作者:高文博 张劲文 苏权科 刘吉柱
港珠澳大桥管理局
广州航海学院
深中通道管理中心
摘 要
港珠澳大桥连接粤港澳三地,全长55 km,是目前世界上最长的跨海大桥,综合考虑大桥高温、高湿、高盐、多风的外海建设运营环境、桥位航线密集和阻水率要求、不同的标准体系、120年设计使用寿命和环保要求等建设条件限制,最终选择了钢结构桥梁作为主选桥型。大桥钢结构桥梁总长约22.9 km,用钢量42.5万t,是目前国内外建设规模最大、设计使用寿命最长的海上钢结构长桥,大桥钢结构制造充满了挑战。
为了应对挑战,港珠澳大桥在项目初期开展了国内外钢结构制造行业深度调研,重点研究了计算机辅助设计、自动化制造、检测技术、施工管理方面的国内外差距和改进方向。经过分析发现,当时的钢结构制造加工水平无法保障在48个月的制造周期内优质高效地完成42.5万t钢结构制造。为此,大桥开展了系统性的制造模式转型升级和管理创新策划,包括:钢箱梁板单元制造自动化智能化,钢箱梁总拼和涂装车间工业化,检测手段全覆盖,项目管理扁平化、国际化,制造加工信息化管理等,成功实现了港珠澳大桥桥梁钢结构制造综合创新体系的构建和运行,高质量完成了大桥钢结构制造,也取得了丰富的技术成就,主要有:建成首条板单元自动化生产线,首次实现大节段工厂化总拼与机械化涂装,首次形成U肋角焊缝PUAT技术标准,采用了群焊信息管理系统,形成大节段海上安装与控制技术,开展了可达可检可维护设计,开展了优质优价和港澳质量顾问等项目管理创新等。
最后基于港珠澳大桥的实践经验,提出关于中国钢结构桥梁行业发展的思考和建议。通过港珠澳大桥钢结构制造的策划和实践可以看出:1)标准化、工厂化、大型化生产要求,促进了钢结构各施工环节的工艺创新;机械化、自动化、信息化技术的应用,提升了钢结构加工企业的总体制作能力和管理水平。2)海上装配化施工促进了海上大型设备的开发应用和吊装工法的创新。3)技术和管理标准化使得全过程控制的理念得以有效实施。4)按照建养并重的理念,开展可达可检和可维护设计,能够促进钢结构桥梁全寿命周期成本最低。港珠澳大桥的建设促进了中国钢结构行业的进步,也为行业发展提供了丰富和有价值的经验。
1中国钢桥发展概况及港珠澳大桥建造理念
我国的钢桥发展是在建国以后克服境外对我们实施经济、技术双封锁的困境下发展起来的。1949年以前大部分桥梁都是由外国施工企业承建,自行设计建造的只有1937年建成的钱塘江公铁大桥,单跨65.84 m。新中国成立后,我国钢桥梁建设发展很快,可以划分成三个阶段,第一阶段从1949—1990年,以新中国第一座跨越长江的武汉长江大桥和使用16 Mnq“争气钢”的南京长江大桥等为代表;第二个阶段从1990—2000年,以自主研发新材料和新结构的九江长江大桥和芜湖长江大桥为代表;第三个阶段是2000年至今,以超大跨度特大钢桥为特点的卢浦大桥、苏通长江大桥、西堠门长江大桥为代表。据不完全统计,仅宜宾至上海间的长江段,已建和在建桥梁数目已达50余座,其中过半是钢桥,且不少已经跻身世界级,这充分说明了我们国家的钢桥建设取得了巨大的进步和卓越的成就,显然已进入世界先进行列。
尽管我国可以说是桥梁大国,但发展并不均衡,能够体现桥梁行业工业化成就的钢桥数量还很少。以公路桥梁为例,根据2014年的统计数据,我国已建成75万余座公路桥梁,但钢桥仅占约1 800座,钢桥比例远低于发达国家,如日本钢桥比例约41%,美国约35%,法国约85%;其次由大国到强国最关键的是如何不断地提高建桥的质量,包括设计质量、制造和施工质量。正如项海帆院士所言“中国桥梁的质量问题将会严重阻碍我们前进的步伐,中国大桥的跨度再大,数量再多,如果质量不好,也很难得到国际同行的尊敬”。
作为中国桥梁建设的里程碑项目——港珠澳大桥(图1)正是在这样的历史背景下开始规划和建造的。工程可行性研究评估阶段即确定港珠澳大桥建设目标为“建设世界级跨海通道、成为地标性建筑、为用户提供优质服务”,以“全寿命周期设计、需求引导设计”为设计理念,保障工程在120年设计使用寿命内的结构功能满足使用需求且成本最低,以“装配化、大型化、工厂化、标准化”的工业化建造理念指导大桥的制造施工,保障工程质量。
图1 港珠澳大桥平面布置
2港珠澳大桥钢结构制造规划与实施
2.1港珠澳大桥钢结构工程概述
港珠澳大桥全长55 km(图2),是世界上最长的跨海大桥,横跨珠江口伶仃洋海域,由连接香港、珠海和澳门的六车道高速公路组成,如图1所示。它包括填海过境设施、海上高架桥、三座航道桥梁,以及一条6 km长的沉管隧道和两个人工岛。大桥钢桥部分全长约22.9 km,包括3座航道斜拉桥、约15 km跨径110 m钢箱梁海上高架桥和5 km跨径85 m的混凝土-钢组合箱梁高架桥。设计使用寿命为120年,用钢量达42.5万t,首次在我国使用。该项目于2018年2月完成并开放交通。
图2 港珠澳大桥建成
2.2建设限制条件
港珠澳大桥主要建设限制条件包括:1)外海环境水文气象条件复杂,施工受波浪涌、潮汐、台风、高温高湿等因素影响,有效作业时间短;2)珠江口海域行洪、纳潮、防淤要求严格,整体工程阻水率要求小于10%;3)海上航线密集,客、货船舶种类多,日最大通航船舶超过4 000艘,施工期航运管控风险大;4)作为中国最宜居的城市之一及中华白海豚保护区,海洋生态和环保要求极高;5)地震设防标准高,结构完整性状态2 400年重现期地表加速度为0.24g;6)抗风设计标准高,120年重现期设计基准风速47.6 m/s;7)中国内地首次提出设计使用寿命120年耐久性要求,外海长桥维护、保养难度大;8)跨越粤港澳三地不同政治体制,应对不同的工程建设管理模式和理念差异,技术标准总体要求就高不就低。
2.3 钢结构桥梁选型
综合考虑大桥建设条件限制、全寿命周期成本、耐久性、中国钢结构行业的发展成果以及中国日益重视的环保理念等因素,钢结构桥梁作为主选桥型是港珠澳大桥最合理的选择。主要考虑因素包括:
1)抗震性能——受阻水率限制,非通航孔桥梁承台均埋入海床。为避免水下墩台结合部位敏感区域的可维可达难题,需保证罕遇地震作用下墩台仍处于弹性状态。由于自重轻,且结合减隔震技术的应用,采用钢箱梁方案能够克服上述困难,并大幅降低下部结构的受力和造价。
2)耐久性——钢结构桥梁是目前唯一有120年以上正常使用记录的一种桥梁结构,随着涂装和涂料技术的不断发展,钢结构实际正常使用寿命上限还能够进一步提高。
3)制造性能——钢箱梁和组合钢箱梁方案均可实现工厂化制造和大节段吊装,符合“四化”建设理念,可以显著提高桥梁质量并大幅度减少海上作业时间,减少诸多建设制约条件带来的限制。
4)维护性能——除钢桥面板(图3)疲劳问题外,钢箱梁的维护可简化为对涂装体系和桥面铺装体系2种“保护层”的维护和维修。该维护策略可减少海中上部结构的大修风险。
图3 钢箱梁截面 mm
5)环保——钢结构材料可循环利用,即使寿命终期后拆除也不会给环境留下垃圾,是可持续发展的绿色环保型材料。大规模采用钢结构不仅有利于国家战略性资源储备,也符合国家对钢结构行业的政策导向。
2.4国内外钢箱梁制造水平调研
港珠澳大桥钢桥用钢量达42.5万t,工期4年,作为对比,近年建成的美国加州旧金山新海湾大桥钢结构总量约4万t,制造时间约4年;香港昂船洲大桥用钢量约3万t,制造时间约3年。港珠澳大桥钢结构制造4年的工作量相当于这些国际上类似钢结构制造项目16~18年的工作量。如何按时保质保量完成钢结构制造并达到建设目标要求的世界级质量水平,无论在技术和管理层面上,都是港珠澳大桥面临的严峻挑战。
为了应对挑战,项目初期对钢结构制造行业进行了深度调研,深入考察国内钢桥梁技术的同时,也对日本、欧洲、北美的钢结构制造水平进行了调研。简要对比情况详见表1。
表1 国内外钢桥梁制造行业技术水平调研和对比
通过表1可以看出,与国际的钢箱梁制造加工水平相比,我国的钢结构制造在计算机辅助设计、自动化制造、检测技术、施工管理方面均存在一定的差距,这也是我们改进的方向。
通过对国内一线钢结构制造企业进行的深入调研和评估,发现当时国内钢结构制造行业水平呈现如下特点:
1)虽然我国钢桥在设计理论、材料、焊接技术、制造水平等方面都取得了长足的进步,但我国钢桥梁年产量超过10万t的企业只有寥寥数家,反映出我国钢桥梁制造产业集中度较低,产能不足,机械化水平低,效率不高(图4)。
图4 一线企业钢构件制造状况
2)通过制造行业的横向对比,与飞机、汽车工业等机械制造行业在工艺流程、自动化水平、产品信息管理等方面有着较大差距,甚至在吸收其他专业技术成果、改善提高制造水平方面比造船业亦有较大差距,客观上也亟待技术升级。
3)中国钢桥制造企业中板单元制造基本实现“局部机械化”(图5),整个制造流程的多数环节仍然以人工制造为主,没有形成板单元全部制造流程的自动化生产线。由于原有生产车间布置不合理,难以利用现有资源进行自动化生产线改造。
图5 传统板焊接
4)中国钢桥总拼、涂装基本在露天作业,制造质量和进度受天气影响制约,传统劳动密集型生产方式明显(图6)。且总拼自动化程度低,所有焊接基本靠人工完成,受人为因素影响制约明显。
图6 节段组装
5)传统钢箱梁节段吊装以小节段吊装方式为主,现有场地、调运设备,不满足大节段制造和运输架设的要求,也没有大节段制造的精度控制经验。
6)正交异性钢桥面板的疲劳易损部位——U肋角焊缝的检测一直只能依靠焊接试板,无原位检测手段,无法了解焊接实际质量情况。
根据以上分析可以看出,国内桥梁钢结构制造行业基本实现局部机械化,总体自动化水平较低,产品质量及稳定性受人为因素影响较大。在国内现有市场上,具备满足港珠澳大桥钢结构制造需求的类似业绩、生产产能、供应保障、合同履约、工期保障、基地部署等方面能够相匹配的市场资源几乎没有,因此必须对现有制造模式进行改造升级。
2.5港珠澳大桥钢结构制造总体方案
调研分析发现,国内现有的钢结构制造加工水平无法保障在48个月的制造周期内完成42.5万t钢结构制造,必须通过一系列技术和管理创新,改变传统生产方式,并使得钢结构制造产生系统性的改变,才能高质量地完成港珠澳大桥钢结构制造加工。为此,港珠澳大桥钢结构制造加工做出如下创新性的规划:
1)钢箱梁板单元制造自动化智能化——改变“局部机械化”的板单元生产方式,借鉴汽车工业自动化流水生产线思路,板单元全过程制造必须形成自动化生产线,减少人为因素影响,必须保证板单元月产量不低于9000 t(按划分四个标段计算,每标段应达到的水平)。
2)钢箱梁总拼和涂装车间工业化——改变传统总拼和涂装“劳动密集型”“依赖自然型”制造方式,必须建造能够容纳大节段总拼的制造车间、新建配备自动化设备的节段涂装车间、引进能够在总拼中使用的自动化焊接机器人,从而全面改善总拼和涂装施工模式,将人为、环境对制造质量和进度的影响降低至最小,保障总拼质量每月不低于1.2万t。
3)检测手段全覆盖——引进超声相控阵检测设备,研发适用国内正交异性钢桥面板U肋角焊缝的检测设备以及判定标准,在国内首次实现U肋角焊缝原位无损检测。
4)项目管理扁平化、国际化——引入境外质量管理顾问,全过程参与现场质量管理,定期对制造加工质量体系的运行进行巡查评估,以减少系统性质量风险。
5)制造加工信息化管理——建立完善的焊接参数管理系统,通过信息化手段,控制焊机参数,减少人为因素影响。
2.6港珠澳大桥钢结构制造关键技术
港珠澳大桥42.5万t钢结构桥梁已高质量完工,成功实现了港珠澳大桥桥梁钢结构制造综合创新体系的构建和运行,现已形成“全新厂房、尖端设备、一流技术、科学管理”的全新产业格局,在质量、进度、技术创新等方面取得了显著效果,关键技术成就主要如下。
2.6.1首条板单元自动化智能生产线
1)研制了基于焊接机器人的龙门式自动焊接系统,具有电弧跟踪、接触传感、离线编程等多种功能,可预置反变形焊接,焊后变形小;船位焊接,外观成形美观;智能跟踪焊缝,熔深稳定;机动灵活,适应性强。并对焊接过程进行烟尘净化,全面提高了U形肋板单元的焊接质量和效率(图7)。较传统的制造工艺,其焊缝疲劳强度显著提高,人工数量减少50%以上,焊后返修和修整减少80%以上,焊接效率提高了2倍以上,焊缝一次合格率高达99.8%(图8)。
图7 港珠澳大桥自动生产线
图8 机器人焊接外观
2)研发了新型U肋坡口加工机床,提高U形肋坡口加工和组装的精度和稳定性,为应用机器人焊接,保证自动焊接质量奠定基础。U形肋坡口加工机床采用数控组合气动、分项弹力、随动检测、多点分压的自动化新技术,解决了U形肋坡口加工质量和精度不易控制的难题。相比传统的刨削或滚剪方式,加工效率总体提高3倍以上,加工精度提高1倍以上。实现了加工质量和生产效率的有效提升。
3)研发了新型U形肋板单元自动组装机床,攻克了自动行走、打磨、除尘、定位、压紧和定位焊等关键技术难题。液压自动定位、压紧装置通用性强,可用于各种规格的加劲肋。采用机器人取代人工定位焊,自动控制焊接参数,为国内外首创(图9)。与传统的砂带机打磨、人工移动压紧、手工定位焊相比,新型组装机床自动打磨吸尘、自动行走压紧,机器人定位焊,不仅提高了质量,还大大降低了工人劳动强度,减少了环境污染。
图9 一种创新的U形肋骨自动组装机
最终形成了全球首条以自动化、信息化、智能化为主要手段的板单元制造专有技术和生产线。
港珠澳大桥由于大量使用自动焊接技术替代人工制造方式,生产效率提高约2倍,人工使用约降低50%,从而保障了港珠澳大桥42.5万t钢结构得以在4年内完成。
2.6.2工厂化总拼与涂装
1)受场地及相关资源限制,桥梁强国日本的小节段制造一般均在车间内完成,而大节段拼装仍然在露天进行拼装。改革开放以来国内经济发展迅速,资源充足,借助钢结构体量优势,港珠澳大桥在国内率先实现了“车间化”钢结构总拼作业。大节段均在车间内完成总拼(图10),采用了群控焊接数据管理系统,无马装配、无损吊运及无损支撑总拼装工艺,首次将数字化焊接机器人、无盲区焊接小车应用于钢结构总拼,进一步提升了总拼的工业化程度,改变了传统节段总拼“劳动密集型”生产模式。
图10 大段装配车间
港珠澳大桥钢箱梁拼装全部采用“长线法”拼装技术(图11、12),每轮总拼至少约11个小节段按照监控制造线形同步进行匹配制造,有效保证了钢箱梁拼装精度,大大缩短了拼装周期,能够在50 d内完成6×110 m一整联钢箱梁的总拼装,总质量达1.2万余t。
图11 “长线”大段组装技术
图12 制造现场运输
2)国内传统桥梁钢结构涂装仅喷砂除锈在厂房内完成,后续涂装一般在露天完成,且最后一道面漆均在桥位完成,涂装工期和质量受环境影响严重。为改善涂装环境,借鉴日本涂装施工经验,港珠澳大桥打砂、涂装施工全部在喷砂房、涂装房内完成。与传统的桥梁防腐涂装施工相比,港珠澳大桥钢结构涂装车间配备功能完善的七大系统(图13),即加温除湿系统、动力系统、喷砂系统、通风除尘系统、磨料回收系统、漆雾处理系统、防爆照明系统,成功避免了传统露天作业和桥位作业对涂装质量、环境的影响,具备全天候作业性。580万m2的涂装施工在质量控制、健康、安全与环境管理方面达到国际同行业先进水平。
图13 配备自动化系统的新涂装车间
2.6.3U肋角焊缝超声相控阵检测技术
U形肋与桥面板的焊接质量是桥面板抗疲劳性能的关键,国内传统检测方法是通过焊接试板推断U肋焊接质量,无法对实际焊缝进行检测。针对U肋角焊缝目前检测手段的局限性,提出了采用超声波相控阵技术检测焊缝熔深,同时检测焊缝内部缺陷。与常规的单探头超声波检测方法相比,超声波相控阵检测技术的特点包括:1)生成可控的声束角度和聚焦深度;2)可对试件进行高速、全方位和多角度检测;3)不移动探头或尽量少移动探头。这些技术通常不需要复杂的扫查装置,在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有优越性。
超声相控阵已在许多工程领域的检测中得到了较好的应用,该技术在桥梁钢结构非熔透角焊缝检测中的应用在国内尚属首次。经大量试验,成功将超声波相控阵检测技术运用于港珠澳大桥U肋焊缝的熔透率及内在质量检测,解决了以往检测手段对焊缝熔深和内部质量无法判定的问题,实现了检测全覆盖,为提高钢桥面抗疲劳性能提供了保证。并已形成《港珠澳大桥主体工程钢箱梁U肋角焊缝超声相控阵手动检测方法和熔深验收准则》《相控阵设备操作规程》等技术标准,设计并制作了适用于港珠澳大桥U肋角焊缝检测扫查装置,形成了一系列专利成果和技术标准,以在行业内推广。
2.6.4群焊信息管理系统
传统的焊接质量控制,主要靠质检人员现场巡视检查焊工对焊接工艺的执行情况,可控性差。为实现对焊接过程的有效控制,确保焊接质量的稳定性,港珠澳大桥钢结构制造国内首次采用群控焊接数据管理系统,通过局域网实现焊接全过程监控(图14)。该类设备焊接参数通过专用输入器输入,除焊接工程师外其他人无法对焊接参数进行调整,实现对焊接规范的有效控制,同时对施焊过程的焊接电流、电压、施焊速度等参数实现在线监控和记录,使每条焊缝的焊接质量具有可控性和永久可追溯性。
图14 群焊信息管理系统
2.6.5项目管理创新
1)合同设计。首先招标文件中对自动化设备提出强制性资格审查要求,设置独立的自动化水平评分项,以此激励投标人在投标阶段就周密部署、加大资源投入。其次合理的产品价格是技术革新的源动力,才能使承包人在适度竞争的基础上保持饱满的热情。港珠澳大桥钢结构产品价格略高于行业平均价格,其增额主要用于承包人自动化设备购置和场地建设两项费用在本项目上的摊销,以及与120年设计使用寿命所匹配的专用技术规范上的品质保证。最后通过公开招标增加竞争性,设置相应合同条款,以适当降低成本,最终实现本项目的造价控制目标。
2)质量管理。借助国际化平台,引入境外优秀咨询公司作为项目质量顾问,全程参与钢结构制造质量控制重点和难点,对首件、首次工序进行监控,并通过对整体工程结构和施工过程的日常巡查、质量效果评价和培训等手段,提供优质技术支持,不断提高本项目质量水平。
2.6.6大节段海上安装
港珠澳大桥钢结构桥梁采用大节段制造和吊装,将大量现场施工转化为工厂制造,大幅减少了海中作业时间并缩短工期;但同时,大型结构构件现场安装也增加了施工难度和挑战性,要求装备更现代化的大型吊装设备、大型陆上和海上转运设施,进行更精细化的施工计划和操作管理以及采取风险控制和安全防护措施。钢箱梁采用逐跨浮吊架设、逐跨调位与现场焊接模式,接头位于钢梁零弯矩处(图15、16)。多数吊装质量(不含吊具)从1600 t到2900 t不等,采用大吨位浮吊(4000 t、3200 t、2200 t)吊装或抬吊。桥梁工程最大钢梁吊装质量约3500 t(不含吊具)。
图15 陆上转移和运输
图16 海上起重和安装
安装精度采用工厂车间试拼及现场调配的方式,通过全过程施工监控对不同阶段施工制造误差实行控制和调整,避免安装时的误差积累。
港珠澳大桥附近水域航路纵横交错、船舶流量大、交通复杂,大桥建设使得桥区附近工程船舶大量增多,通航风险大大增加。桥梁大型构件运输、临时航道转换等特殊作业使得交通组织和管制、现场警戒与护航等安全保障工作变得更加重要。与海事部门协作,构建了完善的海事安全管理体系,该体系的成功实施实现了对上述大型吊装作业的保驾护航,可为国内其他项目参考。
2.6.7考虑维养的全寿命周期设计理念
按照需求引导设计的理念,以人为本,转变重建轻养为建养并重的思路,钢结构设计中不仅考虑建设成本,还综合考虑全寿命周期成本进行方案设计。满足桥梁各部位可达、可检、可维护、可持续性的要求,尽可能做到易达、易检、易维护,对于可更换、需要定期养护的部件,提供足够的操作空间、操作平台,管养维护设备做到自动化、全覆盖。
2.6.8涂层
港珠澳大桥钢结构涂装面积约580万m2,共使用油漆约390万L。选择合适的涂装体系对保障港珠澳大桥钢结构的耐久性和使用性能非常关键。基于大量涂装施工的质量可控性、现场维护及再涂装便利性、涂层长效性和全寿命周期成本考虑,采用与C5-M海洋环境配套的环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+氟碳面漆重防腐复合涂层体系作为钢结构外表面涂装,总膜厚380 μm。内部采用较低的膜厚涂层(200 μm),并结合除湿系统方法,保证钢箱梁内部空气相对湿度小于50%。
考虑到涂料有害物质对施工人员健康以及对海洋生物的潜在危害,基于中国涂料技术现状和日益严格的环保需求,参考国内外特别是香港地区技术指标和规定,按照三地建设标准“就高不就低”的原则,港珠澳大桥使用的涂料产品,除常规的技术指标外,还增加了VOC含量限值(面漆≤ 420 g/L,中间漆、底漆≤ 350 g/L)、游离六亚甲基二异氰酸酯/甲苯二异氰酸酯(HDI/TDI)含量限值(<0.4%),以及有害物质含量限值,为推广环保型涂料在中国桥梁建设领域的使用作出了努力。
2.6.9景观设计
港珠澳大桥的结构设计与景观设计密不可分。港珠澳大桥成为地标性建筑不仅体现在桥梁景观设计的视觉效果及其人文、历史内涵与美好寓意,还包括大桥建设者们的集体智慧、实践能力与创新精神在桥梁建设同行和社会大众心灵中产生的震撼力及认同感。最终形成了港珠澳跨海长桥岛、桥、隧错落有致、珠联璧合的景观理念和效果。
港珠澳大桥主体工程非通航孔桥长约20 km,包含长约15 km的110 m跨钢箱连续梁和长约5 km的85 m跨钢箱组合连续梁,梁高约4.5 m,采用等高梁、独柱墩设计,承台埋入海床,桥梁建筑效果大气、简洁、一气呵成、极具工业化和现代化观感。上述全钢桥型不仅结构选型独特,环保印记深刻,更形成了港珠澳大桥非通航孔桥独特的视觉效果。
3座斜拉桥更是颇具地标特色。九州航道桥为主跨268 m双塔斜拉桥,钢混双塔形如双帆,景观造型表达出一种乘风破浪、扬帆远行的意境。江海直达船航道桥为主跨258 m的三塔斜拉桥,3座钢主塔形如凌空腾跃、结伴嬉戏的中华白海豚,体现对海洋生态的保护意识。青州航道桥为主跨458 m的双塔斜拉桥,H型混凝土框架桥塔横梁采用具有传统民族文化元素的钢制“中国结”造型,寓意团圆回归、三地同心(图17、18)。
图17 斜拉桥和海洋高架桥的景观
图18 港珠澳大桥总览
3基于港珠澳大桥钢结构实践对中国桥梁钢结构行业发展的思考和建议
3.1港珠澳大桥钢结构制造实践中需要改进的关键点
1)标准节段没有可替代性,无法形成并联施工,个别环节对整体进度制约影响严重,应变条件差,使得工期拖延和成本上升的风险增高。
2)设计、制造、安装的上下游联系和钢结构、土建、交通工程等跨专业的横向联系均比较松散,衔接不够,设计缺乏对施工方案成本与标准化之间的综合考虑,交通工程产品没有形成模数化,各梁段间无法替换。
3)设计阶段缺乏对总拼自动化应用的考虑,构造偏复杂,不利于总拼自动化设备的应用,制约了总拼机械化和智能化设备的应用范围。
4)交通工程预留预埋件没有形成规格产品,不利于标准化的发展趋势。
3.2基于港珠澳大桥实践对中国桥梁钢结构制造行业发展的思考和建议
1)学习日本等桥梁强国的成功经验,通过价值观宣贯和培育加强中国桥梁工程师的使命。技术进步要以国家的发展为基础和出发点,为社会服务,为行业进步服务。
2)推广全寿命周期设计理念,建养并重,以全寿命周期成本考量钢结构桥梁方案比选。有条件的地方推广“四化”建设理念,提高钢结构桥梁行业整体产品质量和建设速度。
3)加快推进钢结构桥梁标准化和装配化进程,由政府或学会组织研究发布标准化钢桥梁设计指导性文件,组织设计、施工、制造、交通工程等相关方共同参与,简化结构形式,尽量减少加劲构件,使得结构有利于自动化生产和制造。形成具有丰富种类,适用性强的标准化、规格化、产品化的钢结构桥梁产品。
4)从行业角度,组织研究和归纳总结正交异性钢桥面板合理化构造指南,避免单个项目过多重复研发新构造,重复疲劳试验。
5)美国和日本等桥梁强国基本进入大量的钢结构桥梁维护状态,应当充分借鉴他们成功和不成功的两方面经验,高度重视钢结构桥梁的维护设计与施工,以行业的角度,加强制度设计,增强设计、制造、安装、维护等企业之间的联系和衔接,进一步降低钢结构桥梁的维护成本,提高钢结构桥梁的竞争力。
6)积极发展耐候钢桥梁,以减少钢结构桥梁养护工作量。日本和欧美已经走在耐候钢应用的前列,我们国家也要大步跟上和超越。
7)组合结构更有利于钢结构桥梁的标准化和自动化生产,且能避免钢桥面铺装质量通病、正交异性钢桥面板疲劳等常见结构维护风险,应积极推广,提升钢结构桥梁的竞争力。
8)从质量提升的角度,加大新材料的研发和应用,如耐候钢、TMCP钢材、容忍性强的长效涂装材料,从而降低环境和人为因素对质量的影响。
9)涂装施工人力成本逐年增高,且属于有害工种,招工困难逐年增加,与钢结构桥梁快速发展形成矛盾和制约,因此涂装施工机器人亟待发展,需加快研究适合钢梁的涂装机器人,进一步推进涂装施工的工业化进程,彻底转变“劳动密集型”的传统涂装施工方式,为钢结构桥梁的推广和发展创造更好的环境。
10)养护要实现涂层开裂快速封闭和修复技术,重点是对封闭材料的研究,减少维护成本,增强钢结构桥梁的竞争力。
4结 论
为实现工程建设目标,港珠澳大桥管理局在世界一流设计、咨询和施工团队的挑选,各级协调管理制度和审核工作机制的建立,国际规范标准的借鉴和项目技术规范、验收标准的制定,项目管理、先进施工技术应用和工艺创新等方面都做了大量富有成效的努力。相关经验和结果总结如下:
1)钢箱梁标准化、工厂化、大型化生产要求,促进了钢结构各施工环节的工艺创新;机械化、自动化、信息化技术的应用,提升了中国桥梁钢结构加工企业的总体制作能力和管理水平。
2)海上装配化施工,促进了海上大型设备的开发应用和吊装工法的创新,其成功经验为海上工程的设计与施工开辟了新的途径。
3)借鉴国内外相关经验和规范,结合港珠澳大桥工程特点编制了钢箱梁加工制造、安装技术规范、质量验收标准和一系列桥梁产品和材料的技术要求,使得全过程控制的理念得以有效实施。
4)为用户提供优质服务不仅体现在设计标准和建设质量,还包括后期运营维护系统的规划,含三地跨境一体化运营、维护政策的规划和有效实施,相关工作还在继续。
来源:高文博, 张劲文, 苏权科,等. 港珠澳大桥钢结构制造策划与实践[J]. 钢结构(中英文), 2021, 36(6): 1-23.
doi: 10.13206/j.gjgSE20111601
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