裝配式上下分體節段管廊的廠內生產鋼模板設計研究*

宋琢 張迪 王賢鵬 鄭小紅

1.廣州市市政工程機械施工有限公司 510060

2.華南理工大學土木與交通學院 廣州510640

引言

裝配式建造因其具有高效率、高環保、高品質和低污染等優勢而逐漸成為建筑行業的新主流。近年來，國內學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性能和經濟差異，結構和節點抗震性能，構件預制生產、裝配安裝以及節點防水等施工技術，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例，但由于行業沒有標準化設計和造價的適用性等問題，裝配式施工技術仍沒有被廣泛應用到綜合管廊的建設中，裝配率難以在50%以上。多艙大斷面管廊裝配式技術具有生產、安裝技術復雜，施工過程控制嚴謹等特點。其中，生產階段的模板選擇與構件質量、工程造價和裝配技術等密切相關，也是制約整個管廊預制裝配成敗的關鍵環節，在國內外相關的研究中比較少。基于此，為推動裝配式技術更加簡潔、合理、經濟，以及推廣預制綜合管廊建設在全國范圍內的應用，本文以廣州市天河智慧城地下綜合管廊項目為依托，詳細介紹上下分體式裝配式綜合管廊預制構件生產模板的設計計算。

1 預制構件節段長度的選擇

構件的尺寸確定了模板的尺寸，設計階段對于預制構件尺寸的考慮較少，仍需在廠內生產階段深化設計。多艙大斷面分體式節段拼裝綜合管廊是指將多艙大斷面預制綜合管廊的混凝土節段拆分為上下分體式構件，在工廠內加工生產，再運輸到工地現場吊裝和安裝［2］。施工方法較為先進，但需具備一定規模的構件加工預制工廠和大噸位的運輸機具及吊裝設備，施工技術要求相對較高。預制管廊在工廠內完成標準化生產，對生產工藝、設備的先進性、模具的精密度、成品和半成品質量的試驗檢測都提出了高標準與高要求。多艙大斷面綜合管廊一般高度較高，由于城市運輸的限高一般在5m內，所以宜將綜合管廊作上下分體式部件，以減少運輸高度和運輸重量，也簡化廠內預制生產的工作。

對于節段長度的選擇，關系到整個預制生產的工藝、相關設備等整個系統工程，構件過長則會增加預制生產的難度，增加運輸和安裝的重量；過短則會增加接縫的數量，不僅增加造價，也給結構防水帶來較多的風險點。宜從下面三個方面確定節段長度：

（1）根據節段管廊部件在運輸車輛上的放置方式確定：大斷面管廊一般橫向寬度在10m以上，因此，宜直接將10m長管廊構件縱向放置在車輛上。但運輸車輛一般運輸寬度不宜超過3m；因此應將管廊構件縱向寬度控制在3m以內。

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

（3）根據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件重量，構件重量不宜過大。一般控制在30t～50t范圍內。

綜上所述，從設計合理、生產簡潔、施工方便、質量控制、造價節約等因素考慮，節段長度選擇宜為2.4m。天河智慧城地下綜合管廊項目三艙最大斷面預制節段尺寸為：10.0m（長）×2.4m（寬）×1.8m（高），重量約為43t。

2 整體鋼模板的設計

2.1 模板的設計概況

為保證多艙大斷面預制綜合管廊上下分體結構生產不受場地地基等影響，對液壓可調式多艙預制管廊模具裝備擴大基礎處理，即設置模具基座。以三艙管廊為例，模具基座如圖1所示。

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

多艙預制綜合管廊具有大斷面、自重大、結構復雜的特點，對模具精度有非常高的要求，構件半成品的生產精度直接關系到后期拼裝施工的安裝精度和結構防水，是預制管廊裝配的關鍵環節。按結構設計要求，多艙預制管廊模具可分為：底座、內模、外模、端模。模具安裝過程繁瑣，生產時需要反復開模合模，同時模板的接縫部位數量多，靠人工操作難以保證安裝精度，所以必須機械化自動化控制，即可在整體模具內同步設計液壓可調式控制系統，將精度從厘米級提高到毫米級，實現接口緊密結合，高精度、高效率生產安裝。液壓可調式多艙預制管廊模具設計如圖2所示。

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

2.2 多艙預制管廊整體模具結構設計和施工要點

1.結構設計要點

（1）模板設計概況：智慧城管廊工程預制管廊采用上下分體的構件預制，現場拼裝成節段管廊后，再逐節裝配連接成整體，由于這種工藝設計的要求，施工的關鍵點在于上體分體構件的連接，前后節段構件的連接。由于這種連接帶來的施工縫間的連接方式、防水構造，直接給模板設計帶來了多個約束條件。構件施工時，均需要經歷模板清潔打磨→脫模劑噴涂→鋼筋籠整體安裝→合模→澆筑混凝土→脫模開模等標準化流程，所以，引入機械化的操作是減少人工和成本、提高施工質量的必要措施。

（2）模板材料：多艙大斷面預制綜合管廊體積大，例如依托工程構件一次澆筑混凝土約18.5m3，模具受到的側壓力非常大，同時，標準化構件的多次生產，多艙預制管廊模具必須滿足周轉次數，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，側板厚度≥6mm，加強肋間距≤5cm。

（3）細部設計要點：為保證構件連接緊密，在陰角模板與側墻體大模板連接處設置22mm寬、6mm厚的鋼板企口［4］，保證接縫平整、嚴密。為滿足生產需求，預埋防雷接地鋼板、PC鋼棒錨固件、螺栓、預應力波紋管、錨具、張拉槽、灌漿孔、哈芬槽等預埋件均需與液壓可調式多艙預制管廊模具進行合理連接與整體設計［5，6］，預埋件安裝與緊固需要同模板同步設計、同步施工［7］，一體化考慮。

（4）機械化設計原理：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；每個內腔設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）形成對頂模板進行支撐托舉體系，如圖3所示；側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。通過千斤頂的伸縮調節，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，再側向頂進油缸支撐，側模合模；開模操作時，先將側向千斤頂回油，側模打開，與混凝土分離，然后，豎向支撐千斤頂回油，頂模。設計時要考慮千斤頂因模板自重作用產生的荷載，同時考慮模板面與混凝土之間粘合力，經過現場反復試驗，該項目每個千斤頂處的頂升力約為80kN，千斤頂選用8t千斤頂。

2.模板施工技術要點

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

（2）預埋件安裝注意事項：鋼筋骨架吊裝完畢后，再把哈芬槽等根據設計圖紙位置安裝，并把內模板上T型螺栓卡入哈芬槽后擰緊固定；接地預埋鋼板等根據設計圖紙與環筋焊接；預埋鋼棒與套管、手孔、吊釘等［12］預埋件務必按設計圖紙埋入成型模具，與模板固定，誤差不大于5mm，預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式多艙預制管廊模具成品。

圖3 液壓可調式多艙預制管廊模具Fig.3 Hydraulic adjustable multi-cabin prefabricated utility tunnel mould

圖4 液壓可調式多艙預制管廊模具Fig.4 Hydraulic adjustable multi-cabin prefabricated utility tunnel mould

3 多艙預制管廊模具有限元分析

3.1 概況

針對整體模具的初步設計，采用大型有限元軟件Midas Civil建立有限元模型，對模具進行使用狀態下的力學分析，同時計算驗證多艙預制管廊模具在澆筑混凝土時的穩定性和變形。預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］，根據管廊構件外形尺寸及標準化分段分體情況，確定模具的各項相關參數，并進行定制加工，特殊規格和外形構件單獨定做。模具應根據其壁厚和外形預留抗張尺寸，模具加工過程中根據其外形采用不同的加固措施。

根據使用狀態下各構件的受力狀態，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 液壓可調式多艙預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 模型計算結果

模具筋板、面板受力云圖分別如圖6、圖7所示。根據整體模具使用狀態下的建模計算分析結果，多艙預制管廊模具筋板最大拉應力181.5MPa，最大壓應力138.4MPa，最大變形1.43mm，面板最大有效應力63.3MPa，最大變形1.43mm，均可滿足施工和規范要求，說明該多艙預制管廊模具在澆筑混凝土時能夠保證結構質量和安全。

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 自動化設備配置

多艙預制管廊模具結構復雜，由多部分構成，人工安裝精度有限，所以應考慮自動化控制設備進行拼裝，引入液壓機械臂開合模板設備代替人工操作，可使施工過程簡潔且模板安裝精度提高，因此在該模板設計時，考慮了中控設備和液壓系統，將液壓系統與液壓可調式多艙預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，提高生產效率。

5 結語

本文以廣州市天河智慧城地下綜合管廊的預制生產為依托，研究混凝土大構件整體模板的設計、仿真計算以及結構預埋件等與模板的一體化設計，得出以下結論：

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，大大降低勞動強度。

2.整體鋼制組合大模板經久耐用，可周轉次數多，經濟效益明顯。

3.解決了多艙大斷面管廊的預制生產的模板設計方案等難題，推動了預制管廊的快速生產和預制。