先張法預(yù)制U形梁整體式拆裝模具體系的研究與應(yīng)用

劉殿生 李玲玉 朱敏濤

1. 同濟(jì)大學(xué) 上海 200092；2. 上海建工材料工程有限公司 上海 200090

1 概述

國內(nèi)高架軌道交通上部結(jié)構(gòu)通常采用箱梁形式，箱梁既可以預(yù)制也可以采用滿堂支架現(xiàn)澆施工，此結(jié)構(gòu)形式技術(shù)成熟、工藝穩(wěn)定，但同時(shí)也存在著外觀不夠美觀、結(jié)構(gòu)高度過大和建設(shè)費(fèi)用高等弊端。也有部分高架結(jié)構(gòu)開始采用節(jié)段梁拼裝施工，但拼裝速度較慢[1]。2007年上海軌交8號(hào)線投入運(yùn)營后，標(biāo)志著U形梁在國內(nèi)使用的正式開始[2]。

上海軌交16號(hào)線工程是上海軌道網(wǎng)絡(luò)中的一條連接市中心與浦東臨港新城的市域快線。線路起點(diǎn)龍陽路站，終點(diǎn)臨港新城站，全長58.9 km，高架線長約45.2 km；地下線長約13.7 km。高架區(qū)間中，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30 m。30 m及以下橋跨上部結(jié)構(gòu)均采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土單線U形梁，35 m橋跨的簡支梁采用先后張法2 種工藝結(jié)合的預(yù)應(yīng)力混凝土單線U形梁，高架車站的軌道梁也采用單線U形梁。施工方法采用預(yù)制架設(shè)。

先張法預(yù)制混凝土U形軌道梁斷面采用U形薄壁梁結(jié)構(gòu)，U形兩側(cè)過渡采用大半徑圓弧結(jié)構(gòu)，在底部又采用小半徑圓弧連接（圖1）。在梁長度方向兩端為支座，支座段高約0.5 m，為一大半徑反圓弧結(jié)構(gòu)，與梁身段的大圓弧相連。梁體內(nèi)部還設(shè)計(jì)有電纜支架、上下2 層錯(cuò)位排列的電纜溝、軌枕平臺(tái)等一系列的結(jié)構(gòu)。整個(gè)梁形的設(shè)計(jì)特色，除梁底部與頂面兩側(cè)為平面外，其余都是圓弧線條，薄壁梁身，輕巧，美觀。結(jié)構(gòu)混凝土薄，節(jié)省材料[3]。在U形的內(nèi)部，可以安裝一切設(shè)施，列車車門以下的部分，都藏于U形梁內(nèi)部，可有效降低列車行駛時(shí)車輪與鋼軌間的噪音。U形梁是適合于軌道交通高架結(jié)構(gòu)要求，具有較小建筑高度的結(jié)構(gòu)形式之一[4]。

圖1 預(yù)制混凝土U形軌道梁

2 整體式拆裝模具設(shè)計(jì)與制作

根據(jù)軌交16號(hào)線工程招標(biāo)文件及圖紙，結(jié)合制梁場地、制梁工藝、制梁周期等因素，設(shè)計(jì)采用全鋼結(jié)構(gòu)整體式模板，以尺寸精確、安全可靠、拆裝方便為設(shè)計(jì)原則，充分適應(yīng)制梁施工條件。

2.1 模具組成

模板采用全鋼結(jié)構(gòu)、整體式設(shè)計(jì)方案，整套模板由底模，外模，內(nèi)模，內(nèi)模支撐、內(nèi)模移動(dòng)系統(tǒng)和端模五大類組成，另外包括外模斜撐、內(nèi)模斜撐及水平撐、外模間拉桿、內(nèi)外模間拉桿、地梁等附件，見圖2、圖3。

2.1.1 基礎(chǔ)部件

是安裝整套模板的基礎(chǔ)，包括地梁、外模斜撐銷座和內(nèi)模立柱基礎(chǔ)等。

圖2 模具系統(tǒng)總裝示意

圖3 模具設(shè)計(jì)示意

2.1.2 底模

標(biāo)準(zhǔn)底模分為3 段，兩端為支座段，中間為梁身段，安裝于基礎(chǔ)地梁之上。而可調(diào)節(jié)底模除上述的分段方式之外，還需考慮到梁長及梁寬變化對(duì)底模的特殊要求?？紤]梁長變化時(shí)，按該臺(tái)座所需生產(chǎn)的最大梁長設(shè)計(jì)制作底模，另制作4 件活動(dòng)支座，安裝并固定在梁身底模側(cè)面，達(dá)到可生產(chǎn)非標(biāo)長度U形梁的要求?？紤]梁寬變化時(shí)，以車站梁為基準(zhǔn)（中間軌道梁與側(cè)線軌道梁應(yīng)分別考慮），兩側(cè)安裝并固定活動(dòng)底模，達(dá)到區(qū)間梁的寬度（以2 種梁型的張拉合力中心線為重合標(biāo)準(zhǔn)）。

底模面板采用8 mm中板，框架結(jié)構(gòu)，縱向中間骨架采用16#工字鋼，兩側(cè)為16/10#不等邊角鋼，橫向筋板采用10 mm鋼板，與縱向骨架榫接。

2.1.2.1 與外模連接結(jié)構(gòu)

在底模縱向不等邊角鋼外側(cè)，開設(shè)通孔（該孔采用數(shù)控等離子加工），在孔的內(nèi)側(cè)，安裝可替換的螺板，螺板上焊制一螺母用于與外模間的螺栓連接，另設(shè)兩螺孔用作與角鋼間的緊固（圖4）。

圖4 與外模連接結(jié)構(gòu)

2.1.2.2 制作工藝

用型鋼搭設(shè)簡易底模制作平臺(tái)，平臺(tái)安裝過程必須用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量，保證表面的平面度誤差在1 mm之內(nèi)。

制作底?？蚣艿慕畎灏凑招弯摰慕孛嫘螤?，由數(shù)控等離子切割，保證其與縱向骨架間的連接精度與榫接質(zhì)量。

面板裁切時(shí)周邊留加工余量3～5 mm，用銑邊機(jī)加工每條相關(guān)邊線，保證每條邊線的直線度與垂直度，使面板間的拼接以及面板與外模面板間的配合精確。

2.1.3 外模

根據(jù)U形梁的特點(diǎn)，外模分為外模A（外腹板外模）和外模B（內(nèi)腹板外模），分別安裝于模板外側(cè)和內(nèi)側(cè)。與底模相對(duì)應(yīng)，外模亦有梁身段與支座段之分。在梁身段與支座段的交界處底部，應(yīng)設(shè)置放張活絡(luò)塊，以利放張與脫模。沿外模外側(cè)設(shè)置走道，以利施工作業(yè)。

2.1.3.1 外模分段

制作標(biāo)準(zhǔn)梁長的模板，每側(cè)外?？煞譃? 段，每段包含支座段與梁身段，中間法蘭連接。但對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)梁長，則應(yīng)在梁身段設(shè)置相應(yīng)的變化段，每段之間法蘭連接，且應(yīng)做到相互通配。為保證軌道梁的表面質(zhì)量，分段外模的面板接縫處在拼裝完成后進(jìn)行焊接打磨處理。

由于變化段長度與內(nèi)外模間的拉桿座間距長度可能不是相同的模數(shù)關(guān)系，引起外模長度變化后內(nèi)外模間拉桿座錯(cuò)位，因此，需在外模上根據(jù)調(diào)節(jié)情況增加外模拉桿座與內(nèi)模對(duì)應(yīng)。拼接后，外模梁身段長度與U形梁設(shè)計(jì)長度相同，支座段比U形梁支座設(shè)計(jì)長度超出300～350 mm，用作嵌入式端模的裝配。

2.1.3.2 結(jié)構(gòu)與材料

采用剛?cè)峤Y(jié)合的模板方案。

面板采用5 mm中板，面板后部每500 mm間隔設(shè)置10 mm定型板，縱向頂部設(shè)置2 道通長矩型管（120 mm×60 mm），底部通長10 mm法蘭板，合模后與底模連接。定型板之間的10 mm筋板，在定型板外側(cè)，從上往下約2/3位置，設(shè)置12#雙拼槽鋼結(jié)構(gòu)（為避開放張塊，雙拼槽鋼在支座段梁身段分開，并設(shè)600 mm交錯(cuò)段），以利模板的抗彎能力。

在以上柔性結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在外側(cè)設(shè)置剛性排架，間隔約3 m，通過縱向通長H鋼連接。剛性排架的材料分別是160 mm×80 mm和120 mm×60 mm矩形管，H鋼為125 mm×125 mm。

在模板頂部安裝拉桿座，用來安裝外模與外模、外模與內(nèi)模之間的拉桿，并在拉桿座底部焊接銷座，用于合模后安裝外模斜撐桿。內(nèi)外模間拉桿座的基本間距1.5 m，整模板設(shè)置外模間拉桿6 擋。

在梁身段與支座段的結(jié)合處，設(shè)置放張塊（每套模板4 件）。每次放張前，必須先將放張塊拆除。

外模外側(cè)設(shè)置走道。走道由5#角鋼、扁鐵、走道網(wǎng)格板組成。整套30 m梁長外模上設(shè)置22 臺(tái)附著式振動(dòng)機(jī)。

2.1.3.3 制作工藝

由于外模截面是由幾段弧形和折線組成，難以測量，因此，必須首先制作各類樣板及工裝，用于面板的成形和筋板的定位，另外，必須制作穩(wěn)固的胎模用于外模的拼接制作，胎模亦分為A型與B型，長度不小于梁長的1/2，安裝胎模必須堅(jiān)固并定位精確，用水準(zhǔn)儀校正。

2.1.4 內(nèi)模

由于U形梁截面內(nèi)外側(cè)不同，因此內(nèi)模亦分為內(nèi)模A和內(nèi)模B，分別對(duì)應(yīng)外腹板內(nèi)模和內(nèi)腹板內(nèi)模。針對(duì)每一梁型，在整個(gè)梁長范圍，內(nèi)模是等截面的。

2.1.4.1 分段

由于內(nèi)模是等截面結(jié)構(gòu)，因此，沒有梁身段與支座段之分，在整個(gè)梁長范圍，將內(nèi)模分為2 段，中間法蘭連接，連接后長度與外模全長相同。

2.1.4.2 結(jié)構(gòu)與材料

整個(gè)內(nèi)模懸掛在內(nèi)模橫梁之下，總長30 m的內(nèi)模，分為2 段，每段有2 榀內(nèi)模橫梁，即每段內(nèi)模有2 個(gè)懸掛點(diǎn)。內(nèi)模頂部通過內(nèi)外模間的拉桿與外模定位并固定，而底部是一個(gè)自由懸挑的翻板結(jié)構(gòu)（合模后，翻板是翻起狀態(tài)，以利底板的混凝土澆搗；之后，將翻板落下并撐實(shí)，防止在澆搗兩側(cè)腹板時(shí)混凝土外翻）。另外，通過內(nèi)模橫梁，已將兩側(cè)的內(nèi)模聯(lián)系在一起，可利用2 臺(tái)行車同時(shí)起吊。

內(nèi)模主體采用整體排架加縱向骨架的框架結(jié)構(gòu)及5 mm中板加工的弧形面板。排架立柱的頂部設(shè)置于外模間的拉桿槽，排架的間距初定為1.5 m（具體視聲屏障埋件、電纜支架埋件等具體位置而定）。內(nèi)模截面呈弧形，因此排架由定型板和E字架（立柱和水平撐形成E形）組成，定型板是10 mm中板， E字架由160 mm×80 mm的矩形管做立柱，120 mm×60 mm的矩形管做水平撐。縱向骨架的布置為：頂部2 根通長120 mm×60 mm矩形管，沿弧形面板，約間距300 mm布置80 mm×50 mm矩形管，底部10 mm鋼板或角鋼（布置翻板鉸）。內(nèi)模立柱的外側(cè)有2 榀通長雙拼12#槽鋼做的抗彎構(gòu)件，作為內(nèi)模間水平撐桿座的基礎(chǔ)。

每段主體內(nèi)模有2 處立柱需加強(qiáng)，用于安裝懸掛內(nèi)模的吊轉(zhuǎn)板。翻板采用6 mm中板加筋板的輕型結(jié)構(gòu)，每段約1.5 m，通過2 個(gè)鉸與主體連接。翻起時(shí)，用鋼筋鉤與主體相連工作狀態(tài)；用花籃螺栓撐實(shí)。

內(nèi)模斜撐桿的位置與內(nèi)模橫梁相對(duì)應(yīng)，分別撐于橫梁底部與雙拼抗彎構(gòu)件外側(cè)頂部。斜撐桿采用雙頭絲桿結(jié)構(gòu)，可在合模時(shí)通過轉(zhuǎn)動(dòng)斜撐桿將內(nèi)模撐直到位。

內(nèi)模水平撐桿分上、下2 排，用于承受澆搗混凝土?xí)r混凝土對(duì)內(nèi)模的側(cè)壓力。下排撐桿與排架對(duì)應(yīng)，上排撐桿數(shù)量減半，撐桿用80 mm×80 mm方管制作。

整套30 m梁長內(nèi)模上設(shè)置20 臺(tái)附著式振動(dòng)機(jī)。

2.1.4.3 制作工藝

內(nèi)模截面是弧形加折線結(jié)構(gòu)，難以測量，因此，必須制作整套工裝與樣板，而定型板、樣板的制作采用數(shù)控等離子切割加工，排架應(yīng)在工裝平臺(tái)上定位與固定，內(nèi)模的整體制作必須在穩(wěn)固可靠的平臺(tái)上進(jìn)行，平臺(tái)安裝時(shí)用水準(zhǔn)儀校準(zhǔn)。

2.1.5 內(nèi)模支撐機(jī)構(gòu)

本機(jī)構(gòu)用于承受內(nèi)模主體、翻板、斜撐、水平撐和內(nèi)模移動(dòng)機(jī)構(gòu)的全部質(zhì)量，以及澆搗混凝土?xí)r通過內(nèi)模傳來的振動(dòng)。每個(gè)制梁臺(tái)座對(duì)應(yīng)有1 套內(nèi)模支撐機(jī)構(gòu)，即安裝于外模外側(cè)的8 根立柱，每側(cè)4 根，底部與地面基礎(chǔ)牢固相連，頂部設(shè)置法蘭可與橫梁底部的法蘭通過螺栓連接，中間設(shè)置斜拉桿至地面，加強(qiáng)立柱的可靠性。

立柱采用250 mm×250 mm的H型鋼制作，柱體與頂部法蘭、根部底板間設(shè)置可靠連接加勁板，柱體設(shè)筋板，保證整體剛度與穩(wěn)定性。

2.1.6 內(nèi)模移動(dòng)機(jī)構(gòu)

每套內(nèi)模移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括4 根內(nèi)模橫梁和每根橫梁上的2 套移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。內(nèi)模橫梁是由2 根背靠背放置的雙拼32B槽鋼及一系列筋板做成的主體結(jié)構(gòu)，兩端底部設(shè)法蘭，與支撐立柱的頂端法蘭連接。中間兩側(cè)設(shè)吊點(diǎn)，可承受整個(gè)內(nèi)模體系的質(zhì)量。

頂面的2 套移動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別用于移動(dòng)內(nèi)模A和內(nèi)模B。每套移動(dòng)機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)盤、絲桿、軸承座、滑靈、移動(dòng)小車（托架）、走輪、轉(zhuǎn)軸和吊轉(zhuǎn)板等組成，標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間梁移動(dòng)范圍，A側(cè)約500 mm，B側(cè)約250 mm。

整套移動(dòng)機(jī)構(gòu)的拆裝和保養(yǎng)都相當(dāng)方便，轉(zhuǎn)盤Φ800 mm，單人操作，30 m梁模板每側(cè)內(nèi)模全長逾30 m，質(zhì)量約10 t，設(shè)置4 套移動(dòng)機(jī)構(gòu)，4 人同時(shí)單手轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，即可將內(nèi)模進(jìn)行快速合模或拆模操作簡單、方便、高效。

2.1.7 拉桿

拉桿分為兩大類，即外模間拉桿和內(nèi)外模間拉桿，后一類又分為2 種，即A側(cè)拉桿和B側(cè)拉桿。其作用是相同的，都用于定位與固定。

2.1.7.1 結(jié)構(gòu)與材料

拉桿的基本結(jié)構(gòu)都是由桿體、定位板、螺桿、墊片和螺母組成。桿體位于中間，桿體兩端焊接定位板，定位板中間是螺桿。兩端定位板之間的距離是精確制作的，分別用于控制U形梁頂部的橫向外包尺寸和平臺(tái)寬度。

外模間拉桿的桿體采用80 mm×80 mm方管，內(nèi)外模間拉桿桿體采用外徑60 mm的無縫管，定位板用16 mm鋼板，螺桿為M30。

2.1.7.2 制作工藝

為保證螺桿與定位板間垂直，螺桿底部應(yīng)車制臺(tái)階，定位板中間孔亦應(yīng)車床加工，與臺(tái)階相配合；螺桿與定位板間只能單面電焊。為保證兩端螺桿與中間管材同軸度以及定位板間長度尺寸，必須制作工裝予以保證。

2.1.8 端模

端模采用嵌入式結(jié)構(gòu)，即相嵌于內(nèi)外模之間，梁長由端模位置控制。根據(jù)招標(biāo)圖紙，梁端有隱形蓋梁、非隱形蓋梁及其他變化，因此，端模的形狀與分段相對(duì)復(fù)雜，缺口中的端模為了拆模，分為2 段，而缺口兩側(cè)的端模，因是瘦高的結(jié)構(gòu)，每側(cè)又分成上、下2 截，因此，整個(gè)端?；旧嫌? 件組成。

兩側(cè)的端模形狀與大小與U形梁腹板相同，即大半徑弧形，必須與內(nèi)外模配合良好，才能有效防止?jié)矒v時(shí)的漏漿現(xiàn)象。在端模下部，有大量鋼絞線通過，即在端模下部需精確開設(shè)所有鋼索孔。因此，所有的面板都必須由數(shù)控切割機(jī)床加工，包括所有的鋼索孔，由此才能保證端模與內(nèi)外模間的配合精確以及鋼索孔的位置精準(zhǔn)。

2.1.8.1 結(jié)構(gòu)與材料

端模的整體結(jié)構(gòu)為面板加筋板，面板8 mm，筋板10 mm。面板形狀與梁截面相同，并開設(shè)所有鋼索孔，筋板布置應(yīng)避開鋼索孔。外包筋板同時(shí)作為法蘭板使用，用于與底模、外模、內(nèi)模及端模自身各段之間的連接。

2.1.8.2 制作工藝

所有面板通過數(shù)控切割一次成形，包括面板上的鋼索孔；梁端封錨處有臺(tái)階，因此面板后的筋板亦有特定形狀，筋板數(shù)控切割；梁端缺口內(nèi)的端模部件，為便于拆模，應(yīng)安裝斜法蘭；制作梁形端面工裝，以保證端模各部件總裝精度。

2.2 模板操作流程

2.2.1 拆模操作流程

模板拆除流程為：拆除頂部拉桿→拆除內(nèi)模水平桿→收緊內(nèi)模斜撐桿至內(nèi)模面板脫離混凝土面→拆除斜撐桿→移動(dòng)（收縮）內(nèi)模→內(nèi)模吊離→拆除放張塊→放松外模底部螺栓→收緊外模斜撐使外模與混凝土脫離→放張→拆除端模（完畢）。模板拆除如圖5所示。

2.2.2 合模操作流程

合模操作流程為拆模的逆過程，具體流程為：調(diào)整外?；矩Q直→緊固外模與底模間螺栓→調(diào)整外模斜撐桿至外模豎直→吊入鋼筋籠、鋼絞線穿過端?！惭b并固定端模→吊入內(nèi)模、內(nèi)模橫梁與立柱緊固→安裝內(nèi)模斜撐調(diào)整內(nèi)模到位→安裝頂部拉桿及水平撐桿→合模完畢。

3 應(yīng)用效果

圖5 拆模流程

我公司承建上海軌交16號(hào)線工程中預(yù)制U形梁總數(shù)為1 476榀，標(biāo)準(zhǔn)跨長度30 m，非標(biāo)準(zhǔn)跨長度22.45～35 m不等。按斷面形式分為4 種：正線30 m及以下跨度類型U形梁、正線35 m跨度類型U形梁、車站中線U形梁和車站側(cè)線U形梁。正線標(biāo)準(zhǔn)30 m跨U形梁寬5 540 mm，高度1 800 mm，厚度250 mm，質(zhì)量約170 t。

在此工程中采用了本文所述的模具技術(shù)，從實(shí)際使用效果來看，整體拆裝式模具與以往散拆散裝的方式相比，簡化了繁瑣的拆裝過程，降低了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)，也大大縮短了生產(chǎn)周期；采用整體拆裝的結(jié)構(gòu)形式減少了模具的分塊，模具拼裝后的精度有了大幅提高，從而更好的保證了產(chǎn)品的外形尺寸精度。此外，由于整體式模具的拼接縫減少，產(chǎn)品的外觀質(zhì)量也得到了進(jìn)一步的提升。

4 結(jié)語

預(yù)制U形梁整體式拆裝模具體系是一種方便、高效、高精度的模具設(shè)計(jì)和制作體系，為預(yù)制U形梁這一新穎的產(chǎn)品模式，在軌道交通建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供了有力的模具技術(shù)支持，另外在U形梁模具組裝、拆除和移動(dòng)的自動(dòng)控制方面需進(jìn)一步加強(qiáng)研究和應(yīng)用。