裝配式上下分體節(jié)段管廊的廠內(nèi)生產(chǎn)鋼模板設(shè)計(jì)研究*

宋琢 張迪 王賢鵬 鄭小紅

1.廣州市市政工程機(jī)械施工有限公司 510060

2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州510640

引言

裝配式建造因其具有高效率、高環(huán)保、高品質(zhì)和低污染等優(yōu)勢而逐漸成為建筑行業(yè)的新主流。近年來，國內(nèi)學(xué)者從多個角度對裝配式管廊展開了探索，研究分析了裝配式管廊力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)差異，結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)抗震性能，構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn)、裝配安裝以及節(jié)點(diǎn)防水等施工技術(shù)，取得了較多重要研究成果［1］。此外，裝配式管廊也有較多工程實(shí)例，但由于行業(yè)沒有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和造價的適用性等問題，裝配式施工技術(shù)仍沒有被廣泛應(yīng)用到綜合管廊的建設(shè)中，裝配率難以在50%以上。多艙大斷面管廊裝配式技術(shù)具有生產(chǎn)、安裝技術(shù)復(fù)雜，施工過程控制嚴(yán)謹(jǐn)?shù)忍攸c(diǎn)。其中，生產(chǎn)階段的模板選擇與構(gòu)件質(zhì)量、工程造價和裝配技術(shù)等密切相關(guān)，也是制約整個管廊預(yù)制裝配成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在國內(nèi)外相關(guān)的研究中比較少?；诖?，為推動裝配式技術(shù)更加簡潔、合理、經(jīng)濟(jì)，以及推廣預(yù)制綜合管廊建設(shè)在全國范圍內(nèi)的應(yīng)用，本文以廣州市天河智慧城地下綜合管廊項(xiàng)目為依托，詳細(xì)介紹上下分體式裝配式綜合管廊預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)模板的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 預(yù)制構(gòu)件節(jié)段長度的選擇

構(gòu)件的尺寸確定了模板的尺寸，設(shè)計(jì)階段對于預(yù)制構(gòu)件尺寸的考慮較少，仍需在廠內(nèi)生產(chǎn)階段深化設(shè)計(jì)。多艙大斷面分體式節(jié)段拼裝綜合管廊是指將多艙大斷面預(yù)制綜合管廊的混凝土節(jié)段拆分為上下分體式構(gòu)件，在工廠內(nèi)加工生產(chǎn)，再運(yùn)輸?shù)焦さ噩F(xiàn)場吊裝和安裝［2］。施工方法較為先進(jìn)，但需具備一定規(guī)模的構(gòu)件加工預(yù)制工廠和大噸位的運(yùn)輸機(jī)具及吊裝設(shè)備，施工技術(shù)要求相對較高。預(yù)制管廊在工廠內(nèi)完成標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，對生產(chǎn)工藝、設(shè)備的先進(jìn)性、模具的精密度、成品和半成品質(zhì)量的試驗(yàn)檢測都提出了高標(biāo)準(zhǔn)與高要求。多艙大斷面綜合管廊一般高度較高，由于城市運(yùn)輸?shù)南薷咭话阍?m內(nèi)，所以宜將綜合管廊作上下分體式部件，以減少運(yùn)輸高度和運(yùn)輸重量，也簡化廠內(nèi)預(yù)制生產(chǎn)的工作。

對于節(jié)段長度的選擇，關(guān)系到整個預(yù)制生產(chǎn)的工藝、相關(guān)設(shè)備等整個系統(tǒng)工程，構(gòu)件過長則會增加預(yù)制生產(chǎn)的難度，增加運(yùn)輸和安裝的重量；過短則會增加接縫的數(shù)量，不僅增加造價，也給結(jié)構(gòu)防水帶來較多的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。宜從下面三個方面確定節(jié)段長度：

（1）根據(jù)節(jié)段管廊部件在運(yùn)輸車輛上的放置方式確定：大斷面管廊一般橫向?qū)挾仍?0m以上，因此，宜直接將10m長管廊構(gòu)件縱向放置在車輛上。但運(yùn)輸車輛一般運(yùn)輸寬度不宜超過3m；因此應(yīng)將管廊構(gòu)件縱向?qū)挾瓤刂圃?m以內(nèi)。

（2）根據(jù)管廊預(yù)埋件的預(yù)埋尺寸確定：管廊預(yù)埋件中影響預(yù)制尺寸最多的預(yù)埋件為管線支架的預(yù)埋滑槽，滑槽的間距為80cm，所以節(jié)段長度應(yīng)為80cm的倍數(shù)；因此有0.8m、1.6m和2.4m可以選擇。

（3）根據(jù)管廊分體部件的重量確定：對裝配式建筑施工難度和造價影響非常大的主要因素就是構(gòu)件重量，構(gòu)件重量不宜過大。一般控制在30t～50t范圍內(nèi)。

綜上所述，從設(shè)計(jì)合理、生產(chǎn)簡潔、施工方便、質(zhì)量控制、造價節(jié)約等因素考慮，節(jié)段長度選擇宜為2.4m。天河智慧城地下綜合管廊項(xiàng)目三艙最大斷面預(yù)制節(jié)段尺寸為：10.0m（長）×2.4m（寬）×1.8m（高），重量約為43t。

2 整體鋼模板的設(shè)計(jì)

2.1 模板的設(shè)計(jì)概況

為保證多艙大斷面預(yù)制綜合管廊上下分體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)不受場地地基等影響，對液壓可調(diào)式多艙預(yù)制管廊模具裝備擴(kuò)大基礎(chǔ)處理，即設(shè)置模具基座。以三艙管廊為例，模具基座如圖1所示。

圖1 多艙預(yù)制管廊模具基座Fig.1 Multi-cabin prefabricated utility tunnel mould base

多艙預(yù)制綜合管廊具有大斷面、自重大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，對模具精度有非常高的要求，構(gòu)件半成品的生產(chǎn)精度直接關(guān)系到后期拼裝施工的安裝精度和結(jié)構(gòu)防水，是預(yù)制管廊裝配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，多艙預(yù)制管廊模具可分為：底座、內(nèi)模、外模、端模。模具安裝過程繁瑣，生產(chǎn)時需要反復(fù)開模合模，同時模板的接縫部位數(shù)量多，靠人工操作難以保證安裝精度，所以必須機(jī)械化自動化控制，即可在整體模具內(nèi)同步設(shè)計(jì)液壓可調(diào)式控制系統(tǒng)，將精度從厘米級提高到毫米級，實(shí)現(xiàn)接口緊密結(jié)合，高精度、高效率生產(chǎn)安裝。液壓可調(diào)式多艙預(yù)制管廊模具設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 液壓可調(diào)式多艙預(yù)制管廊模具示意Fig.2 Schematic diagram hydraulic adjustable multi-cabin prefabricated utility tunnel mould

2.2 多艙預(yù)制管廊整體模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn)

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）模板設(shè)計(jì)概況：智慧城管廊工程預(yù)制管廊采用上下分體的構(gòu)件預(yù)制，現(xiàn)場拼裝成節(jié)段管廊后，再逐節(jié)裝配連接成整體，由于這種工藝設(shè)計(jì)的要求，施工的關(guān)鍵點(diǎn)在于上體分體構(gòu)件的連接，前后節(jié)段構(gòu)件的連接。由于這種連接帶來的施工縫間的連接方式、防水構(gòu)造，直接給模板設(shè)計(jì)帶來了多個約束條件。構(gòu)件施工時，均需要經(jīng)歷模板清潔打磨→脫模劑噴涂→鋼筋籠整體安裝→合?！鷿仓炷痢撃ｉ_模等標(biāo)準(zhǔn)化流程，所以，引入機(jī)械化的操作是減少人工和成本、提高施工質(zhì)量的必要措施。

（2）模板材料：多艙大斷面預(yù)制綜合管廊體積大，例如依托工程構(gòu)件一次澆筑混凝土約18.5m3，模具受到的側(cè)壓力非常大，同時，標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件的多次生產(chǎn)，多艙預(yù)制管廊模具必須滿足周轉(zhuǎn)次數(shù)，需要加大模具的整體剛度。因此，模具全部使用鋼板，同時添加加勁肋，鋼模應(yīng)具備足夠的抵抗溫度變形和破壞的能力［3］，模具底板鋼板厚度≥5mm，側(cè)板厚度≥6mm，加強(qiáng)肋間距≤5cm。

（3）細(xì)部設(shè)計(jì)要點(diǎn)：為保證構(gòu)件連接緊密，在陰角模板與側(cè)墻體大模板連接處設(shè)置22mm寬、6mm厚的鋼板企口［4］，保證接縫平整、嚴(yán)密。為滿足生產(chǎn)需求，預(yù)埋防雷接地鋼板、PC鋼棒錨固件、螺栓、預(yù)應(yīng)力波紋管、錨具、張拉槽、灌漿孔、哈芬槽等預(yù)埋件均需與液壓可調(diào)式多艙預(yù)制管廊模具進(jìn)行合理連接與整體設(shè)計(jì)［5，6］，預(yù)埋件安裝與緊固需要同模板同步設(shè)計(jì)、同步施工［7］，一體化考慮。

（4）機(jī)械化設(shè)計(jì)原理：為簡化模具開、合模的工作，減少人工和人工操作的誤差，同時也是確保開、合模的位置精度，整個模具的開、合引入機(jī)械化操作和控制。整套模具的臨空面的外模板，下部固定在基座上［8］，設(shè)置軌道，可用水平千斤頂組（1組2個，行程10cm）推動開合，并作限位；每個內(nèi)腔設(shè)置多套液壓同步千斤頂，豎向同步千斤頂組（1組4個，行程約10cm）形成對頂模板進(jìn)行支撐托舉體系，如圖3所示；側(cè)模板依靠底座固定于頂模板上的同步千斤頂組（2組，1組2個，行程約10cm）形成斜向支撐體系。通過千斤頂?shù)纳炜s調(diào)節(jié)，緊固模板間陰陽接口的耦合。合模操作時，先頂升豎向支撐體系頂模就位，再側(cè)向頂進(jìn)油缸支撐，側(cè)模合模；開模操作時，先將側(cè)向千斤頂回油，側(cè)模打開，與混凝土分離，然后，豎向支撐千斤頂回油，頂模。設(shè)計(jì)時要考慮千斤頂因模板自重作用產(chǎn)生的荷載，同時考慮模板面與混凝土之間粘合力，經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)試驗(yàn)，該項(xiàng)目每個千斤頂處的頂升力約為80kN，千斤頂選用8t千斤頂。

2.模板施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）鋼結(jié)構(gòu)加工：模具鋼結(jié)構(gòu)的加工是影響整體模具成敗的關(guān)鍵，鋼板原材料定尺采購，確保大模板不采用鋼板拼接，進(jìn)場前必須按鋼結(jié)構(gòu)的有關(guān)規(guī)范和施工技術(shù)要求進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，并進(jìn)行噴砂等預(yù)處理；然后，采用鋼結(jié)構(gòu)下料軟件，同時考慮焊縫坡口等的預(yù)留用料，陰陽接口預(yù)留尺寸，對模板的各個用料進(jìn)行下料，然后采用數(shù)控機(jī)床精密開料，控制模具精度，確保模板的尺寸，模板棱邊、小半徑圓弧面務(wù)必采用相應(yīng)模具的壓板機(jī)進(jìn)行壓制，盡量開模一次成型；模板下料完成后，應(yīng)進(jìn)行法蘭盤的拼裝焊接，然后再進(jìn)行加勁肋的焊接，加勁肋由于成矩陣分布，焊接應(yīng)力復(fù)雜，容易造成模板表面變形，建議應(yīng)做試件進(jìn)行焊接順序研究［9］，多采用跳焊的方式，大模板加勁肋安裝完成后，應(yīng)進(jìn)行面板平整度檢測、調(diào)整，確保模板面平整光潔。模具生產(chǎn)過程必須由專業(yè)檢驗(yàn)人員按質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過程控制，檢查各部分間的連接緊固件是否完全緊固到位［10，11］。

（2）預(yù)埋件安裝注意事項(xiàng)：鋼筋骨架吊裝完畢后，再把哈芬槽等根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙位置安裝，并把內(nèi)模板上T型螺栓卡入哈芬槽后擰緊固定；接地預(yù)埋鋼板等根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙與環(huán)筋焊接；預(yù)埋鋼棒與套管、手孔、吊釘?shù)龋?2］預(yù)埋件務(wù)必按設(shè)計(jì)圖紙埋入成型模具，與模板固定，誤差不大于5mm，預(yù)埋件要固定牢固密封好，不能漏漿。如圖4所示，為智慧城管廊的液壓可調(diào)式多艙預(yù)制管廊模具成品。

圖3 液壓可調(diào)式多艙預(yù)制管廊模具Fig.3 Hydraulic adjustable multi-cabin prefabricated utility tunnel mould

圖4 液壓可調(diào)式多艙預(yù)制管廊模具Fig.4 Hydraulic adjustable multi-cabin prefabricated utility tunnel mould

3 多艙預(yù)制管廊模具有限元分析

3.1 概況

針對整體模具的初步設(shè)計(jì)，采用大型有限元軟件Midas Civil建立有限元模型，對模具進(jìn)行使用狀態(tài)下的力學(xué)分析，同時計(jì)算驗(yàn)證多艙預(yù)制管廊模具在澆筑混凝土?xí)r的穩(wěn)定性和變形。預(yù)制管廊模板均采用鋼模，模具選材為面板采用6mm-Q235鋼材，法蘭、筋板采用16mm-Q235板材加工［11］，根據(jù)管廊構(gòu)件外形尺寸及標(biāo)準(zhǔn)化分段分體情況，確定模具的各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行定制加工，特殊規(guī)格和外形構(gòu)件單獨(dú)定做。模具應(yīng)根據(jù)其壁厚和外形預(yù)留抗張尺寸，模具加工過程中根據(jù)其外形采用不同的加固措施。

根據(jù)使用狀態(tài)下各構(gòu)件的受力狀態(tài)，鋼面板模板采取殼單元，筋板采取梁單元建模，橫筋與豎筋之間采用“彈性連接”，模板底部封閉而采用施加約束［5］，模型如圖5所示。

圖5 液壓可調(diào)式多艙預(yù)制管廊模具有限元模型Fig.5 Finite element model of hydraulically adjustable multi-cabin prefabricated utility tunnel mould

3.2 模型計(jì)算結(jié)果

模具筋板、面板受力云圖分別如圖6、圖7所示。根據(jù)整體模具使用狀態(tài)下的建模計(jì)算分析結(jié)果，多艙預(yù)制管廊模具筋板最大拉應(yīng)力181.5MPa，最大壓應(yīng)力138.4MPa，最大變形1.43mm，面板最大有效應(yīng)力63.3MPa，最大變形1.43mm，均可滿足施工和規(guī)范要求，說明該多艙預(yù)制管廊模具在澆筑混凝土?xí)r能夠保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全。

圖6 筋板受力云圖Fig.6 Cloud diagram of stiffened plate

圖7 模具面板受力云圖Fig.7 Cloud diagram of panel plate

4 自動化設(shè)備配置

多艙預(yù)制管廊模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由多部分構(gòu)成，人工安裝精度有限，所以應(yīng)考慮自動化控制設(shè)備進(jìn)行拼裝，引入液壓機(jī)械臂開合模板設(shè)備代替人工操作，可使施工過程簡潔且模板安裝精度提高，因此在該模板設(shè)計(jì)時，考慮了中控設(shè)備和液壓系統(tǒng)，將液壓系統(tǒng)與液壓可調(diào)式多艙預(yù)制管廊模具之間的快速接頭連接好［13］，可精確控制模具開模、合模操作，提高生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語

本文以廣州市天河智慧城地下綜合管廊的預(yù)制生產(chǎn)為依托，研究混凝土大構(gòu)件整體模板的設(shè)計(jì)、仿真計(jì)算以及結(jié)構(gòu)預(yù)埋件等與模板的一體化設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：

1.整體鋼制組合大模板具有較高的可靠性和安全性，提高了模板裝拆效率，大大降低勞動強(qiáng)度。

2.整體鋼制組合大模板經(jīng)久耐用，可周轉(zhuǎn)次數(shù)多，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3.解決了多艙大斷面管廊的預(yù)制生產(chǎn)的模板設(shè)計(jì)方案等難題，推動了預(yù)制管廊的快速生產(chǎn)和預(yù)制。