孫 貝

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

21世紀(jì)以來，橋梁作為基礎(chǔ)交通設(shè)施的重要組成部分，隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生了巨變，研究工作重點(diǎn)也逐步從建設(shè)運(yùn)營轉(zhuǎn)變?yōu)闄z測、維護(hù)和性能分析。橋梁作為關(guān)鍵交通樞紐，其研究工作是我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)力等綜合國力的體現(xiàn)[1-2]。截止2018年底，全國公路橋梁數(shù)量相比2017年總座數(shù)增長2.3%，總長增加6.56%，其中包含不少施工難度大、技術(shù)復(fù)雜、科技含量高的橋梁結(jié)構(gòu)[2-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年底世界上已建成的主跨跨徑最大的前10座斜拉橋、懸索橋、拱橋和梁式橋中，我國分別占有7座、6座、6座和5座。然而，隨著橋梁投入年限的增加，國內(nèi)外近幾年已建橋梁普遍出現(xiàn)使用壽命縮短、使用性能變差、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下降等問題。我國當(dāng)前危險(xiǎn)橋梁的數(shù)量大幅度增加，不僅影響橋梁正常通行，威脅人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)給國家、社會(huì)造成養(yǎng)護(hù)、維修處置等巨大壓力，容易造成社會(huì)資源和財(cái)力的浪費(fèi)[4-5]。因此，橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的檢測與評估，對提升橋梁在日益增長的交通量和載重量情況下的安全性和耐久性意義深遠(yuǎn)[6]。

1 橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)與激光近凈成形技術(shù)概述

橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)可直觀有效地分析新型橋梁結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜橋梁類型的受力狀態(tài)，具有高效、便于操作、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境友好等優(yōu)勢，是對橋梁承載力評價(jià)最有效的方法[7-8]。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型制作是橋梁模型試驗(yàn)工作的重要環(huán)節(jié)，模型需要滿足材料合理、細(xì)部尺寸準(zhǔn)確、各部件連接可靠以及施工步驟與施工圖紙吻合等要求來保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。然而，橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣、種類繁多，傳統(tǒng)模型制備方法時(shí)間長、消耗大、加工工具多樣、尺寸精度差且一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件無法制備只能通過簡化模型來解決，這就導(dǎo)致模型無法直接獲得橋梁受力狀況。因此，選擇科學(xué)合理的模型制備方法十分關(guān)鍵。

激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）技術(shù)是一種利用高能激光束熔融材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)件直接成形的新技術(shù)，與傳統(tǒng)零件加工技術(shù)相比具有成形過程控制精度高、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件直接成形、零件性能優(yōu)越、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益顯著及應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等優(yōu)點(diǎn)，適合于新產(chǎn)品開發(fā)、單件零件、復(fù)雜形狀零件制造，已實(shí)現(xiàn)金屬、陶瓷等材料高效、低成本、近凈制造[9]。本文創(chuàng)新性將LENS技術(shù)應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)模型制備中，并設(shè)計(jì)了一類可進(jìn)行多種材料制備且構(gòu)件致密性高、成分均勻，同時(shí)可直接高精度成形復(fù)雜形狀構(gòu)件的裝置，可有效縮短橋梁模型的制備時(shí)間，降低成本，簡化橋梁結(jié)構(gòu)件制備工藝，更能直接推動(dòng)橋梁科學(xué)模型技術(shù)的快速發(fā)展，對促進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)發(fā)展意義深遠(yuǎn)。

2 基于LENS技術(shù)的橋梁模型制備方法

基于LENS技術(shù)的橋梁模型制備方法一般根據(jù)預(yù)選定橋梁結(jié)構(gòu)選擇合理的模型材料及類型，并通過確定幾何相似常數(shù)確定模型幾何尺寸，最終繪制模型荷載分布圖。同時(shí)，分解橋梁模型結(jié)構(gòu)并確定部件加工順序，確定各構(gòu)件激光近凈成形路徑及工藝參數(shù)；通過分析成形構(gòu)件尺寸、形狀精度并結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)模型荷載加載方式，開展多組試驗(yàn)獲得橋梁受力狀態(tài)，驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)理論并據(jù)此優(yōu)化橋梁施工工藝。本文制定了“理論研究-模擬試驗(yàn)-現(xiàn)場驗(yàn)證”相結(jié)合的研究方法，以LENS技術(shù)為基礎(chǔ)，以橋梁模型材料、類型及荷載加載方式選擇為前提，確定橋梁構(gòu)件加工參數(shù)和裝配方式，提出基于LENS技術(shù)的橋梁模型制備方法，最終利用模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了橋梁設(shè)計(jì)理論，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)施工工藝。本文利用LENS、并聯(lián)機(jī)構(gòu)、橋梁模型試驗(yàn)等理論基礎(chǔ)，結(jié)合建筑業(yè)的發(fā)展需求，研究基于LENS技術(shù)的橋梁模型制備技術(shù)，總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

本文所提出橋梁模型制備方法以縮短模型制備時(shí)間為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)單件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的近凈制備，無需制備模具，去除后續(xù)零件加工工序，大大縮短了構(gòu)件制備時(shí)間，降低成本。同時(shí)，以盡可能接近橋梁工程實(shí)體結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，將激光近凈成形技術(shù)引入到橋梁模型制備中，確定多種橋梁模型材料的制備工藝參數(shù)，分析復(fù)雜構(gòu)件的成形工藝，為高尺寸和形狀精度制備橋梁模型提供新的思路。

3 基于LENS技術(shù)的橋梁模型制備裝置

圖2 橋梁模型制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖

本文基于LENS、并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)設(shè)計(jì)了一類橋梁模型制備裝置，主要包括機(jī)架、并聯(lián)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、加載裝置和電控系統(tǒng)四大部分，裝備結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中圖2a為裝置主視圖，圖2b為并聯(lián)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。機(jī)架主要包括底座1、模型移動(dòng)導(dǎo)軌2、立柱6、放置臺7和模型支撐導(dǎo)軌11等；并聯(lián)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括短導(dǎo)軌12、電機(jī)13、長導(dǎo)軌14、滑塊15、萬向鉸16、伸縮桿17、球鉸18和下平臺19等；加載裝置由噴頭3、連接軸及其位移傳感器4、儲(chǔ)料倉5和氣力輸送裝置9等組成；電控系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)及其采集模塊8等。

本裝置采用一體接地式機(jī)架，結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度大，避免了模型制備過程中由于裝置變形引起的誤差，立柱需均勻布置于底座4個(gè)頂角以增強(qiáng)設(shè)備穩(wěn)定性，為橋梁模型的高精度制備建立了基礎(chǔ)。模型移動(dòng)導(dǎo)軌放置在立柱內(nèi)側(cè)的底座上，底座上均勻分布3組螺紋孔，通過連接不同螺紋孔調(diào)整其位置。模型支撐導(dǎo)軌兩端為凸型結(jié)構(gòu)，垂直放置在模型移動(dòng)導(dǎo)軌上并與模型移動(dòng)導(dǎo)軌上表面凹槽配合實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)；中間段為伸縮結(jié)構(gòu)以適應(yīng)模型移動(dòng)導(dǎo)軌的不同間距。橋梁模型放置于模型支撐導(dǎo)軌上，通過調(diào)整模型移動(dòng)導(dǎo)軌和模型支撐導(dǎo)軌位置以適應(yīng)橋梁模型尺寸。模型移動(dòng)導(dǎo)軌長度為模型支撐導(dǎo)軌長度的2～3倍。并聯(lián)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要用于控制噴頭位置，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)模型的高精度制備。該機(jī)構(gòu)中長導(dǎo)軌有兩組，夾角為150°，對稱分布在短導(dǎo)軌兩側(cè)且其長度為短導(dǎo)軌的3倍，實(shí)現(xiàn)不同方向噴嘴位移的變化。電機(jī)安裝于導(dǎo)軌兩側(cè)，通過伸縮桿驅(qū)動(dòng)滑塊沿著導(dǎo)軌移動(dòng)，帶動(dòng)下平臺運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴嘴的精準(zhǔn)定位。加載裝置主要通過力氣輸送裝置將材料送至噴嘴，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)成形。該機(jī)構(gòu)通過下平臺支撐，刀具和連接軸及其壓力傳感器同軸連接，位于下平臺下端，下平臺的短邊平行對應(yīng)于兩長導(dǎo)軌的夾角邊。

本文所述裝置采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)橋梁模型制備形狀參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，并聯(lián)式加載機(jī)構(gòu)剛度高、加載空間大，空間內(nèi)任意位置可精確操控，實(shí)現(xiàn)橋梁模型復(fù)雜形狀的精準(zhǔn)制備。模型移動(dòng)導(dǎo)軌和模型支撐導(dǎo)軌位置可調(diào)，可宏觀調(diào)控橋梁模型的尺寸，具有操作簡單便捷、試驗(yàn)數(shù)值控制精度高等優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于LENS技術(shù)的橋梁模型制備方法，為分析橋梁新結(jié)構(gòu)型式、探索復(fù)雜橋跨橋結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)提供一種新思路，并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一類橋梁模型制備裝置可實(shí)現(xiàn)橋梁模型復(fù)雜形狀的高精度制備?？梢灶A(yù)見，隨著橋梁新型材料的應(yīng)用以及橋梁結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新，基于LENS技術(shù)的橋梁模型制備方法的適用性將大大增強(qiáng)，持續(xù)開展該方法研究對推動(dòng)橋梁科學(xué)模型技術(shù)和橋梁實(shí)用工程建設(shè)的快速發(fā)展具有較大參考價(jià)值。