索股入深鞍槽索鞍施工關(guān)鍵技術(shù)*

劉俊學(xué)，郝聶冰，劉茂娜(.四川省交通運(yùn)輸重點(diǎn)項(xiàng)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(wèn)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(gè)問(wèn)題，在淺鞍槽分離式索鞍中用傳統(tǒng)入鞍方式入索股尚且存在上述質(zhì)量通病，顯然如何在深鞍槽索鞍中入索股且保證施工質(zhì)量是工程建設(shè)者必須面對(duì)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

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(jié)構(gòu)，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?yàn)檎w結(jié)構(gòu)，在索鞍內(nèi)為對(duì)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(diǎn)高程151.000m，主纜最低點(diǎn)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(qiáng)鋼絲組成，鋼絲抗拉極限強(qiáng)度為1 860MPa，按豎向尖頂?shù)慕普呅闻帕薪M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(nèi)間隙僅有1.6mm，由此可見(jiàn)在保證施工質(zhì)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(tǒng)索股入鞍施工常見(jiàn)問(wèn)題

傳統(tǒng)索股入鞍方式為人工通過(guò)鋼片梳，配合木方在索股頂面進(jìn)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(shù)不斷增加進(jìn)行隔板安裝。采用傳統(tǒng)入鞍方法進(jìn)行施工，一般存在下列幾方面問(wèn)題。

1)傳統(tǒng)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(jìn)入鞍槽隔板，無(wú)法在鞍槽內(nèi)約束外形，敲擊木方時(shí)致使索股亂絲、跳絲及鼓絲；入鞍產(chǎn)生的木方碎屑會(huì)影響后續(xù)入鞍質(zhì)量。

2)傳統(tǒng)索股入鞍時(shí)需外力敲打、敲擊索股才能緩慢入鞍，施工過(guò)程中易導(dǎo)致隔板變形，影響后期索股入鞍。

3)傳統(tǒng)索股入鞍采用木方對(duì)索股進(jìn)行分段固定，若木方打入數(shù)量和深度不足，會(huì)造成索股松散。

3 深槽入鞍機(jī)器人

基于溫州甌江北口大橋中塔入鞍施工難度大和傳統(tǒng)入鞍施工工藝不足，研發(fā)出一套集仿生技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、電氣和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)于一體的梳齒形主索鞍深槽入鞍機(jī)器人。

3.1 深槽入鞍機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)

為確保索股順利安裝到深鞍槽中，進(jìn)行了實(shí)橋索鞍試驗(yàn)。該設(shè)備由走行軌道、走行機(jī)構(gòu)、設(shè)備框架、頂推壓桿、導(dǎo)引小車等部件組成，具有自動(dòng)行走、同步頂推、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、圖像識(shí)別等功能，如圖2所示。

圖2 梳齒形主索鞍深槽入鞍機(jī)器人

3.2 深槽入鞍機(jī)器人工作原理

深槽入鞍機(jī)器人工作原理為，基于仿生技術(shù)，以機(jī)械臂代替人工作業(yè)，將索股精準(zhǔn)推壓進(jìn)入索鞍。首先打開(kāi)機(jī)器人開(kāi)合機(jī)構(gòu)，將索股置入機(jī)器人牽引小車；然后調(diào)整機(jī)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(guò)機(jī)械臂和牽引小車相互配合，將索股逐次按壓在鞍槽內(nèi)，完成單根索股入鞍(見(jiàn)圖3)。

圖3 入鞍機(jī)器人細(xì)部結(jié)構(gòu)

索股入鞍時(shí)橫向連接桿依次開(kāi)合，將索股落入導(dǎo)引小車，調(diào)整電動(dòng)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(jī)構(gòu)行走帶動(dòng)壓桿移動(dòng)實(shí)現(xiàn)索股連續(xù)、穩(wěn)定入鞍。

由于鞍槽較深，且索股與鞍槽直接接觸緊密，無(wú)法通過(guò)常規(guī)的檢測(cè)方法檢測(cè)索股深槽入鞍后的索股質(zhì)量。采用圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)索股入鞍時(shí)索股質(zhì)量檢測(cè)，通過(guò)對(duì)股絲的形貌與位置檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)索股入鞍后的質(zhì)量檢測(cè)。在導(dǎo)引小車前端、頂推壓桿底部安裝照明燈、攝像頭，利用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，自動(dòng)檢測(cè)索股上、下表面是否出現(xiàn)散絲、跳絲、鼓絲等索股質(zhì)量問(wèn)題，檢測(cè)著色絲的位置、部分股絲表面質(zhì)量(見(jiàn)圖4)。

圖4 索股入鞍質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

4 深槽入鞍施工工藝

4.1 施工準(zhǔn)備

4.1.1入鞍機(jī)器人安裝

入鞍機(jī)器人采用中塔JCD500動(dòng)臂塔式起重機(jī)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(cè)2個(gè)支撐架最大重約2 300kg，將其與主索鞍通過(guò)螺栓連接牢固，調(diào)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(nèi)分2節(jié)制造，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)嚴(yán)格控制兩節(jié)段接縫處高差與順直度。

3)安裝走行機(jī)構(gòu) 走行機(jī)構(gòu)包含頂推壓桿、設(shè)備框架和導(dǎo)引小車等構(gòu)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(nèi)

索股牽引到位后，同時(shí)啟動(dòng)中塔頂兩側(cè)反拉滑車組提升索股，使得中塔左、右20m范圍內(nèi)索股呈松弛狀態(tài)，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(jī)器人門形框架內(nèi)。

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(gè)步驟：①將橫移完成后的索股放置在導(dǎo)引小車上，并完成小車的節(jié)點(diǎn)固定；②伸縮電缸以調(diào)整氣缸角度，再伸出氣缸行程，使其與索股緊密接觸并壓實(shí)；③行走機(jī)構(gòu)牽引導(dǎo)引小車，完成入鞍；④使機(jī)器人行駛至起點(diǎn)，移動(dòng)頂部縱梁切換到下一個(gè)鞍槽隔板位置，進(jìn)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(jī)器人應(yīng)用效果

4.3.1質(zhì)量方面

入鞍機(jī)器人導(dǎo)引小車上設(shè)置有四邊形整形器，在鞍槽內(nèi)也能對(duì)索股進(jìn)行約束，有效解決散絲問(wèn)題；機(jī)器人采用液壓頂桿為機(jī)械手，通過(guò)液壓頂桿將索股“推”進(jìn)索鞍，整個(gè)過(guò)程中氣缸頂推力均勻并可調(diào)節(jié)大小和方向，相比于傳統(tǒng)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(jī)器人配合施工，減少了施工人員的臨邊作業(yè)，施工風(fēng)險(xiǎn)降低。

4.3.3效益方面

采用入鞍機(jī)器人進(jìn)行入鞍作業(yè)，1根索股僅需35min，對(duì)比傳統(tǒng)人工輔助入鞍工效整體提升約30%，單點(diǎn)作業(yè)人員數(shù)量由8人減少至5人，機(jī)具設(shè)備使用量減少約50%。

5 入鞍機(jī)器人改進(jìn)方向

溫州甌江北口大橋中塔處索股入鞍證明采用入鞍機(jī)器人實(shí)現(xiàn)索股入深鞍槽索鞍可行，人工輔助機(jī)器人入鞍相比于傳統(tǒng)入鞍有一定優(yōu)勢(shì)，但還存在以下幾點(diǎn)不足之處。

1)入鞍機(jī)器人行走、調(diào)節(jié)壓桿壓力等指令均由固定在行走機(jī)構(gòu)上的顯示屏發(fā)出，可將指揮系統(tǒng)改為無(wú)線遙控裝置避免設(shè)備入鞍過(guò)程中需由專人跟隨設(shè)備行走調(diào)整參數(shù)。

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

3)入鞍過(guò)程中調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)主要依靠操作人員根據(jù)圖像識(shí)別技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)判斷，可在氣缸壓板處增加傳感器監(jiān)測(cè)頂推力，或根據(jù)入鞍試驗(yàn)設(shè)置桿件伸長(zhǎng)量、角度、最大頂推力、行駛速度及容許波動(dòng)范圍等參數(shù)的一般經(jīng)驗(yàn)值，在實(shí)際施工過(guò)程中以這些指標(biāo)為基準(zhǔn)，超出參數(shù)容許值時(shí)自動(dòng)調(diào)整到最佳理論值。

4)提高導(dǎo)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(jié)語(yǔ)

入鞍機(jī)器人有效解決了深鞍槽索股入鞍難的問(wèn)題，比傳統(tǒng)入鞍工藝高效、安全并有質(zhì)量保障。但還存在半自動(dòng)化、人員操作不便、不能流水作業(yè)等問(wèn)題，在機(jī)器人自動(dòng)化、智能化、操作性、適用性等方面還有很大改進(jìn)空間。

縱觀國(guó)內(nèi)外連續(xù)多塔懸索橋的發(fā)展趨勢(shì)，可以預(yù)期，連續(xù)多跨懸索橋?qū)⒃谖磥?lái)橋梁中扮演越來(lái)越重要的角色。深槽入鞍機(jī)器人的研發(fā)及投入使用很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)入鞍工藝在質(zhì)量、安全和效益方面的短板，通過(guò)改進(jìn)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。