懸索橋塔冠玻璃鋼鞍罩的制作安裝

吳 國(guó) 華

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川 成都 610091)

1 工程概況

廣西貴港市同濟(jì)大橋主橋是一座自錨式懸索橋，橋跨布置為(50+140+280+140+50)m，其中主跨280 m。橋面寬37.5 m，主梁為單箱多室鋼箱梁，采用頂推法施工。橋塔采用獨(dú)柱式，橋面以上不設(shè)置橫梁，橫向呈“H”形結(jié)構(gòu)，塔高自地面至塔頂為82.7 m，自橋面至塔頂高度為54 m，橫橋向?qū)? m、順橋向?qū)?.5 m，采用矩形截面，基本壁厚0.8 m(橫橋向)、1.0 m(縱橋向)。四個(gè)索鞍鞍罩(塔冠)為新穎美觀的“荷花”造型。塔冠“荷花”造型全高15m，單個(gè)重量50.36 t，由厚度10～16 mm鋼板焊接而成。由于造型復(fù)雜、重量大，且高空作業(yè)量大，施工存在很大困難。橋跨布置見圖1所示。

圖1 橋跨布置

2 玻璃鋼的性能

玻璃鋼(FRP)亦稱作GFRP，是以玻璃纖維及其制品(玻璃布、帶、氈、紗等)作為增強(qiáng)材料，以合成樹脂作基體材料的一種復(fù)合材料。一般指用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂基體。以玻璃纖維或其制品作增強(qiáng)材料的增強(qiáng)塑料，稱謂為玻璃纖維增強(qiáng)塑料，其相對(duì)密度在1.5～2.0之間，只有碳鋼的1/4～1/5，但是拉伸強(qiáng)度卻接近，甚至超過碳素鋼，同時(shí)也是良好的耐腐材料、優(yōu)良的絕緣材料。尤其是工藝性優(yōu)良，可以根據(jù)產(chǎn)品的形狀、技術(shù)要求、用途及數(shù)量來靈活地選擇成型工藝。工藝簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效益突出，尤其對(duì)形狀復(fù)雜、不易成型的數(shù)量少的產(chǎn)品，更突出它的工藝優(yōu)越性。

3 荷花鞍罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

貴港自古以來遍種荷花，由此有“荷城”之稱。同濟(jì)大橋主塔索鞍鞍罩設(shè)計(jì)為含苞待放的荷花造型，寓意貴港市發(fā)展朝氣蓬勃。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為8.8 m高C50混凝土底座配以6.2 m高玻璃鋼荷花裝飾塊。由于裝飾塊葉瓣、花瓣較多，屬于藝術(shù)造型范疇，玻璃鋼材料的各項(xiàng)性能非常適合本項(xiàng)目的特殊要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境

主橋主塔塔高自地面至塔頂為82.7 m，自橋面至塔頂高度為54m。荷花鞍罩高度15 m，由8.8 m混凝土鞍罩底座和6.2 m玻璃鋼荷花裝飾塊組成，單個(gè)混凝土底座澆筑方量為77.35 m3，單個(gè)荷花裝飾塊重量為16.29 t(其中主鋼架重量9.66 t，玻璃鋼面板6.63 t)。由于本荷花鞍罩吊裝高度高，主塔塔頂作業(yè)范圍有限，屬于高空高難度作業(yè)。

為滿足主纜架設(shè)需要，用于主塔混凝土施工的液壓爬模及施工操作平臺(tái)均已拆除，僅留下四個(gè)上塔爬梯可以到達(dá)塔頂，在3號(hào)、4號(hào)上游側(cè)各有一臺(tái)QTZ5512型塔式吊機(jī)。上游主塔距離塔吊水平距離約為18 m，允許吊重為4.6 T，下游主塔距離塔吊水平距離約為50 m，允許吊重為1.36 T。

從上述現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境條件來看，采用鋼材制作安裝的索鞍鞍罩無論是加工制作、起重安裝、高空拼裝焊接作業(yè)安全等方面均存在極大的困難。通過調(diào)查和研究論證，最終參建各方一致同意對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行變更，變更為下部8.8 m高C50混凝土底座配以上部6.2 m高玻璃鋼荷花裝飾塊。設(shè)計(jì)變更后，改用材質(zhì)密度僅為鋼鐵1/4的玻璃鋼材料可較好的解決上述問題。

5 鞍罩底座及玻璃鋼荷花裝飾塊設(shè)計(jì)

由于荷花裝飾塊造型復(fù)雜，設(shè)計(jì)單位僅提供5個(gè)角度的效果圖和大致的外框尺寸。建設(shè)單位要求施工單位進(jìn)行深度設(shè)計(jì)，然后提交到設(shè)計(jì)單位進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

荷花裝飾塊是地方政府通過其門戶網(wǎng)站由市民投票確定的造型，我們?cè)谶M(jìn)行深度設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮玻璃鋼面板制作時(shí)脫模容易，盡可能保持造型效果不變。為方便脫模，在確定分塊縫線時(shí)，還要考慮避開應(yīng)力集中的位置。在施工單位提交設(shè)計(jì)方案后，設(shè)計(jì)單位采用midas建模結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算，各種荷載組合條件下的內(nèi)力和應(yīng)力均滿足規(guī)范要求后組織實(shí)施。

5.1 鞍罩造形

索鞍鞍罩總高15 m，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為兩部分：一是鞍罩底座高8.8 m，為變截面矩形斷面，采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆施工。其底部橫橋向?qū)? m、順橋向?qū)?.5 m，頂部橫橋向?qū)?.526 m、順橋向?qū)?.594 m，每個(gè)面設(shè)有漸變寬度80 cm～246 cm、深度5 cm～81 cm的裝飾槽；二是頂部荷花裝飾塊，高6.2 m，為內(nèi)部鋼骨架支撐外部罩玻璃鋼面板，造型為含苞待放的荷花。見圖2。

圖2 荷花鞍罩結(jié)構(gòu)組成示意圖

5.2 玻璃鋼面板制作

荷花裝飾塊內(nèi)部支撐主要受力結(jié)構(gòu)由□100×100×6熱鍍鋅方管拼裝焊接形成主鋼架，主鋼架外部由6 mm厚玻璃鋼面板罩面。玻璃鋼面板制作時(shí)，將□50×50×2.5熱鍍鋅方管作為龍骨預(yù)埋在玻璃鋼面板內(nèi)側(cè)，通過預(yù)埋的□50×50×2.5熱鍍鋅方管支腳將玻璃鋼面板龍骨與主鋼架連接焊牢形成整體。

6 主鋼架制作安裝

主鋼架須按照設(shè)計(jì)圖編制的下料單下料、拼裝、焊接加工而成。主鋼架花瓣部分屬于不規(guī)則的異形加工，該部分熱鍍鋅方管采用液壓沖壓機(jī)進(jìn)行冷彎，冷彎過程中須反復(fù)與模板比對(duì)直至吻合，以消除內(nèi)應(yīng)力確保骨架拼裝時(shí)不發(fā)生變形。花瓣部分鋼架應(yīng)根據(jù)荷花裝飾塊造型進(jìn)行拼焊，局部可作適當(dāng)調(diào)整以防止玻璃鋼面板連接時(shí)互相抵觸，主鋼架外輪廓線與玻璃鋼面板內(nèi)側(cè)間距不小于15 cm，以便連接施焊時(shí)有足夠的操作空間。下料加工前，根據(jù)圖紙要求對(duì)主鋼架每根桿件進(jìn)行編號(hào)，按照下料單切割、冷彎，確保每一個(gè)方管尺寸及弧度滿足圖紙要求。

計(jì)劃先制作一個(gè)塔冠的主鋼架，待與玻璃鋼面板拼接成功后再制作另外三個(gè)塔冠的主鋼架。主鋼架焊接除了按照設(shè)計(jì)焊縫標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行外，采取CO2氣體保護(hù)焊為主手工電弧焊為輔措施，選擇合理的焊接順序以減小鋼結(jié)構(gòu)焊接產(chǎn)生的焊接應(yīng)力和變形。

7 玻璃鋼裝飾塊制作

7.1 玻璃鋼裝飾塊的制作流程

模型制作→模具制作→模具分塊切割→模具打磨拋光→模具成型→涂抹脫模劑→涂刷樹脂混和料→鋪放玻璃纖維布(增強(qiáng)材料)→重復(fù)鋪層操作達(dá)到設(shè)計(jì)厚度→固化脫?！拚a(chǎn)品。

7.2 模型制作

在車間內(nèi)完成1∶1模型制作。先用木質(zhì)板方材料根據(jù)設(shè)計(jì)圖搭設(shè)模型的基本支架，再用硬質(zhì)泡沫塑料塊從底部堆積出荷花造型的大致形狀，然后由具有一定水平的工藝師進(jìn)行雕塑。雕塑過程中技術(shù)人員利用設(shè)置的軸線、對(duì)角線將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)定點(diǎn)到相應(yīng)的位置以保證造型符合要求，模型制作的造型和質(zhì)量直接決定了產(chǎn)品的造型與外觀效果，必須經(jīng)過工藝師精雕細(xì)琢制作出精致的模型，直至業(yè)主及政府相關(guān)部門滿意。

7.3 模具制作

合格后的模型用于翻模制成模具。模具面板也是玻璃鋼材質(zhì)，只是使用的樹脂標(biāo)號(hào)低一些、厚度可以薄一點(diǎn)，一般厚度在3 mm左右。模具的剛度由附著在背面的□35×25×2方管滿足。

在常溫(20℃左右)下糊制好的模具，一般48 h基本固化定型，即可脫模。脫模前應(yīng)對(duì)模具編號(hào)、劃分塊線，根據(jù)實(shí)際的模型確定整套模具分成23個(gè)單元，其中22個(gè)單元周轉(zhuǎn)8次，一個(gè)單元周轉(zhuǎn)4次，配合合理的人工可以滿足進(jìn)度要求。脫模時(shí)可使用壓縮空氣斷續(xù)吹氣，以使模具和母模逐漸分離。模具脫模后，切除多余的飛邊，用400號(hào)～1 000號(hào)水砂紙依次打磨模具表面，使用拋光機(jī)對(duì)模具進(jìn)行表面拋光，所有的工序完成之后模具即可交付使用。

7.3 基體樹脂的配制

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，基體樹脂采用199號(hào)不飽和聚酯樹脂，固化劑采脂常溫E-999固化劑，稀釋劑采用丙酮。在此需要說明的是，樹脂膠液配制時(shí)加入10～30%滑石粉(重量比)，能夠起到增強(qiáng)強(qiáng)度和韌性、防止流膠、降低了樹脂發(fā)熱，減小樹脂的變形收縮等作用，猶如高標(biāo)號(hào)混凝土中參入礦粉或粉煤灰的作用。增強(qiáng)材料采用無堿玻璃纖維布。

7.4 樹脂膠液的配制

按重量比取100份的樹脂和8～10份丙酮(或環(huán)氧丙烷丁基醚)混合于干凈的容器中，以電攪拌器或手工攪拌均勻后，加入10～30滑石粉繼續(xù)攪拌均勻，再加入0.20～2份的固化劑(固化劑的加入量應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的氣溫、現(xiàn)場(chǎng)溫度適當(dāng)增減)，迅速攪拌，進(jìn)行真空脫泡1～3分鐘，以除去樹脂膠液中的氣泡，即可使用。

7.5 玻璃纖維逐層糊制

修整好的模具轉(zhuǎn)運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行玻璃鋼產(chǎn)品制作。將模具擺放平穩(wěn)，清除表面灰塵后均勻涂抹脫模蠟。將調(diào)配好的樹脂膠液涂刷到模具面上，隨即鋪一層裁剪好的玻璃纖維布，壓實(shí)，排出氣泡。玻璃纖維布與樹脂膠夜交替逐層糊制，直到所需厚度，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)厚度6 mm，需糊制5～6層。在糊制過程中，要嚴(yán)格控制每層樹脂膠液的用量，既要能充分浸潤(rùn)纖維布，又不能過多。含膠量高，氣泡不易排除，而且造成固化放熱大，收縮率大。整個(gè)糊制過程實(shí)行多次成型，每次糊制2～3層后，要待固化放熱高峰過了之后(即樹脂膠液較粘稠時(shí)，在20℃一般60 min左右)，方可進(jìn)行下一層的糊制。糊制時(shí)玻璃纖維布必須鋪覆平整，玻璃布之間的接縫應(yīng)互相錯(cuò)開，盡量不要在棱角處搭接。要注意用毛刷將布層壓緊，使含膠量均勻，排出氣泡。

7.6 模具糊制

第一片產(chǎn)品固化后即可脫模，產(chǎn)品脫開后清理模具并涂抹脫模蠟即可進(jìn)行第二片模具的糊制。脫離下來的產(chǎn)品經(jīng)過切除多余飛邊、表面打磨拋光，用壓縮空氣吹除灰塵存放成品區(qū)待用。待整套45塊產(chǎn)品制作完成并修整打磨拋光后，即可在地面上與主鋼架進(jìn)行預(yù)拼裝，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試使整個(gè)荷花裝飾塊平順，底部幾何尺寸與主塔混凝土頂面相吻合即可進(jìn)行補(bǔ)縫、打磨拋光，同時(shí)補(bǔ)足連接數(shù)量和焊縫并做好防腐處理，外側(cè)表面用壓縮空氣吹凈后涂刷兩遍環(huán)氧富鋅底漆打底，氟碳漆罩面。

至此，玻璃鋼鞍罩制作預(yù)拼裝工作完成，下一步根據(jù)塔吊對(duì)上下游主塔不同的起重重量進(jìn)行分

割，轉(zhuǎn)運(yùn)到橋面進(jìn)行吊裝、加固、補(bǔ)縫，涂刷面漆，工程安全、順利完工。

8 結(jié) 語

玻璃鋼質(zhì)輕強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性好，可以靈活地設(shè)計(jì)出各種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，來滿足使用要求，同時(shí)具有優(yōu)良的工藝性，而且工藝簡(jiǎn)單，可以一次成型，經(jīng)濟(jì)效益突出，尤其對(duì)形狀復(fù)雜、不易成型的產(chǎn)品，更能顯示出其工藝的優(yōu)越性。玻璃鋼的缺點(diǎn)是容易老化，在貴港地區(qū)紫外線照射下抗老化是一個(gè)很大的問題。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用環(huán)氧富鋅底漆作重防腐涂層的配套底漆，起到陰極保護(hù)的作用，再配合氟碳漆罩面，使荷花裝飾塊具有很好的防紫外線的能力，加上與鋼箱梁、主纜索等防腐涂裝同周期的維護(hù)，確保玻璃鋼的使用年限不少于30年。

通過本次在橋梁主索鞍鞍罩上運(yùn)用玻璃鋼材料，取得在不改變?cè)O(shè)計(jì)造型效果、不增加造價(jià)、降低了安全風(fēng)險(xiǎn)和保持設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的實(shí)施成果。