預制構件一體化拆模起吊工藝的研究

王一峰

（上海隧道工程有限公司構件分公司，上海市 200127）

1 概述

鋼筋混凝土預制構件在拆模后，通常由起重機起吊至翻轉工位，配合專用翻轉機進行翻轉后再起吊[1]。專用設備通常含有油缸頂推機構（見圖1），造價高，同時由于設備的增加，需額外進行一次起吊與放置，從而帶來了更多的產品質量風險。因此，本著節約成本、提高生產運輸效率、保護產品、提升質量的目的，本文以上海市武寧路快速化改建工程中設計的尺寸為5 000 mm×2 500 mm×200 mm 的預制構件為樣本對象，設計研究了一種便于拆模起吊的模具，并形成相應的施工方法。

圖1 傳統油缸頂推翻轉機構

2 便于預制構件拆模起吊的模具

本模具設計主要解決的問題是將原有工序 “拆模→起吊→放置翻身架上→翻轉→起吊” 的步驟合并為 “拆模→翻轉→起吊”，并通過整體質心變化，配合旋轉機構，除去油缸頂推裝置，將整體模具簡化為簡單機械結構。

2.1 模具主體組成部件

模具最大尺寸為：L7 500 mm×W2 880 mm×H 1 750 mm，如圖2 所示。

圖2 便于預制構件拆模起吊的模具（單位：mm）

主體組成部件為預制件鋼模與翻轉底座，兩者通過調節件鉸接連接。如圖3 所示，鋼模部分由底模、端模及側模組成，配套旋轉底架與翻轉架連接。如圖4所示，翻轉架主要由底座、翻轉限位器、手搖輔助轉盤、調節阻尼、定位銷等組成。

圖3 裝置組成部件——鋼模部分

圖4 裝置組成部件——旋轉架與翻轉架

2.2 模具結構分析

2.2.1 鋼模結構

鋼模主要采用Q235B 材料，結構尺寸可根據不同預制構件而變化，預制件長度最長可至5 500 mm，高度最高可至300 mm。本次結合項目預制構件，鋼模本體外形尺寸為5 400 mm×2 880 mm×590 mm。為滿足拆模后起吊工序中吊具的使用，其側模打開形式為鉸鏈式，可滿足85°開啟；端模打開形式采用平移機構，可移出距離為200 mm 以上。通過設計模擬，如圖5 所示，可以得出結論，該拆模形式能滿足脫模條件，確保不拉邊，同時能預留足夠的距離便于預制構件吊具的進入與抓取。

圖5 模具拆模起吊狀態示意圖

設計的同時，需要對鋼模的力學性能進行分析，確保澆筑時及翻轉后鋼模的穩定性。鋼模處于平衡狀態，澆筑混凝土時，選取《混凝土結構工程施工及驗收規范》（GB 50204—2015）[2]中提到的新澆注混凝土作用在模板上的最大側壓力計算公式（1）、（2），取兩者中較小值：

以本裝置試驗對象為例，式中：F 為新澆筑混凝土對模板的最大側壓力，kN/m2；γc為混凝土重度，取24 kN/m3；t0為新澆混凝土初凝時間，按公式（T為混凝土溫度，取28℃），取5 h；β1為外加劑修正系數，不摻加時取1.0，摻加具有緩凝作用的外加劑時取1.2；β2為混凝土坍落度影響修正系數，坍落度小于100 mm 時取1.0，大于100 mm 時取1.15；v 為混凝土澆筑速度，取5 m/h；H 為混凝土底部與澆筑頂面總高度差，取0.2 m。

經計算可得：F1=97.7 kN/m2，F2=5 kN/m2，取兩者較小值F2=5 kN/m2=4.9 MPa，遠小于Q235B 最大屈服應力235 MPa。同時，通過專業有限元分析軟件，對側板進行應力分析，如圖6 所示，發現其最大應力不足1 MPa，最大形變量為微米級別（10-3mm），滿足強度要求。

圖6 平衡狀態下側板應力和形變有限元分析（單位：MP a）

當模具處于翻轉后起吊工位時，需要對底部側板進行受力分析，其受到的壓力F 為預制構件重力與鋼筋重力之和，按公式F=m1g + m2g = ρvg + m2g =2 400×2.5×9.8+400×9.8≈6 300 kN，正應力公式σ1=F/S=6 300/（0.2×5）=6.3 kN/m2=6.2 MPa，遠小于材料最大屈服應力[3]。通過有限元分析，如圖7 所示，側板最大應力30.1 MPa，位于鉸鏈鉸接處，最大形變量為0.1 mm，均符合強度要求。

圖7 拆模起吊狀態下側板應力和形變有限元分析（單位：mm）

2.2.2 模具翻轉機構

模具的翻轉主要通過質心變化支撐其翻轉。翻轉前整體質心與起吊預制件后模具質心位置不同，其質心的先后變化與旋轉軸相對位置的不同，可實現其自動雙向翻轉[4]。

具體說明如下：澆筑完成后，鋼模橫向處于穩定狀態時，整體質心位于調節件上方50 mm 處，如圖8所示。當模具盒向旋轉側稍許移動后，鋼模機構質心偏移，使得鋼模具有繼續圍繞調節件一側翻轉的趨勢。當翻轉到位，拆模起吊后，質心突然發生變化，配合調節件處阻尼層及手動輔助操作，可將鋼模機構緩慢復原成初始狀態[5]。

圖8 模具翻轉機構基本原理示意

同時，為了確保鋼模澆筑時平衡穩定性，在翻轉底座設置了多對平衡定位銷，用于防止人員誤操作及澆搗時受力不均導致的鋼模翻轉。

在起吊之前，對翻轉角度有一定要求，角度過小可能導致起吊后預制件自轉復位，產生安全隱患及產品碰損，而角度過大，又易造成傾翻，故本裝置通過設置翻轉限位條，如圖9 所示，在保證翻轉角度足夠的同時（針對本文研究對象，翻轉角度為82°），避免脫模起吊后預制件的狀態不穩定。

圖9 翻轉限位裝置與翻轉到位角度示意

3 模具的應用及施工方法

3.1 使用步驟

圖10 為預制構件生產工藝流程。本文針對構件吊離模具環節進行優化，具體流程如下：

圖10 預制構件生產工藝流程

（1）模具水平時，將多個定位平衡銷置于底座相對兩端對應支撐處，對模具進行澆筑。

（2）澆筑養護完成后，打開一端側模并拔出定位銷，留出空間供鋼筋出模即可，不需要全部將端模打開轉動至水平。調節手動輔助輪，模具在質心變化與調節阻尼限制下翻轉。

（3）模具翻轉抵靠至限位桿時自然停止，平移出兩側端模。

（4）預制件直接起吊后堆放。

模具翻轉機施工步驟見圖11。

圖11 施工步驟

施工過程中，貫徹“安全第一、預防為主”的方針，將《企業安全生產標準化基本規范》（GB/T 33 000—2016）作為操作工規范要求[6]。針對本設備，需對如下安全事項特別注意：

（1）翻轉角度應為0°～87°，翻轉方式應控制在“慢- 快- 慢”的速率。

（2）人工輔助速率調節處采用耐磨阻尼材料，控制回轉速率不超過1.5 r/min。

（3）拆模時需按照側模鉸鏈打開，拔出定位銷，翻轉到位后，平移打開端模的順序進行開模，拆模時應盡可能避免對鋼模及構件造成損傷。

（4）預制構件澆筑及設備翻轉過程中，兩側嚴禁站人，設備應有專用區域與護欄分隔，避免人員受到機械傷害。

（5）構件起吊必須使用專用吊具，平穩起吊，不允許單側或強行起吊，起吊時吊具和鋼絲繩必須垂直。起吊過程中由專門人員進行指揮，保證構件吊孔螺栓鎖緊到位，并確保整個吊運過程的安全。

3.3 裝置優勢

3.3.1 生產效率

針對養護后脫模起吊到堆放環節，采用本裝置及施工方法可提升效率40%，且減少起重機使用頻率，降低起重設備頻繁使用導致故障帶來的停工風險。傳統施工方法與新施工方法效率比對見表1。

表1 傳統施工方法與新施工方法效率比對

3.3.2 產品質量

起吊時易發生碰損，即構件缺邊少角。以預制混凝土管片為例，由于起吊強度不足、放置速度過快等各類起吊不規范的野蠻操作，單次起吊碰損率約為10%；原施工方法起吊2 次，其損壞率約為19%。采用本裝置可減少吊裝次數，顯著降低起吊帶來的質量隱患。

圖12 預制構件起吊損壞示意圖

4 結語

本課題的研究，是對預制件生產效率提升、產品質量提高以及節約成本的一次探索，并從人性化設計，軟件模擬計算輔助等方面作進一步優化。目前，該方案已提交實用新型與發明專利2 項申請，也將會在今后現場實踐中不斷改進。面對全國各地的基礎建設密度集中提升，配套產業預制件需求量隨之不斷增加的市場環境下，本裝置的理念與設計可為其他類似相關工程提供借鑒與思考。