混凝土結構用成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)研究

陳兆榮

上海建工建材科技集團股份有限公司 上海 200086

近年來工業(yè)化建筑飛速發(fā)展，很多城市和地區(qū)建筑的裝配率高達70%，國家以及相關政府部門不斷出臺政策推進裝配式建筑持續(xù)向好發(fā)展，基于此前提，建筑混凝土結構用成型鋼筋籠加工、配送、裝配、管理等技術也得到了相應的發(fā)展。

隨著GB/T 29733—2013《混凝土結構用成型鋼筋制品》標準的頒布，相關行業(yè)標準、地方標準、團體標準也陸續(xù)起草、頒布，對成型鋼筋籠在工程中的裝配應用起到了很大的推動作用。

成型鋼筋籠在建筑工程中的逐漸應用給鋼筋工廠管理、加工、配送成型鋼筋籠帶來了新的研究課題。為了保證成型鋼筋籠使用下建筑工程的施工效率，必須提升成型鋼筋籠管理、加工、運輸技術，助力建筑工業(yè)化向自動化、智能化、低碳綠色轉(zhuǎn)型。

成型鋼筋籠配送是將已加工的成型鋼筋以梁、柱、板構件按照施工計劃進行編號包裝或組配送達指定工程目的地，從而實現(xiàn)工廠化、標準化、商品化和專業(yè)化成型鋼筋籠加工與施工現(xiàn)場的對接。

發(fā)達國家的鋼筋商品化配送已經(jīng)相當普及，配送管理技術也比較先進，現(xiàn)代化的鋼筋加工廠分布范圍廣，如意大利、德國等國家開發(fā)了鋼筋骨架加工設備，建立了鋼筋骨架預制、配送和現(xiàn)場安裝一體化技術體系。結合國際經(jīng)驗和國內(nèi)建筑行業(yè)發(fā)展方向，商品鋼筋以集群化加工結合物流的形式配送技術是未來的發(fā)展趨勢[1-10]。

1 成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)設計

1.1 成型鋼筋籠結構類型研究

裝配式成型鋼筋骨架是以承臺、樁、梁、柱、剪力墻、樓板等復雜三維成型鋼筋骨架為主，適用于混凝土結構工程中鋼筋的加工、配送、施工及驗收[11]。

目前，建筑成型鋼筋籠主要分為三大類：梁、柱、墻板，這三類在工程施工中采用裝配施工方式，操作比較快捷方便且結構安全性較好。

受限于成型鋼筋籠運輸技術發(fā)展水平，配送運輸存在不可控因素，如運輸方式、裝車與卸貨過程成品保護、運送時間段路線路況信息和地方交通法規(guī)限制，以及供應是否及時、過程質(zhì)量控制是否得當?shù)萚12]。

工程常采用的鋼筋籠形式如圖1所示，由于需要給現(xiàn)場安裝工作留設插筋，鋼筋籠的尺寸往往會超實際結構長度，因此在設計運輸工裝時要在交通限制尺寸內(nèi)盡可能地保證有較大的運輸空間。

圖1 梁、柱、板鋼筋籠

1.2 成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)設計思路

成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)是將鋼筋加工廠與施工現(xiàn)場串聯(lián)的紐帶，為了確保運輸配送的安全性和運輸效率以及現(xiàn)場施工裝配效率，成型鋼筋籠的配送工裝應具有梁、柱、墻板這3種類型鋼筋籠的兼容性。因此，配送工裝系統(tǒng)宜結合動力系統(tǒng)采用可調(diào)組合式空間，分別設置頂層可調(diào)空間、中間層可調(diào)空間，底層空間為固定或可調(diào)式，根據(jù)所需配送的鋼筋籠類型、截面尺寸、長度等參數(shù)進行裝載空間的分配。

前期針對梁、柱、板鋼筋籠展開鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)的調(diào)研，考慮到道路運輸法規(guī)限制，最終確定運輸成型鋼筋籠構件的最大尺寸為：長度方向6～9 m，寬度方向最大裝載寬度2.5 m，單個構件最大裝載高度1.5 m。為了更好地實現(xiàn)空間自由組合，且保證工裝系統(tǒng)能與運輸車輛快速進行安全、可靠的結合，研究人員試圖設計出一種開放的集裝箱式空間自由組合成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)。在初期進行的運輸工裝系統(tǒng)空間組合概念設計見圖2。

圖2 運輸工裝系統(tǒng)空間組合概念設計

2 成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)設計與計算分析

2.1 成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)設計

依據(jù)初期運輸工裝系統(tǒng)組合空間概念設計以及大量的工程和運輸方案調(diào)研，最終確定成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)設計采用分層鋼框架箱體的形式，底層裝載空間固定，中間和頂層裝載空間為可調(diào)高度的結構形式，整個箱體長度為10.50 m，與標準運輸車輛長度相匹配，寬2.95 m，高2.80 m，整體裝車后滿足道路運輸限高、限寬的要求。

成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)主體結構主要由鋼框架箱體、2層平臺、3層平臺組成，采用型鋼焊接制作，電控系統(tǒng)設置在靠近車頭的一端，主要包括電控柜和蓄電池組、驅(qū)動電機、伺服電機操作面板放置在箱體外側(cè)，手動調(diào)控集裝箱升降平臺及平臺開合機構。底層平臺采用型鋼等距焊接固定；2層為固定平臺，主要結構構成包括固定式軌道、滾輪桿件以及驅(qū)動電機；3層為可升降平臺，主要結構構成包括升降機、可升降軌道、滾輪桿件、驅(qū)動電機、伺服電機等其他零部件。

箱體頂部設置有起吊的吊耳，整個工裝與運輸車輛結合采用集裝箱腳鎖固定模式（圖3）。

圖3 集裝箱式運輸工裝系統(tǒng)結構組成

平臺通過設置可行走的滾輪起到成型鋼筋籠支撐的作用，2層和3層的平臺打開時，通過電機控制滾輪桿件沿軌道向另一端滑動展開作裝載平臺，關合時滾輪桿件沿軌道反向運動收攏，收攏后的滾輪桿件占據(jù)1 m左右的水平收納空間。

3層設置為可升降高度的裝載平臺，通過升降機電機驅(qū)動3層軌道帶動滾動絲桿同步上下運動以調(diào)整高度，升降高程為0.35～1.00 m，在箱體的縱向框架柱上設置有定位插孔，軌道上升到需要的高度后采用定位銷進行定位，與升降機共同支撐3層平臺。升降平臺可顯著提高2層和3層的存儲利用率。

運輸工裝系統(tǒng)控制端頭主要實現(xiàn)2個功能的操作：2層、3層平臺的開合；3層平臺的升降。平臺的開合是通過電機帶動滾輪在軌道上行走（圖4），驅(qū)動滾輪與第1個滾輪之件通過鋼絲繩連接，驅(qū)動滾輪帶動第1個滾輪行走，因鋼絲繩長度有限，行走1.4 m或1.5 m后停止行走，從而帶動第2個滾輪行走，依次類推將所有滾輪展開，滾輪上安裝的支撐圓管形成一個可承重的平臺。起吊鋼筋籠截面尺寸超過1 m且長度和體型較大時2層閉合，采用1層平臺與3層平臺組合的方式運輸。

圖4 平臺開合機構控制滾輪開合

3層升降平臺的升降是通過滾珠絲杠驅(qū)動（圖5），由伺服電機向升降機設備提供動力，實現(xiàn)3層平臺0.5～ 0.9 m之間的升降。在完成升降后，將定位銷插入相應的銷孔并鎖緊，完成升降動作，升降機考慮速度、效率、驅(qū)動源、載重以及行程的余量，最終確定選用J010型號便可滿足運輸需求。

圖5 升降平臺機構

制作完成后的運輸工裝支架參數(shù)如下：底層可存放鋼筋籠尺寸為2.3 m×9.0 m×1.0 m，2層可存放鋼筋籠尺寸為2.3 m×9.0 m，3層可存放鋼筋籠尺寸為2.4 m×9.8 m，2層可調(diào)高度范圍為0.3～0.7 m，3層可調(diào)高度范圍為0.5～0.9 m，平臺展開/收回時間為40～60 s，3層升降檔距為0.1 m/檔，3層升降一檔時間為5～10 s，單層承載能力為1.5 t。

2.2 成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)結構安全性計算分析

成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)對用于支撐鋼筋籠的圓形桿件進行結構安全性驗算，以校驗承載力以及受壓變形，按單層放置最大鋼筋骨架1.5 t計算，計算過程及結果如下：

1）單層成型鋼筋籠支撐管設計。

依據(jù)設計要求分析計算概況，單跨梁形式為簡支梁圓管80 mm×5 mm，材質(zhì)為Q235，荷載受力形式為均布荷載，受力件基本參數(shù)長度L＝2.5 m，均布力恒載：1.5×10/5/2.5＝1.2 kN，活載：0.1 kN，x軸塑性發(fā)展系數(shù)γx取1.05，梁的撓度控制[v]取L/250。標準值為1.30 kN，設計值qd＝1.58 kN，截面特性：Ix＝83.203 cm4，Wx＝41.601 cm3，Sx＝1 cm3，G＝9.248 kg/m，翼緣厚度tf＝5 mm，腹板厚度tw＝5 mm，最大彎矩Mmax計算值為1.23 kN·m。強度及剛度驗算結果：彎曲正應力σmax＝28.26 N/mm2＜抗彎設計值f＝215 N/mm2，支座最大剪應力τmax＝4 N/mm2＜抗剪設計值fv＝125 N/mm2，跨中撓度相對值v＝L/648＜撓度控制值[v]＝L/250，滿足設計要求。

2）2層走行梁設計。

依據(jù)設計要求分析計算概況，單跨梁形式為簡支梁，荷載受力形式為集中荷載，受力件長度L＝10/3.4＝2.9 m，均布力恒載1.5×10/5/2＝1.5 kN，活載0.1 kN，鋼材為Q235，截面尺寸150 mm×75 mm×5 mm×7 mm的H型鋼，標準值為1.6 kN，設計值qd＝1.94 kN，截面特性Ix＝642.02 cm4，Wx＝85.6 cm3，Sx＝49.09 cm3，G＝13.58 kg/m，翼緣厚度tf＝7 mm，腹板厚度tw＝5 mm，x軸塑性發(fā)展系數(shù)γx取1.05，梁的撓度控制[v]＝L/250，最大彎矩Mmax＝Pd×c/L×（2×a＋b）＝1.69 kN·m。強度及剛度驗算結果：彎曲正應力σmax＝18.83 N/mm2＜抗彎設計值f＝215 N/mm2，支座最大剪應力τmax＝3.58 N/mm2＜抗剪設計值fv＝125 N/mm2，跨中撓度相對值v＝L/3 576.2＜撓度控制值[v]＝L/250，滿足設計要求。

3）3層走行梁設計。

3層走行梁為可升降走行梁，設計中每根走行梁僅有兩端支點變形量大，因此增加桁架結構，將變形量控制在要求范圍內(nèi)，通過三維模型分析驗證結論。走行梁選材為截面150 mm×75 mm×5 mm×7 mmH型鋼和50 mm×50 mm×3 mm方管，Q235鋼材，建立三維模型進行應力、撓度、安全系數(shù)分析，分析結果見圖6。

圖6 行走梁模擬分析云圖

通過模型分析發(fā)現(xiàn)彎曲正應力σmax＝35.43 N/mm2＜抗彎設計值f＝215 N/mm2，跨中撓度相對值v＝L/5 170.8＜撓度控制值[v]＝L/250，滿足設計要求。

4）工裝箱體吊耳設計。

圖7（a）為板孔式吊耳的基本形式，即單板孔吊耳；圖7（b）為板孔式吊耳在受外力作用下孔壁承壓應力分布情況；圖7（c）為板孔式吊耳板孔強度不夠，吊耳板被撕裂的主要失效形式示意。

圖7 吊耳計算

板孔失效時是由于吊軸與板孔接觸所形成的接觸壓應力過大，不是造成接觸處壓潰，而是吊耳在外力的作用下對吊耳板進行的剪切作用引起的。所以吊裝工程中常用拉曼公式來對吊耳板孔進行抗剪強度校驗。拉曼公式板孔校核表達式為：

吊耳板孔強度滿足要求。此外對于升降機的承載力和支承力也進行了驗算和分析，所選型號可滿足大部分工程鋼筋籠的運輸需求。

通過以上計算分析，表明該運輸工裝系統(tǒng)具有較好的結構安全性，適用于大部分工程梁、柱、板成型鋼筋籠的運輸。

3 結語

基于空間分配組合，同時借鑒集裝箱運輸?shù)膬?yōu)點，研究出一種可集成運輸混凝土結構用梁、柱、板成型鋼筋籠的工裝系統(tǒng)，該工裝系統(tǒng)共設置3層裝載空間，采用電控操作面板進行裝載平臺的開合，通過電控裝載平臺升降設備升降3層裝載平臺，從而調(diào)整中間層以及頂層裝載空間的大小以適應不同工程類型所需運輸鋼筋籠的尺寸和形式。通過計算分析了工裝系統(tǒng)的運輸承載力、變形和吊耳起吊剪切力，論證了該套系統(tǒng)結構設計滿足了運輸?shù)难b載需求且工程適用性良好。電控操作簡化了裝車工人的工作方式，在節(jié)省人力的同時也具有較好的安全性。該工裝系統(tǒng)采用開放式空間設計更有利于裝卸，整體提升了建筑工程中成型鋼筋籠的運輸效率和安全可靠性，成型鋼筋配送產(chǎn)業(yè)具有非常好的工程應用前景。