桥塔弧形钢筋网片试验验证与成型方法

2022-01-29李冬冬张益鹏

建筑机械化 2022年1期

李冬冬，张益鹏，陈斌

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北武汉 430040；4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京 100032）

传统桥塔弧形部分施工方法是单个箍筋弯曲，在塔柱主筋上进行人工绑扎，效率低，劳动强度大，施工风险高；设计一套新型制作大型弧形网片一体成型装置，效率高，在地面上进行，安全性好。

龙潭过江大桥LT-3 合同段南岸塔柱为弧形竖面变截面空心桥塔，塔柱高249m，弧形段的固定直径1/4 圆弧，内部钢筋结构为双层环形；塔柱施工采用钢筋部品整体吊装方式，按节段划分，共42 个节段；每个钢筋部品分为4 张网片，其中2 张折网片，2 张弧网片。网片均采用钢筋TD6000-30 钢筋网片生产线进行生产，折网片通过立体弯折设备进行折网片成型，一体式立体弯弧装置进行弧网片立体成型；共需要制作64 张高6m 弯曲半径为1.44m 的弧形网片，共进行128次网片弯弧。

网片钢筋均采用HRB400 普通带肋直螺纹钢筋，标准弹性模量E＝200GPa，屈服强度σs＝400MPa；∅40 钢筋的单位质量为9.87kg/m，∅20 钢筋的单位质量为2.47kg/m。

试验共8 张网片，网片长18.6m 高5.98m，每端弯曲为半径1.5m 的1/4 圆弧，对网片采用三维激光扫描技术进行测量，每层箍筋于主筋交叉点与理论对比记录，分析得出应用结论。

1 数学模型

1.1 模型假设

钢筋网片整体弯弧，可以看作是多根箍筋弯曲的同尺寸组合。通过对单根钢筋的弯曲计算，拓展到整体网片的弯弧。在研究钢筋弯曲时，做如下假设。

1）平断面假设弯曲时，各层纤维的应变与其到中性层的距离成正比；钢筋的剪应力忽略不计。

2）中性层不变假设弯曲过程中，钢筋的弯曲不会使中性层产生塑性变形。

3）纯弯曲假设钢筋只受到弯矩作用。

4）焊接简化焊接部位简化为刚接，根据影响区域对钢筋参数进行修正。

注：立弯计算不考虑重力影响。

1.2 理论依据

箍筋断面焊接主筋后产生残余应力σv，σv恒小于钢材屈服强度，即

σv＝Eεvσt-σv＝E（εt-εv）

设残余应力引起的屈服应变等效衰减系数为μ，考虑残余应力后的等效屈服应变为εs＝εt-εv，则

代入钢筋回弹公式[2]得钢筋焊接网片整体弯折回弹方程组

式中rw——钢筋预弯半径；

εt——钢筋屈服应变；

R——钢筋半径；

η——钢筋强化系数，η＝E1/E，E为弹性模量，E1为强化节段的简化直线模量；

θ1——预弯对应的圆心角；

θ2——回弹对应的圆心角；

rc——回弹后的半径。

1）原始曲率钢筋初始状态下的曲率，用A0表示，A0＝1/r0，试验箍筋初始状态为水平，A0＝0。

2）反弯曲率钢筋在外力作用后的曲率，用AW表示，Aw＝1/rw试验箍筋即为弯折状态后的曲率。

3）总变形曲率原始曲率与反弯曲率的代数和，用Aε表示，则Aε＝Aw+A0，试验箍筋的总变形曲率Aε＝Aw。

4）弹复曲率作用在钢筋上的外力移除后，钢筋回弹后曲率变化量，用Af表示，且有Af＝Aw-Ac。

5）残余曲率钢筋弹复后的曲率，用Ac表示，Ac＝1/rc。

各曲率相对表达式如表1 所示。

表1 各曲率相对表达式

1.3 计算

由试验件拉伸试验指标，确定试验件屈服强度σt＝445MPa，弹性模量E＝206MPa，抗拉强度σp＝635MPa。下屈服应变为εt＝0.00216，结合文献《HRB400 钢筋单调拉伸及低周疲劳性能试验研究》，考虑强化初始阶段的应变为0.0164，峰值应力即抗拉强度对应的应变为0.1339。

根据上述理论假设，试验件本构为弹性-屈服的两折线模型，简化后的本构模型如图1 所示，可得强化系数η＝E1/E＝0.007。

图1 简化两折模型

依据上述理论公式，假定钢筋网片电焊部分的不均匀参与应力分配到箍筋径向通长的平均残余应力为10MPa，可得试验件的各项计算参数，等效屈服应变εs＝0.002111，强化系数η＝0.007，箍筋半径R＝10mm。带入公式，求解得钢筋网片预弯及回弹参数如表2 所示。

表2 网片试验预弯及回弹理论值

2 试验验证

2.1 工作流程及思路

工作流程及思路如图2 所示。

图2 工作流程

按照计算值将设备的弯曲半径和弯曲角度调整后，立弯第一张网片，与理论值对比分析；调整弯弧设备翅板，改变弯曲半径，再进行第二次弯弧验证；弯弧机构设计将弧形面分为6 段共5个翅板，翅板之间主筋数量分别是2、3、3、3、3、2，调整值按照翅板上下最近的主筋偏差平均值调整尝试。文中以同编号箍筋按同层，同编号主筋按同列。

2.2 试验准备

试验采用多点整体弯折、径向以折代曲的方式弯曲钢筋网片，试验准备的材料有：10t 两吊钩桁车2 部、一体式弯弧设备（图3）、膨胀螺丝、高强螺栓、固形工装、18.6m×5.98m 网片、钢丝绳等。

图3 一体式弯弧机构

网片箍筋间距为10cm 主筋间距为15cm，网片采取在主筋箍筋交叉点点焊，采取隔1 焊1 的二氧化碳保护焊接方式；每张网片两个弧面，分别在网片第2.25～2.69m 和9.91～11.46m 处，每个弧面共51 根箍筋16 根主筋。

一体式弯弧试验设备，利用桁车预弯，液压机械爪超弯，设计可调节翅板，无极可调弯曲半径和弯曲角度，适应不同弯曲半径宽6.5m 内的大型网片。将一体式弯弧设备的翅板rw＝0.957m进行调节；液压爪底座按θ1＝140.44°调节。

2.3 试验步骤

2.3.1 预弯

1）制作好网片，将一体式弯弧机构起吊调整姿态，下部导向槽卡在弧形起点钢筋。

2）将钢丝绳两端挂在网片的一端，桁车吊钩挂在钢丝绳中间，缓慢、同步起吊网片。

3）检查网片端部为竖直状态，网片下半部逐步贴紧一体式弯弧机构的翅板后停止桁车动作。

2.3.2 超弯、回弹

1）伸长弯弧机构的3 个液压机械爪，将液压机械爪抓钩钩住弧形面末端主筋。

2）回缩弯弧机构的3 个液压机械爪，同步落下吊钩将液压机械爪缩回到底。

3）回弹：①伸长弯弧机构的3 个液压机械爪，同步提起吊钩，直至取下液压机械爪；②缓慢调整吊钩高度及桁车，使网片弧形面终点主筋距离网片水平面高度、弧形面起点主筋距离网片竖直面均为1.47m；③安装网片的直撑斜撑，取下网片桁车钢丝绳。

2.3.3 网片起吊、翻身、释放弹性形变

1）安装弧形网片的固形工装、采取每端6 吊点方式2 桁车同步将网片吊至空旷场地。

2）下落网片底部的吊钩，提升网片顶部吊钩，使网片在空中翻身至竖直状态，放至地面。

3）拆除固形工装，将弧形网片起点向网片中心线数第二根设置吊点，分别依次缓慢提起网片一端离地面2cm 释放弹性变形，待网片静止后，缓慢下方网片。

2.3.4 弯弧机构调整

考虑到立弯回弹后续步骤重力影响，每次弯弧后，三维激光扫描进行分析，调整弯弧翅板来调整弯曲半径，减少重力影响造成的形变。

2.4 测量、分析和调整

2.4.1 测量

网片立起后高5.98m，使用徕卡P40 三维激光扫描仪设置精度到10m/0.8mm 进行扫描；提取点云数据后对每张网片的弧形部分的以箍筋为层按水平面截取，在CAD 中采用多段线拟合主筋外表面与理论曲线进行测量对比记录，一共记录4 张网片，每张网片51 层、每层16 个数据点，8 个弧面共6 528 个交叉点与理论值的对比偏差。

图4 为三维激光扫描点云，从下往上按高度分层渐变；图5 为单层箍筋点云拟合线与理论值偏差。