新型智慧梁場移動式軌道鋼臺座設(shè)計計算分析及施工要點

■王文清

（福建省工大工程設(shè)計有限公司，福州 350000）

“十四五”期間，橋梁工程為我國國民經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了重要作用，尤其是裝配式橋梁具有生產(chǎn)效率高、便于品質(zhì)管理等優(yōu)勢，在交通領(lǐng)域運用越來越廣泛[1]。 預(yù)制梁場作為裝配式橋梁特有的大型臨時工程，承擔(dān)著梁片制造、存儲、轉(zhuǎn)運等多重功能，在工程設(shè)計與施工中頻繁使用[2]。 許多國內(nèi)外學(xué)者對梁場開展研究。 20 世紀90 年代，Tommelein[3]團隊開發(fā)了基于專家系統(tǒng)和人工智能法的場地規(guī)劃軟件，以此對施工場地布置進行研究。 王風(fēng)波[4]團隊運用MIDAS 有限元軟件建立預(yù)制梁場的三維仿真模型，分析不同工況下制梁鋼臺座對軟基造成不均勻沉降的差異性。戴必輝[5]團隊以哈大鐵路為依托，通過數(shù)據(jù)計算、試驗監(jiān)測，得出該項目預(yù)制梁場臺座沉降的合理參數(shù)取值，推導(dǎo)出地基不均勻沉降的變化規(guī)律。

目前的研究大多是對傳統(tǒng)預(yù)制梁場的底臺座固定的地基基礎(chǔ)、鋼臺座受力進行分析，而對新型智慧梁場移動臺座式預(yù)制場鮮有研究[6-8]。 基于此，本文依托福建山區(qū)某高速公路，對新型智慧梁場的移動式軌道鋼臺座進行創(chuàng)新設(shè)計，利用設(shè)計與施工平臺優(yōu)勢，將設(shè)計與施工進行深度融合，以期為實現(xiàn)山區(qū)高速公路建設(shè)工業(yè)化轉(zhuǎn)型，打造品質(zhì)工程標準化建設(shè)，提供參考。

1 工程概況

福建山區(qū)某高速公路某合同段起點 （K30+570）位于水升村北面，路線往北建鹽田港特大橋上跨鹽田港至牛頭嶼，設(shè)溪尾互通與縱一線連接，路線向北延伸至合同段終點下邳村，設(shè)下邳樞紐互通與沈海高速相接，終點樁號K33+807.299，路線總長3.237 km；主要工程包括特大橋1 座、互通2 處。

2 新型智慧梁場建設(shè)

項目智慧梁場設(shè)置在下邳互通主線路基與溪尾互通A 匝道上，標高7.5 m，長度439 m，占地面積約為14 048 m2；共分為信息控制中心、一體化鋼筋加工區(qū)、混凝土T 梁澆筑區(qū)、蒸汽養(yǎng)護區(qū)、預(yù)應(yīng)力張拉及壓漿區(qū)、存梁區(qū)等6 個區(qū)域。 項目投入T 梁鋼筋制作及安裝一體化智能加工設(shè)備、全自動液壓不銹鋼模板、自行式移動臺座、智能蒸養(yǎng)等新設(shè)備，在傳統(tǒng)建設(shè)施工技術(shù)上，依托施工標準化、智能化、信息化創(chuàng)新，打造“廠房內(nèi)施工作業(yè)、施工工序固定、施工區(qū)域循環(huán)、流水線作業(yè)”的全新預(yù)制模式。智慧梁場總平面布置如圖1 所示。

圖1 智慧梁場總平面布置

2.1 一體化鋼筋加工區(qū)

T 梁鋼筋一體化智能生產(chǎn)線分鋼筋成型中心、焊接中心、存儲運送中心、裝配中心4 個生產(chǎn)鏈，采用智能數(shù)控彎曲機與胎膜架相結(jié)合，輔以人工智能，將傳統(tǒng)的T 梁鋼筋制作及安裝工序進行系統(tǒng)整合，大大提高了作業(yè)效率，降低了勞動強度，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，較傳統(tǒng)鋼筋加工可節(jié)約60%的人工成本。

2.1.1 鋼筋成型中心

將原材存放區(qū)、鋼筋調(diào)直機、智能數(shù)控彎曲中心3 個生產(chǎn)區(qū)進行整合，形成鋼筋從原材到成品一體化生產(chǎn)鏈。 智能數(shù)控彎曲機通過人工智能預(yù)先設(shè)定鋼筋加工參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)梁片馬蹄筋及腹板箍筋從梁體一端至另外一端按順序排列，一次加工成型。

2.1.2 焊接中心

通過人工智能將馬蹄筋與腹板箍筋進行焊接固定，形成骨架片，具有自動定位、尺寸校準、自動識別焊接部位并實現(xiàn)自動焊接等功能，減少了鋼筋安裝好后尺量定位帶來的預(yù)應(yīng)力管道誤差，提高預(yù)應(yīng)力精準度。

2.1.3 存儲運送中心

具備存儲及自動運送功能，僅需將已加工好的成品鋼筋按順序依次擺放至貨架車上，人隨貨架車移動進行鋼筋安裝，無需成品鋼筋從存放區(qū)至綁扎安裝區(qū)二次倒運。

2.1.4 鋼筋組裝中心

腹板豎向鋼筋安放好后，再將水平構(gòu)造筋安放至牽引定位槽內(nèi)，矯正裝置前伸對腹板鋼筋頂部進行扶正，水平構(gòu)造筋自動定位裝置前伸，將水平筋頂推至與腹板豎向筋密接，并在交叉點進行自動點焊固定。

2.2 混凝土T 梁澆筑區(qū)

采用液壓不銹鋼模板，模板底部安裝移動裝置，通過液壓控制系統(tǒng)對模板拆合及橫坡度、長度實現(xiàn)自動化調(diào)整，大大節(jié)省模板拆裝時間，避免梁體缺邊掉角。 混凝土送料采用自動布料系統(tǒng)，減少了人工占有率，有效地保證了混凝土性能。 模板上設(shè)置附著式振搗器， 根據(jù)混凝土的澆筑順序及澆筑速度，一鍵控制振搗器啟停，實現(xiàn)混凝土自動振搗，避免混凝土漏振、過振，提高混凝土澆筑質(zhì)量。

2.3 蒸汽養(yǎng)護區(qū)

梁片拆模后通過自行式移動臺座將T 梁運至蒸汽養(yǎng)護室進行蒸養(yǎng)。 根據(jù)蒸養(yǎng)階段的濕度、溫度等環(huán)境要求，計算蒸養(yǎng)室的蒸汽發(fā)生器配置數(shù)量及性能規(guī)格。 在蒸養(yǎng)控制箱中加裝網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，利用手機端小程序?qū)崿F(xiàn)對蒸養(yǎng)參數(shù)的遠程控制，一旦發(fā)生數(shù)據(jù)偏差或質(zhì)量問題，系統(tǒng)自動預(yù)警并發(fā)送至管理人員，以便及時調(diào)整，確保蒸養(yǎng)質(zhì)量。

梁體蒸養(yǎng)養(yǎng)護分為升溫、恒溫、降溫3 個階段：（1）蒸養(yǎng)升溫階段：溫度急速上升，混凝土表面因體積膨脹過快易產(chǎn)生裂縫，因此控制升溫速度不高于15 ℃/h，升溫2～3 h 完成，以保證升溫與混凝土凝固發(fā)熱階段的變化趨勢一致；（2）恒溫階段：這是混凝土強度增長最快的階段，控制蒸汽養(yǎng)生恒溫溫度55～60 ℃，相對濕度保持90%～100%，恒溫18 h；（3）降溫階段：為避免蒸汽溫度驟然降溫而引起梁體混凝土產(chǎn)生裂縫變形，需嚴格控制降溫速度，降溫速度不高于10 ℃/h，降溫3～4 h 完成。

2.4 預(yù)應(yīng)力張拉及壓漿區(qū)

當梁體養(yǎng)生達到設(shè)計張拉條件時，從蒸養(yǎng)室移動梁體至預(yù)應(yīng)力張拉區(qū)。 通過智能張拉壓漿系統(tǒng)實時采集相關(guān)數(shù)據(jù)，超出標準時發(fā)出預(yù)警，追蹤異常數(shù)據(jù)，及時分析原因并采取措施，做到施工質(zhì)量全過程控制。

2.5 全過程信息化監(jiān)控

智慧梁廠設(shè)信息中心，輔助項目管理，對生產(chǎn)過程進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，匯總展示預(yù)制梁的歷史生產(chǎn)情況。 通過對預(yù)制構(gòu)件信息跟蹤、定位，結(jié)合現(xiàn)場視頻監(jiān)控系統(tǒng)， 實現(xiàn)在平臺直觀了解梁片生產(chǎn)進度、臺座及模板使用情況，監(jiān)控混凝土振搗工藝、梁片蒸養(yǎng)狀態(tài)，語音提醒現(xiàn)場的不安全行為等。

2.5.1 BIM 技術(shù)信息化

運用BIM 信息技術(shù)三維展現(xiàn)每片預(yù)制梁的制作，實現(xiàn)全過程工程信息及施工資料的動態(tài)追蹤歸檔，便于實時追蹤T 梁生產(chǎn)進度，實現(xiàn)T 梁生產(chǎn)效率信息化管控。

2.5.2 二維碼體系信息化

引進二維碼管理模塊，根據(jù)作業(yè)人員的個人信息、進場時間、安全教育培訓(xùn)記錄、安全交底記錄、違規(guī)記錄和機械設(shè)備的設(shè)備信息、 檢驗檢測情況、日常檢查、檢修、維護、保養(yǎng)記錄等內(nèi)容，為每個作業(yè)人員和機械設(shè)備生成獨立二維碼，并張貼在作業(yè)人員的安全帽及機械設(shè)備上，建立人員、設(shè)備二維碼管理體系，做到“一人（一機）一證”。 通過掃描二維碼可直觀呈現(xiàn)安全管理信息，人員和機械的管理完成由平面化向立體化的轉(zhuǎn)變，并能在施工現(xiàn)場在線添加設(shè)備檢查、維護保養(yǎng)記錄和人員違規(guī)作業(yè)等各項安全管理內(nèi)容，實現(xiàn)內(nèi)業(yè)資料建立與現(xiàn)場管理的實時對接與完善，使項目施工安全管理更加規(guī)范便捷，現(xiàn)場監(jiān)管更加高效，內(nèi)業(yè)信息全過程具有更強的可追溯性。

2.5.3 質(zhì)量安全協(xié)同管理標準化

運用移動端BV， 將現(xiàn)場施工情況錄入BIM 模型， 項目人員可直接通過模型查看現(xiàn)場施工情況，管控施工進度，具體流程如下：（1）檢查人員在施工現(xiàn)場或通過信息化平臺進行隱患排查， 發(fā)現(xiàn)問題后， 用移動端BV 拍照上傳系統(tǒng)并提醒相關(guān)人員整改；（2）相關(guān)人員收到整改信息，將問題整改完畢，并拍照上傳回復(fù)；（3）檢查人員查看整改后的照片，確認無誤之后結(jié)束本次協(xié)作；（4）管理人員可以在系統(tǒng)中查看安全生產(chǎn)隱患排查及風(fēng)險管控的處理流程，從而把控工程質(zhì)量。 預(yù)制T 梁技術(shù)的創(chuàng)新升級，有效地解決了施工行業(yè)高能耗、高風(fēng)險、低效率、低智能化的困境，而預(yù)制T 梁的移動式軌道鋼臺座的設(shè)計與基礎(chǔ)安全檢算是實現(xiàn)施工生產(chǎn)智能建造的關(guān)鍵。

3 移動式軌道鋼臺座設(shè)計計算

3.1 設(shè)計參數(shù)

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2019）[9]、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2017）[10]、《建筑工程大模板技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 74-2017）[11]等規(guī)范開展設(shè)計與驗算，計算內(nèi)容為地基土承載力、變形（沉降）驗算等。 移動式軌道鋼臺座斷面示意圖和實景圖如圖2～3 所示。

圖3 移動式軌道鋼臺座現(xiàn)場圖片

3.1.1 計算參數(shù)取值

（1）荷載取值

智慧梁場內(nèi)所有制梁、存梁臺座均為30 m T 梁和40m T 梁共用的自行式移動臺座，計算時可只考慮40 m T 梁臺座分布荷載情況。 g 取10 N/kg，40 m T 梁自重m=165 t，G1=1 650 kN；梁模板重45 t,G2=450 kN；梁移動臺座重26 t，G3=260 kN。 臺座基礎(chǔ)尺寸：長41 m，寬3 m，厚0.3 m，底面積123 m2，體積36.9 m3。

（2）土層參數(shù)

該處包含挖方和填方地段，挖方段地基承載力≥300 kPa,填方段壓實度≥96%，原地面地基承載力取300 kPa。

3.1.2 設(shè)計計算指標采用值

鋼材物理性能指標：彈性模量E＝2.06×105N/mm2，質(zhì)量密度ρ＝7 850 kg/m3；鋼材強度設(shè)計值：抗拉、抗壓、抗彎f＝215 MPa，抗剪fv＝125 MPa，C30 混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值fcd=14.3 MPa；容許撓度：鋼模板板面〔δ〕≤L1/1000，模板主肋〔δ〕≤L2/500，背楞〔δ〕≤L3/500，臺座面板平面度≤2 mm。

3.2 鋼臺座底模板設(shè)計受力計算

移動臺座底模板主要承受混凝土自重荷載。根據(jù)施工實際情況，分為2 類工況：工況一為梁片混凝土澆筑即將完成時，此時底模板承受的均布荷載最大。 工況二為梁片張拉完成后，由于張力將梁和底模張拉變形，梁片上拱，整片梁的荷載集中在梁片兩端。 采用ANSYS 17.0 大型有限元分析軟件進行建模分析與計算。 建模步驟包括：選擇分析模塊、創(chuàng)建有限元模型（創(chuàng)建和輸入幾何模型、定義單元類型、定義材料屬性、劃分網(wǎng)絡(luò)）、施加載荷并求解、查看結(jié)果（幾何實體模型在X 軸、Y 軸、Z 軸的應(yīng)力變形圖、單元應(yīng)力云圖）。 本項目移動臺座基礎(chǔ)計算長度40 m，每0.1 m 設(shè)1 個節(jié)點，共400 個單元，401 個節(jié)點。 模板選材用料如下：面板采用6 mm 厚201 不銹鋼鋼板，豎邊框采用12×100 mm熱軋Q235 帶鋼，橫肋采用[10#熱軋Q235 槽鋼，連接螺栓采用4.8 級M20×60 螺栓。

3.2.1 工況一

在此工況下，混凝土荷載F=55 kN/m2，振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的垂直荷載標準值取4 kN/m2，翼緣板總體壓力的設(shè)計值F1設(shè)=55×1.2+4×1.4=71.6 kN/m2，模板變形分析時采用新澆混凝土對翼緣板壓力的標準值F1標=55×1.0=55 kN/m2。 運用有限元軟件模擬混凝土澆筑，此時底模整體應(yīng)力分布和位移分布如圖4～5 所示。

圖4 澆筑時底模整體應(yīng)力分布圖

圖5 澆筑時底模整體位移分布圖

由計算結(jié)果可知， 澆筑時底模整體最大應(yīng)力σmax=76 MPa，模板主體部分應(yīng)力均小于鋼材強度設(shè)計值215 MPa；底模整體最大變形0.39 mm，小于臺座面板平面度2 mm， 可得在工況一下底模板的強度、剛度均能滿足施工要求。

3.2.2 工況二

運用有限元軟件模擬張拉后工況， 由計算可知，張拉后底模整體最大應(yīng)力σmax=81 MPa，模板主體部分應(yīng)力均小于鋼材強度設(shè)計值215 MPa；底模整體最大變形0.45 mm，小于臺座面板平面度2 mm，故在工況二下底模板的強度、剛度均能滿足施工要求。

3.3 鋼臺座基礎(chǔ)承載力設(shè)計計算

移動軌道承擔(dān)梁體預(yù)制及制梁完成后的支撐作用，并帶動梁體沿軌道縱向移動。 按照最不利工況起吊40 m T 梁考慮，40 m T 梁重力G1=1 650 kN，梁模板重力G2=450 kN，梁移動臺座重力G3=260 kN，砼施工時人力荷載按8 人計，澆筑時人力荷載G4=6 kN，臺座基礎(chǔ)重力G5=2.6×36.9×9.8=940.2 kN。

3.3.1 工況一

混凝土澆筑時對地基的最大壓力Fmax=G1+G2+G3+G4+G5=1650+450+260+6+940.2=3 306.2 kN，每m2對地基的壓力為：f=Fmax/A=3 306.2/123=26.9 kN/m2=26.9 kPa＜300 kPa；因此在工況一下，地基承載力滿足要求。

3.3.2 工況二

張拉后制梁臺座兩端受力， 受力面積A=3 m×3 m×2=18 m2；每m2對地基的壓力為：f=F/A=（1650+260）/18=106.1 kPa<300 kPa；因此在工況二下，地基承載力滿足要求。

4 移動式軌道鋼臺座基礎(chǔ)設(shè)計安全檢算

4.1 鋼臺座基礎(chǔ)設(shè)計安全檢算

智慧梁場使用起吊跨度31 m 的100 T 龍門吊， 額定功率60 kW/臺。 龍門吊軌道梁采用C30砼、基礎(chǔ)寬0.8 m、厚0.3 m，基礎(chǔ)砼底部設(shè)φ12@10×10 cm 鋼筋網(wǎng)片加強。 軌道截面尺寸寬0.5 m、高0.4 m，采用C30 砼澆筑，每隔12 m 處設(shè)置1 道斷縫，防止不均勻沉降造成軌道開裂。 軌道采用P50型鋼軌，基礎(chǔ)每隔1 m 安裝1 道預(yù)埋件，采用軌道壓板固定鋼軌。 龍門吊軌道梁見圖6。

圖6 龍門吊軌道梁現(xiàn)場圖片

4.1.1 吊裝重量

龍門吊負責(zé)吊裝30 m、40 m T 梁腹板、頂板鋼筋骨架。 混凝土澆筑時，滿裝料斗3 m2，合計約8 t,移動軌道約16 t，40 m 預(yù)制T 梁最大方量66 m2，約165 t。

4.1.2 荷載

龍門吊基礎(chǔ)尺寸如圖7 所示。按吊裝40 m T 梁最不利情況計算，T 梁最大重力N1=1 650 kN，龍門吊自重32 t，N2=320 kN。

圖7 龍門吊基礎(chǔ)尺寸（單位：cm）

4.1.3 復(fù)核

龍門吊軌道基礎(chǔ)承受輪壓荷載與地基反力的雙重作用。軌道荷載按1:1 傳遞至基底，實際承載底寬1 m，沿軌道方向按1.5 m 計算，龍門吊軌間距31 m，混凝土自重N3=12 kN。吊裝過程由2 臺龍門吊同時吊裝，單臺龍門吊由4 個輪子將荷載傳遞至基礎(chǔ)，以最不利位置起吊計算， 則單個輪子所受荷載Fmax=456 kN，基底長2 m，寬1 m，面積2 m2。龍門吊軌道梁受力如圖8 所示。

圖8 龍門吊軌道梁受力圖（單位：cm）

在每m2對地基的壓力為300 kPa，龍門吊地基承載力滿足要求。

4.2 鋼臺座基礎(chǔ)地基承載力安全檢算

對軌道式臺座基礎(chǔ)的地基承載力進行檢測，當?shù)鼗休d力不足300 kPa 時，應(yīng)換填處理。 100 t 龍門吊輪距7 m，安全系數(shù)1.2。 按照最不利工況起吊40 m T 梁考慮，40 m T 梁重力G1=1 650 kN，龍門吊自重G2=1 000 kN，單側(cè)基礎(chǔ)長9 m、寬度1.5 m，基礎(chǔ)底面積A=13.5 m2，單側(cè)臺座基礎(chǔ)體積V=9.18 m3，基礎(chǔ)重力G3=238.68 kN。 軌道梁地基承載受力如圖9 所示。

圖9 軌道梁地基承載受力示意圖

最大存梁時地基壓力Fmax=（G1+G2+G3×2）×1.2 =3 753 kN，在每m2對地基的壓力為139 kN/m2=139 kPa＜300 kPa；故龍門吊軌道基礎(chǔ)地基承載力滿足要求。

5 移動式軌道鋼臺座施工技術(shù)要點

（1）由于預(yù)制區(qū)是高填土地段，在龍門吊軌道基礎(chǔ)和臺座基礎(chǔ)分別設(shè)置沉降觀測點， 如圖10 所示。 龍門吊軌道每10 m 設(shè)置1 道，臺座分別設(shè)置梁端部、跨中、1/4 處、3/4 處位置。 根據(jù)沉降規(guī)律，前期每半個月至少進行1 次測量監(jiān)測，后期可適當調(diào)整至每月1 次，以保證龍門吊行走及臺座預(yù)拱度的正常。 同時建立觀測數(shù)據(jù)檔案，分析臺座沉降情況，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。 （2）臺座采用不銹鋼面板組成，頂部為6 mm 厚不銹鋼板或復(fù)合鋼板，臺座邊角預(yù)埋2 根縱向［5#槽鋼，并與臺面鋼板焊接固定。 槽鋼下為鋼筋骨架，預(yù)制臺座基礎(chǔ)縱橫向鋼筋焊接連成整體。 （3）為了保證橋梁的平整，按照設(shè)計要求在每個臺座上按二次拋物線設(shè)置10 mm 的反拱值，保證偏差在±2 mm 以內(nèi)。 臺座縱向間距大于2 倍的翼緣板寬度，臺座橫向凈間距設(shè)置為4 m，以便吊裝模板和移運梁體。 （4）龍門吊軌道基礎(chǔ)應(yīng)設(shè)置于地質(zhì)較好的地基上，開挖后人工整平，澆筑墊層，綁扎基礎(chǔ)鋼筋，安裝模板并加固，澆筑砼時注意預(yù)埋件的位置準確。 龍門吊軌道基礎(chǔ)完成后，通過測量人員放出的鋼軌中心線及時安裝軌道，確保線型順直。 軌道鋼軌縱向連接采用連接板，并安裝高強螺栓進行加固；鋼軌和基礎(chǔ)砼面的加固采用預(yù)埋壓板固定。 鋼軌安裝完成后，在鋼軌縱向兩端安裝行走限位器。軌道鋪設(shè)時將軌道焊接為整體式長軌，并將焊縫打磨平整，以減少臺座移動過程中對梁體的損傷。

圖10 臺座基礎(chǔ)觀測點

6 結(jié)語

運用ANSYS17.0 有限元軟件模擬法和理論公式法，分別對梁片混凝土澆筑即將完成和梁片張拉完成后2 種工況下的移動臺座底模板應(yīng)力及軌道式移動臺座基礎(chǔ)承載力進行設(shè)計計算，并對移動式軌道臺座基礎(chǔ)應(yīng)力及基礎(chǔ)地基承載力進行安全檢算，校核地基的強度、剛度、穩(wěn)定性。 實踐證明，基礎(chǔ)及移動鋼臺座能很好地滿足施工過程的安全性和可靠性要求。 智慧梁場的智能建造，高度契合了高質(zhì)量發(fā)展模式的要求， 采用合理的技術(shù)創(chuàng)新對策，將數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)與傳統(tǒng)建設(shè)技術(shù)相融合， 形成面向的施工生產(chǎn)智能建造技術(shù)體系，對其他類似工程有指導(dǎo)意義。