提高預(yù)制三鉸拱安裝精度的工藝研究

徐文瑋

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 研究背景

在大型的預(yù)制拱形結(jié)構(gòu)中，為了方便制作和運輸，一般采用三鉸拱的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。整個拱形結(jié)構(gòu)由1個拱頂節(jié)點和2個拱腳節(jié)點組成。三鉸拱由2個完全相同的預(yù)制拱板安裝而成[1-3]。

圖1 預(yù)制三鉸拱結(jié)構(gòu)

預(yù)制構(gòu)件的定位裝置由位于左跨和右跨拱頂處的螺栓底座和對拉螺栓組成[4]，如圖2所示。在現(xiàn)場安裝三鉸拱時，首先在拱頂位置畫出中心線，然后臨時固定左跨，當(dāng)右跨的中心線與左跨中心線重合，并且兩跨的螺栓底座中心線重合時，用對拉螺栓連接左跨和右跨完成安裝。

圖2 拱頂定位裝置

對于跨度較小的三鉸拱結(jié)構(gòu)而言，上述工藝對預(yù)制三鉸拱的成拱精度影響較小，能滿足精度要求。但對于跨度超過20 m的大型預(yù)制三鉸拱結(jié)構(gòu)而言，上述定位工藝將造成整體三鉸拱的軸線偏差超過設(shè)計值，對拱結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生較大影響，上述方法的局限性愈發(fā)明顯，研究新型定位工藝對保證三鉸拱結(jié)構(gòu)安裝精度有著重要的實際意義。

2 研究思路

從上述分析可知，預(yù)制三鉸拱結(jié)構(gòu)的成拱精度與拱頂端面的垂直度、左跨與右跨的中心線重合程度均有關(guān)系。提高預(yù)制三鉸拱的整拱安裝精度應(yīng)從上述2個主要影響因素進行考慮。

拱頂端面由混凝土結(jié)構(gòu)組成，混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑過程中由于收縮、氣泡和脫模等原因，表面相對粗糙且平面度低，在精確安裝時不宜作為定位面。而鋼鐵構(gòu)件表面通過軋制或者機加工而成，表面精度較高，因此在新的定位工藝?yán)?，采用凸出的鋼鐵面代替原工藝中的混凝土面作為定位面。同時為了提高鋼鐵面相對于拱軸線的垂直度，在設(shè)計模具時，使用機械定位方法控制預(yù)埋鋼鐵面與拱軸線的垂直度，實現(xiàn)預(yù)埋鋼鐵面能嚴(yán)格垂直拱軸線，如圖3所示。

圖3 采用預(yù)埋鋼鐵面作為拱頂定位面

為使左跨中心線與右跨中心線能夠最大程度地重合，僅靠現(xiàn)有的畫線方式不能保證共線精度。須采用預(yù)埋銷孔和定位銷的方式保證左跨中心線和右跨中心能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的重合。預(yù)埋銷孔的埋設(shè)精度對共線精度影響較大。當(dāng)偏差較大時，不僅導(dǎo)致定位銷無法正常安裝，還可能導(dǎo)致左跨拱頂端面與右跨拱頂端面無法貼合形成穩(wěn)定的受力面。在預(yù)埋鋼板內(nèi)制作銷孔時，采用機加工方式保持銷孔軸線與預(yù)埋鋼板面的垂直度，實現(xiàn)銷孔軸線嚴(yán)格垂直于預(yù)埋鋼板面。銷孔與定位銷的配合精度同樣對安裝有較大的影響。為了保證左跨與右跨的成拱精度，希望銷孔與定位銷之間采用緊配合，但采用緊配合后需要現(xiàn)場能夠精細(xì)調(diào)整左跨和右跨的位置，對現(xiàn)場的安裝設(shè)備和安裝工藝有不利影響。因此需要綜合考慮定位精度和安裝效率之間的平衡：在工廠預(yù)制時，加工條件好，采用緊配合；在現(xiàn)場安裝時，為了提高安裝效率，采用精度稍低的松配合。

3 提高預(yù)制三鉸拱結(jié)構(gòu)安裝精度的主要措施

3.1 控制拱頂端面垂直度

控制拱頂端面垂直度包括三部分內(nèi)容：首先要控制模具內(nèi)拱頂端板自身的平面度；其次要控制模具內(nèi)拱頂端板上的定位孔相對于模具內(nèi)拱頂端板的垂直度；最后要控制模具內(nèi)拱頂端板相對于拱軸線的垂直度。

在加工模具內(nèi)拱頂模具端板和預(yù)埋鋼板時，模具內(nèi)拱頂端板與預(yù)埋鋼板接觸面采用機床銑削而成，表面粗糙度精度高，具備定位基準(zhǔn)面的功能，保證自身平面度的精度要求。以上述加工面為定位基準(zhǔn)，在模具拱頂端板和預(yù)埋鋼板內(nèi)加工高精度的通孔，孔的直徑公差采用H8，孔與基準(zhǔn)面的垂直度誤差不超過0.2 mm。

預(yù)制件的模具如圖4所示，在制作模具時，使用激光設(shè)備切割出拱結(jié)構(gòu)的底面，精度誤差不超過0.2 mm，保證預(yù)制件的軸線精度高。在加工模具拱頂端板的安裝止口時，使用機床在預(yù)制件模具上加工出安裝止口。安裝止口垂直于拱結(jié)構(gòu)的軸線，在安裝模具拱頂端板時，以上述安裝止口為安裝基準(zhǔn)，使模具拱頂端板的加工面靠緊安裝止口，實現(xiàn)模具拱頂端板嚴(yán)格垂直于拱軸線，如圖5所示。

圖4 預(yù)制件模具

圖5 模具拱頂端板垂直于拱軸線

3.2 預(yù)埋銷孔的定位精度

為保證預(yù)埋鋼板的放置精度，以模具拱頂端板上的孔作為定位基準(zhǔn)，使用緊配合的車間定位銷對預(yù)埋鋼板進行定位，車間定位銷和孔的配合精度為H8/h7。

在放置預(yù)埋鋼板時，如圖6所示，預(yù)埋鋼板加工面和模具定位鋼板的加工面貼緊，依靠緊配合的車間定位銷實現(xiàn)預(yù)埋鋼板的定位。

圖6 預(yù)埋鋼板的精確定位

在澆筑混凝土前，在模具拱頂端板的加工面上敷設(shè)隔離材料，保證混凝土面低于預(yù)埋鋼板面，如圖7（a）所示?；炷翉姸冗_到設(shè)計值時，拔出車間定位銷，預(yù)制構(gòu)件脫模，預(yù)埋銷孔的最終位置如圖7（b）所示。

圖7 預(yù)埋銷孔的最終定位

通過上述工藝措施，安裝止口的定位精度依次傳遞至模具拱頂端板、預(yù)埋鋼板加工面和定位銷，最終實現(xiàn)預(yù)埋銷孔的精確定位。

3.3 現(xiàn)場安裝精度控制

在現(xiàn)場安裝過程中，通過定位銷將左跨半拱的預(yù)埋銷孔和右跨半拱的預(yù)埋銷孔連接后實現(xiàn)左跨半拱和右跨半拱的定位。在模具上制作預(yù)制構(gòu)件時，為了精確控制預(yù)埋銷孔的位置，使用了緊配合的車間定位銷。但在現(xiàn)場安裝時，如果仍然使用緊配合的車間定位銷，將造成在現(xiàn)場安裝過程中對右跨半拱需要有精確控制姿態(tài)的能力以實現(xiàn)緊配合定位銷的順利穿入。上述過程不僅對現(xiàn)場安裝設(shè)備要求高，實施困難，同時由于緊配合定位銷穿入過程緩慢，影響施工效率?；谏鲜隹紤]，在現(xiàn)場安裝過程中，在滿足安裝精度的前提下，使用松配合的安裝定位銷，安裝定位銷和預(yù)埋銷孔采用容易拆卸的間隙配合H8/f8，實現(xiàn)既能滿足設(shè)計安裝精度要求，又能快速安裝的效果。

4 新型預(yù)制三鉸拱安裝工藝流程

在制作預(yù)制半拱時，使用同一套模具在預(yù)制工廠內(nèi)進行制作，預(yù)埋銷孔的安裝精度保持在同一精度水平。當(dāng)預(yù)制半拱運輸至現(xiàn)場后，首先使用吊裝設(shè)備將左跨半拱放置在安裝胎架上，并在拱頂?shù)念A(yù)埋銷孔內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場定位銷，如圖8（a）所示，然后移動右跨，使得左跨上的安裝定位銷穿入右跨的預(yù)埋銷孔內(nèi)，如圖8（b）所示，最終的狀態(tài)如圖8（c）所示。

圖8 預(yù)制三鉸拱的安裝工藝流程

5 新型定位工藝的應(yīng)用

上海軌道交通15號線吳中路站的拱形頂板為疊合結(jié)構(gòu)，拱形結(jié)構(gòu)跨度的最大值為21 m，疊合結(jié)構(gòu)的預(yù)制部分采用預(yù)制三鉸拱結(jié)構(gòu)，預(yù)制構(gòu)件總質(zhì)量為34 t。預(yù)制件的制作和安裝使用了本文提出的預(yù)制構(gòu)件定位安裝工藝。

工地應(yīng)用證明，使用新型定位工藝進行大型預(yù)制三鉸拱的安裝作業(yè)，不僅定位精度高，軸線偏差不超過10 mm，遠低于設(shè)計要求的偏差限值，而且施工快速便捷，每班可安裝5榀預(yù)制三鉸拱結(jié)構(gòu)。新型定位工藝為大型拱結(jié)構(gòu)安裝提供了更高效的施工解決方案。

6 創(chuàng)新點

首先，采用安裝止口控制模具的拱頂側(cè)板垂直度，保持模具內(nèi)的拱頂側(cè)板能夠嚴(yán)格垂直于拱底邊線。其次，采用緊配合定位銷的方式，以模具內(nèi)拱頂側(cè)板為基準(zhǔn)定位預(yù)埋銷孔，保持預(yù)埋銷孔的端面能夠嚴(yán)格垂直于拱底邊線，預(yù)埋銷孔的孔軸線嚴(yán)格垂直于模具內(nèi)的拱頂側(cè)板，從而實現(xiàn)預(yù)埋銷孔的端面嚴(yán)格垂直于拱軸線。最后，在現(xiàn)場進行成拱安裝時，使用比模具定位銷低一級的松配合定位銷作為安裝定位銷，在滿足成拱精度的前提下實現(xiàn)快捷安裝。

7 效益與應(yīng)用前景

本文提出的新型預(yù)制三鉸拱定位工藝適用于在工地現(xiàn)場安裝跨度超過20 m的大型預(yù)制三鉸拱結(jié)構(gòu)，不僅能夠精確控制拱頂端面和預(yù)埋銷孔的位置，還能實現(xiàn)現(xiàn)場快速安裝預(yù)制三鉸拱，安裝精度遠高于設(shè)計要求。該工藝根據(jù)誤差傳遞原理，以預(yù)制構(gòu)件模具的拱軸線作為精度控制起點，依次通過控制模具拱頂端板和定位銷，最終實現(xiàn)了預(yù)埋銷孔的精確定位，避免了以往靠螺栓定位預(yù)埋銷孔出現(xiàn)的定位精度低、安裝誤差大的問題。該工藝符合綠色建造的可持續(xù)發(fā)展理念，社會、經(jīng)濟和環(huán)保效益顯著，適用于各類拱形構(gòu)件的安裝，具有非常廣闊的市場應(yīng)用前景。

8 結(jié)語

本文通過分析現(xiàn)有定位方法在大型預(yù)制三鉸拱現(xiàn)場安裝中存在的問題，綜合考慮了模具內(nèi)拱頂端板、預(yù)埋銷孔、定位銷對定位精度的影響，提出了以拱軸線為定位基準(zhǔn)，依次控制拱頂端板、定位銷、預(yù)埋銷孔的定位精度，同時為了提高現(xiàn)場安裝效率，使用了松配合的現(xiàn)場定位銷實現(xiàn)現(xiàn)場快速安裝。上述定位工藝不僅定位精度高，預(yù)埋銷孔位置準(zhǔn)確，同時施工快速便捷，效率高，經(jīng)濟性好，尤其適用于跨度超過20 m的大型預(yù)制拱形結(jié)構(gòu)的定位，為大型預(yù)制拱形結(jié)構(gòu)的安裝施工進行了有益探索。