西咸北环线高速公路LJ5合同段桥梁工程数控钢筋笼滚焊机和钢筋直螺纹连接工艺在施工中的应用.docx

西咸北环线高速公路LJ5合同段桥梁工程数控钢筋笼滚焊机和钢筋直螺纹连接工艺在施工中的应用.docx

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西咸北环线高速公路LJ5合同段桥梁工程数控钢筋笼滚焊机和钢筋直螺纹连接工艺在施工中的应用

西咸北环线高速公路LJ―5合同段桥梁工程数控钢筋笼滚焊机和钢筋直螺纹连接工艺在施工中的应用

　　摘要：

为进一步提升高速公路建设管理水平，确保项目建设各项管理工作“实施有标准、操作有规程、过程有控制、结果有考核”。

西咸北环线高速公路全面推行“标准化、精细化、信息化、规范化、人本化”的“五化”管理长效机制。

数控钢筋笼滚焊机与钢筋机械直螺纹连接工艺相结合是其中标准化的具体要求，笔者根据“五化”管理的要求，在西咸北环线高速公路LJ-5合同段桥粱工程钻孔桩钢筋笼及墩柱钢筋笼加工中，全面采用数控钢筋笼滚焊机制作钢筋笼和钢筋机械直螺纹连接工艺，大幅度提升钢筋笼加工工作效率，有效提高钢筋笼的加工质量，同时节约成本，取得了良好的社会经济效益。

本文通过西咸北环线高速公路LJ-5合同段的具体工程案例，使读者能全面了解数控钢筋笼滚焊机制作钢筋笼和钢筋机械直螺纹连接的工艺流程、质量通病、防范措施及经济效益，实现桥梁墩柱和桩基钢筋笼质量、进度、成本控制的和谐统一。

　　关键词：

数控钢筋笼滚焊机钢筋直螺纹连接钢筋笼对接工效应用

　　中图分类号：

U238文献标识码：

A

　　1引言

　　桥梁工程施工具有施工周期长、流动性、露天作业线长的特点。

随着社会的进步，对文明施工的要求也越来越高，西咸北环线高速公路建设管理处为进一步提升高速公路建设管理水平，确保项目建设各项管理工作“实施有标准、操作有规程、过程有控制、结果有考核”。

西咸北环线高速公路全面推行“标准化、精细化、信息化、规范化、人本化”的“五化”管理长效机制，要求“工厂化、集约化、专业化”的组织施工。

在西咸北环线高速公路LJ-5合同段桥粱工程钻孔桩钢筋笼及墩柱钢筋笼加工中，全面采用数控钢筋笼滚焊机制作钢筋笼和钢筋机械直螺纹连接工艺。

　　原来桥梁的钻孔灌注桩钢筋笼及墩柱钢筋笼加工一般采用人工电弧焊或绑扎加工制作。

提高钢筋笼的加工质量和缩短现场施工安装过程中钢筋笼的钢筋连接时间，长久以来是工程施工人员面临的两大难题。

数控钢筋笼滚焊机设备和钢筋机械直螺纹连接工艺的结合应用，在一定程度上解决了钢筋笼加工及安装中的这两大难题。

　　2工程概况

　　西咸北环线高速公路是LJ-5标路线长11.77公里，共设桥梁5899米/7座，桥梁所占比重高达51%，钻孔灌注桩桩基1226根，桥梁桩基础和墩柱的钢筋笼不仅数量大、而且规格型号多样（钢筋笼直径由1米、1.2米、1.4米、1.5米、1.7米、1.8米组成；钢筋笼长度从30米到50米；钢筋笼主筋由Ф25、Ф28及根数大于32根，Ф10双支螺旋筋制作而成），加工成品质量要求高，施工工期紧。

本项目地质条件为较好地区，大多采用旋挖钻机成孔，四五十米的桩基，只需三四小时成孔，多台旋挖钻机在各作业面开工施钻，往往几乎同时成孔，短期内钢筋笼需求数量大。

若采用传统加工制作工艺，势必扩大加工厂区面积来加工和存储钢筋笼，半成品、成品的质量控制保护管理风险大大增加的同时，也会增加劳动力的管理成本。

依据本项目钢筋笼加工特点，项目部购置了一台HL2000C-12型数控钢筋笼滚焊机、一台HL2000C-20型数控钢筋笼滚焊机以及6台HGS-40D型钢筋直螺纹滚丝机设备。

采用数控钢筋笼滚焊机和钢筋直螺纹连接相结合的工艺，在加工场进行钢筋笼集中加工，钢筋笼的质量得到有效地控制和保证，生产率也得到极大的提高。

　　3数控钢筋笼滚焊机在施工中的应用

　　3.1数控钢筋笼滚焊机加工钢筋笼配套设施（见表）

　　3.2数控钢筋笼滚焊机简介

　　定义：

数控钢筋笼滚焊机是一种机械化生产制作钢筋笼的机械设备[2]。

HL2000C-12数控钢筋笼滚焊机最大加工钢筋笼直径2000mm，笼子最大长度12米（本设备在本项目主要加工墩柱钢筋笼）；HL2000C-20数控钢筋笼滚焊机最大加工钢筋笼直径2000mm，笼子最大长度20米（本设备在本项目主要加工钻孔灌注桩钢筋笼）。

根据设计施工要求，钢筋笼的主筋通过人工穿过固定旋转盘相应模板圆孔至移动旋转盘的相应孔中进行固定，把盘条筋（绕筋）端头先焊接在一根主筋上，然后通过固定旋转盘及移动旋转盘转动把绕筋缠绕在主筋上（移动盘是一边旋转一边后移），同时进行焊接，从而形成产品钢筋笼。

　　设备结构组成：

主要由机械配置机构；液压系统；中央电气（PLC、HMI）控制系统；变频器及拖动（行走）三相异步伺服电机系统装置等组成。

其设备结构系统各分项特性在钢筋笼加工作业流程中予以陈述。

　　3.3钢筋笼加工作业流程及工艺

　　3.3.1人员配置：

（见表）

　　3.3.2作业流程：

（见图）

（1）钢筋配料、切头

　　技术人员按照设计施工图进行分解，将钢筋下料规格及根数列表交底于钢筋配料作业人员，其将检验合格的定尺钢筋进行配料及分堆码放标识。

由于本工程地理位置及交通便利，加之利用HL2000C-20型数控钢筋笼滚焊机加工，其钢筋笼整体结构刚性稳定，钢筋笼加工采用9米加9米定尺钢筋配料，机械直螺纹连接工艺通长制作18米分段钢筋笼。

机械直螺纹钢筋原材配料需打断钢筋马蹄头，为了减少直螺纹钢筋丝头加工不受加热材质的影响，禁止使用砂轮切割机而采用专用直螺纹钢筋断头机，其直螺纹钢筋断头机有别于普通钢筋切断机，普通钢筋切断机刀口为两片1字挤压切断钢筋，容易二次形成钢筋马蹄头，影响直螺纹钢筋丝头的完整性；专用直螺纹钢筋断头机的优点是切断刀口与钢筋原材同规格的两片半弧型刀口，将钢筋包裹挤压切断，钢筋切断端面整齐、圆润，有利于直螺纹钢筋丝头加工的完整性。

（2）钢筋直螺纹丝头加工及连接

　　桩基施工中钢筋笼的对接一直是困扰施工单位的难题。

首先，是钢筋笼对接时间一般占整个钢筋笼下笼时间的70～80%左右，因此，钢筋笼的对接速度直接影响到钻孔桩孔口下笼安装的时间，特别是在一些地质条件不好的地区，威胁到成桩的质量（孔底沉渣、塌孔、缩颈）；其次，当采用电弧焊进行钢筋笼对接绑条焊连接时，其受钢筋焊接断面面积影响，需长时间焊接，钢筋原材焊接区域过热焊接严重影响了钢筋材质，特别是HRB400E钢筋，原材受到局部加热后二者冷热交汇处极易发生淬断，加之受焊工焊技水平的不同，也影响了钢筋笼的对接质量；再之，长时间的钢筋笼对接安装，大大的占用了设备台班及人员的工时，增加了项目成本。

针对上述问题，我们采用了直螺纹钢筋套筒接头连接工艺，目的就是为了提高钢筋笼对接的速度，缩短下笼时间，保证成桩质量，减少不必要的成本费用。

　　钢筋直螺纹钢筋连接丝头与套筒：

直螺纹钢筋连接丝头加工是利用钢材形变强化的原理，使钢筋上滚轧出的直螺纹强度大幅提高，从而使直螺纹接头的抗拉承载力高于钢筋母材的抗拉承载力。

其工艺是在专用的钢筋直螺纹滚轧机，把待连接钢筋的端头滚轧成规整的直螺纹，然后通过带有相同参数的直螺纹连接套筒，用专用机械扳手，把两根需连接的钢筋通过连接套筒相对拧紧在一起从而形成一种能承受拉、压两种作用力的等强度钢筋机械连接接头。

直螺纹连接套筒由专业工厂定型生产的标准件，材质采用45号优质碳素钢。

钢筋直螺纹丝头和套筒通过螺纹连接形成的钢筋机械接头使接头与母材等强。

笔者根据多年的施工经历，钢筋直螺纹滚轧机设备和直螺纹连接套筒购置最好由同一家专业工厂定型生产的标准件。

原因是其市场竞争激烈，各生产设备厂家将直螺纹滚丝头和套筒内丝模数及丝距配合自设参数，自成体系。

如果不在同一厂家购置直螺纹滚丝头和套筒内丝很难达到公差配合要求，直螺纹连接抗拉试验同样不能达到质量要求。

　　直螺纹套筒钢筋连接工法特点可总结为：

多、快、好、省，即通过大量应用，达到快速施工的目的，有效缩短工期，施工质量稳定、降低成本；对接施工速度快，能有效的节约桩基施工时间，缩短施工工期；连接强度高，接头质量可靠。

接头强度达到行业标准《钢筋机械连接通用技术规程》JGJ107中最高等级――Ⅰ级接头性能要求[3]；（见图）丝头加工及现场连接操作简便，安全可靠；套筒与钢筋丝头结合紧密，性能稳定可靠；连接后两根钢筋处于同一轴线，对中性好；（见图）丝头加工设备及套筒压接机功率小，耗电少，不需专用配电，无明火作业，可全天候施工，环保节能；对比普通的焊接施工工艺，能有效降低造价，节约资金。

普通工人经过短期培训才能掌握机床的使用方法，每台班可加工250个丝头。

　　（3）数控钢筋笼滚焊机主筋上料

　　HL2000C-18型自动化钢筋笼滚焊机采用链条传送装置上料，链条传送装置将主筋料均匀分布在分料盘的圆周上。

此链条传送机构采用最新设计，尤其适合1.5m以上较大直径钢筋笼制作，减少人工及施工安全隐患。

　　（4）数控钢筋笼滚焊机穿主筋并夹紧，

　　工人将主筋抖落分布于分料盘的圆周上，同时，穿入固定盘和移动盘环形模板的导管内。

并在移动盘的导管内用螺栓夹紧；

　　（5）盘条放线架（箍筋）上料

　　将盘筋吊于放线架上，最大载重2.5t，高1.7m；立柱内径可定制成伸缩型。

　　（6）盘条（箍筋）穿入矫直机构上料

　　将盘条（双支箍筋）穿过矫直机构与主筋交叉焊接固定。

　　（7）焊接成型

　　①起始焊接：

在钢筋笼的头部，固定盘和移动盘同步旋转运动，将盘筋并排连续绕几圈，然后与主筋焊接牢固；

　　②正式焊接：

固定盘和移动盘同步旋转运动，移动盘同时向前移动，这样盘筋自动缠绕在主筋上，同时进行焊接，从而形成钢筋笼产品；

　　③终止焊接：

在钢筋笼的尾部，两盘继续旋转，暂停焊接，将盘筋并排绕几圈；然后将盘筋端头焊接在主筋上固定，完成焊接；

　　钢筋焊接工艺采用CO2保护焊机，焊渣少，焊接质量好，最大焊接速度为30～50点/rain。

　　（8）钢筋笼与旋转转盘分离

　　切断绕筋；移动盘前移，钢筋笼与固定盘分离；松开主筋与移动盘模板导管的螺栓；移动盘前移，钢筋笼与移动盘分离。

　　（9）卸笼、降下液压支撑

　　行吊卸笼，在整个焊接过程中，为防止钢筋笼因自重而变形，需配置多个液压支撑装置专门设计的液压站。

　　（10）移动盘复位、准备下一循环

　　卸笼后，将移动盘复位，准备生产下一节笼子。

　　如果是配套钢筋笼，可直接与前节钢筋笼主筋用直螺纹套筒预对接并在其中一根主筋套筒连接处做好明显标记，以备钢筋笼二次拆装对接。

两节钢筋笼主筋用直螺纹套筒预对接完成后可预焊第二节钢筋笼一段成型，再拆卸钢筋笼主筋直螺纹套筒分离，卸下前节成品钢筋笼，移动盘再进行复位，固定待加工的钢筋笼主筋，继续加工无限延长的配套钢筋笼。

　　（11）加内箍筋（加强箍筋）

　　预先内箍筋弯曲成型；钢筋直径16―32ram，箍筋直径300―2500ram。

待钢筋笼卸下后，再由人工将内箍筋焊接在钢筋笼内部，起到加强支撑、防变形作用。

　　（10）成品

　　数控钢筋笼滚焊机机械制作的钢筋笼成品，外观标准统一，间距均匀，缠绕紧密，同心度高，极易通过业主和监理的检查。

特别适合人工难以保证的钢筋笼制作，如1.5m以上大直径钢筋笼、或绕筋直径10ram以上、且双支盘绕筋。

　　4.数控钢筋笼滚焊机特性及优势

（1）数控钢筋笼滚焊机电控系统特性

　　HL2000C-20数控钢筋笼滚焊机中央电气（PLC、HMI）控制系统，采用ABB变频器、PLC触摸屏，进一步保证了设备性能稳定可靠和持久耐用。

另外，调整焊接速度、任意改变绕筋间距和绕筋根数等操作，只需在触摸屏上进行设定，无需停机调整机械，操作易学简单。

　　ABB变频器通过将380V交流电压整流滤波成为平滑的510V直流电压，再通过逆变器件将510V直流电压变成频率与电压均可调的交流电压，电压调节范围在0V--380之间，频率可调范围在0HZ--600HZ之间。

以达到控制电动机无极调速的目的，能够适用多种规格的钢筋笼制作。

　　PLC触摸屏是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置触摸屏。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

（2）数控钢筋笼滚焊机先进性：

提高质量弱项指标的弊端，采用预设参数、机械作业、一次焊接成型，具有机械化程度高、加工速度快、质量稳定可靠等特点。

提高工效，节省人工费开支，且主筋、箍筋间距均匀，所有焊点饱满一致，钢筋笼直径整齐划一，质量完全满足规范要求，基本可以实行“免检”。

　　（3）数控钢筋笼滚焊机工法优势：

　　①加工速度，工作效率非常高。

　　②加工质量稳定可靠，主筋、缠绕筋的间距均匀，钢筋笼直径一致，产品质量完全达到规范要求。

　　③箍筋不需搭接，无需调直钢筋笼滚焊机配有箍筋矫直机构，箍筋圆盘直接放置到箍筋放线架上，在钢筋笼加工过程中，箍筋矫直机构会自动调直箍筋，既减少人力和机械投入，同时也保证了箍筋加工质量。

较之手工作业节省材料，降低了施工成本。

　　④由于主筋在其圆周上分布均匀，多个钢筋笼搭接时很方便，节省了吊装时间。

　　6工效及成本

　　6.1工效

　　数控钢筋笼滚焊机设备一改传统手工作业方式难以从根本上提高质量弱项指标的弊端，采用预设参数、机械作业、一次焊接成型，具有机械化程度高、加工速度快、质量稳定可靠等特点。

正常情况下备料及滚焊部分l2人分两班作业，日加工80―90m，成品钢筋笼可达3个，提高工效2～3倍，节省人工费开支约45%，且主筋、箍筋间距均匀，所有焊点饱满一致，钢筋笼直径整齐划一，质量完全满足规范要求，基本可以实行“免检”。

　　6.2成本

　　6.2.1数控钢筋笼滚焊机制作与传统人工制作对比

　　数控钢筋笼滚焊机制作生产成本低，除滚焊机一次性成本投人之外，钢筋加工成本在60元/t以内。

而人工生产，按目前的市场行情，人工费在220元/t左右，对于大型桥梁项目来说，经济效益更为显著。

　　比对产品（钢筋笼规格）：

　　主筋：

原料9m长；Φ25/32根；盘筋：

Ф10/双支；钢筋笼直径：

Ф1.49m；桩径Ф1.5m，钢筋笼长35m/套；连接：

主筋用直螺纹套筒，钢筋笼用搭接焊或帮条焊。

　　结合工程实例：

　　机械与人工产量对比（见表）、

　　6.2.2钻孔桩钢筋笼孔口安装人工电弧焊连接与直螺纹套筒连接对比

　　电弧焊连接安装：

　　交流电弧焊接工艺是最常见，最传统的对接方式。

优点是造价相对较低，对钢筋笼的制作精度要求较低；缺点是对焊工要求水平高，尤其是立焊水平要求高，最大的缺点是对接速度较慢，特别是对于钢筋数量较多或钢筋直径较大的钢筋笼其焊接速度会严重影响下笼时间。

　　根据测试，三个焊工同时操作，每焊接Φ25/32根的一节钢筋笼接头需要两小时至两个半小时，如果一个桩孔需焊接两节钢筋笼接头，仅焊接时间就达四至六小时。

　　钻孔灌注桩每桩钢筋笼大多长30米至50米，施工中，每桩钢筋笼的对接都在3至4节，占用时间相对长，一直是限制施工进度的一个难题。

钢筋笼分段对接时间一般在两小时至三小时，占60%至70%左右。

　　钢筋笼的对接速度直接影响到下笼的时间，而下笼时间过长，不仅影响施工工期，更重要的是威胁到桩的质量。

本工程的地层，上层为湿陷性黄土，下层为可塑饱和粉质粘土和细砂土。

经常出现由于下笼时间过长造成沉淀层超标，桩孔“缩颈”而返工的现象。

同时，传统的钢筋笼连接均采用现场吊装电弧焊立焊的方式，合格率低。

　　常用手工电弧焊与直螺纹套筒连接经济性对比分析如下：

　　以Φ25钢筋接头现场测定为例。

钢筋搭接焊，焊缝长25cm，每个接头消耗焊条4-5根，一箱E502/Ф5mm焊条约90根/4包，批发价在150元/箱左右，每工班（10小时）一个焊工可焊接40-50个接头，焊工工资180元/工班。

如采用钢筋帮条焊，焊接接头数量减半，焊条数量增加1倍，而且还需投入同直径的帮条焊钢筋50cm左右，约2kg重，帮条焊钢筋用下脚料计算，按钢筋下脚料市场收购价约2.5元左右。

　　焊接设备主要是BX500型交流电弧机。

如果不计电焊机本身空载损耗，采用E502/Ф5mm焊条，焊接烧光一根焊条平均耗电量在0.25kw/h。

　　手工电弧焊钢筋连接成本见表

　　钢筋直螺纹套筒连接安装：

　　采用钢筋直螺纹套筒连接施工工艺，套筒材料及钢筋丝螺纹加工费合计为15元/个，实测施工费为1.25元/件，单个套筒接头费用为16.25元/件。

通过现场实测钻孔桩孔口安装钢筋笼钢筋接头连接时间，两人孔口安装平均每分段钢筋笼接头时间为30至40分钟，接头数量32个，比电弧焊接节约一个半小时至二小时的时间。

采用钢筋直螺纹套筒连接安装大大的缩短了孔口安装时间，可有效缩短工期，减少辅助设备的占用台班，操作工人技能素质要求降低，人工费用大幅减少，达到了降低能耗减少管理成本的效果。

同时，套筒螺纹与钢筋丝头结合紧密，抗变形性能好，接头性能可达到Ⅰ级接头性能要。

　　钢筋直螺纹套筒连接成本（见表）

　　7结束语

（1）桥梁工程的钢筋笼由于其结构特点为长圆笼壮，与笼长（单节长9-18m）相比截面直径小（1-1.8m），骨架节点相对较长，但自重很大（2-4T）。

所以，钢筋笼骨架加工制作质量要求，钢筋笼骨架要有足够的刚度，焊接点牢固，不松散，不塌、不倾斜，无明显的扭曲变形和大小头现象。

同时，要求钢筋笼入孔安装不变形，位置准确。

所以，钢筋笼从制作、连接、分节、运输、吊放、对接安装、入孔等各道工序均采用相应的技术及工艺措施才能达到上述质量要求。

（2）本项目采用该工法机械化程度高，施工效率高，主筋在圆周上均匀分布，多个钢筋笼搭接时很方便，可提高钢筋笼吊装施工时的效率。

　　（3）质量稳定

　　采用机械化作业，主筋、箍筋的间距均匀，箍筋螺旋成形时，支撑稳固，能保证钢筋笼的同心度和直径误差，产品质量非常稳定。

　　（4）节约工时

　　由于主筋在其圆周上分布均匀，多个钢筋笼搭接时很方便，节省了吊装时间。

　　（5）工程项目采用数控钢筋笼滚焊机与钢筋机械直螺纹连接工艺加工钢筋笼工法，需要有与之相应的加工安装工程量，（本项目钢筋笼加工量在7500吨左右，综合测评需加工6000吨以上才能有效益空间）才能与投入的配套设备设施相匹配，另外，还需要有良好运输条件，才能达到投入与效益最优化。

　　（6）桥梁工程的钢筋笼加工采用“工厂化、标准化、规范化、专业化、集约化”施工，最大的收益是提高了工程质量，施工效率，企业形象以及社会经济效益，值得应用实践推广。

　　作者简介：

高峰（1981-）男，陕西佳县人，汉族，本科学历，工程师职称，一级建造师，主要从事项目管理工作。

　　熊建华（1965-）男，西安人，汉族，大专学历，技师职称，二级建造师，中级电气焊工，主要从事钢筋加工管理工作。

　　王彦（1980-）女汉族陕西佳县人本科学历工程师职称，长安大学工程设计研究院有限公司经营部工作