼裝技術，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個廠區(qū)同步進行制造。沉井制造過程中基本單元件、塊單元、塊段及大節(jié)段數(shù)量眾多，總計達 2 000 多個，單元件和組拼件需在多個場地制作并轉運拼裝，為了提高管理效率，杜絕預制件的誤拼裝，采用了圖像識別技術，建立了沉井制造信息化管理系統(tǒng)，在每個單元件和塊段上貼上包含詳細制作信息的二維碼，為每個塊段制作專屬“身份證”，實現(xiàn)了塊段的物聯(lián)管理，提升了沉井制造信息化水平。

5 結語

常泰長江大橋水中沉井結構新穎、規(guī)模大、地質(zhì)條件復雜，沉井制造及水上施工技術難度大，精度難以保證，安全風險高。通過信息化、數(shù)字化、智能化技術的應用，為沉井高效、高質(zhì)量制造提供了技術支撐。

1)通過數(shù)字化制造技術的應用，確保了1.5萬t首節(jié)43m沉井在短短100d內(nèi)制造總拼完成，且結構尺寸、焊縫質(zhì)量一次合格率均達到99.8%以上。

2)基于沉井設計三維BIM模型，將設計與加工制造深度串聯(lián)，通過專業(yè)軟件建模、自動套料，數(shù)控機床自動切割與焊接，實現(xiàn)了真正意義上設計與施工的信息互通。

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

4)利用虛擬預拼裝技術進行總拼精度控制，實現(xiàn)了沉井的數(shù)字化制造。

通過信息化、數(shù)字化、智能化技術的應用，解決了傳統(tǒng)工藝依賴人工操作、施工效率低下、測量與監(jiān)控手段落后等問題，減少了工程人力資源投入、保證了進度和質(zhì)量的同時降低了項目施工風險，具有顯著的經(jīng)濟、社會效益，可為后續(xù)類似大型沉井施工提供借鑒。