預(yù)制構(gòu)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(gòu)件分公司，上海市 200127）

1 概述

鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件在拆模后，通常由起重機起吊至翻轉(zhuǎn)工位，配合專用翻轉(zhuǎn)機進行翻轉(zhuǎn)后再起吊[1]。專用設(shè)備通常含有油缸頂推機構(gòu)（見圖1），造價高，同時由于設(shè)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(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險。因此，本著節(jié)約成本、提高生產(chǎn)運輸效率、保護產(chǎn)品、提升質(zhì)量的目的，本文以上海市武寧路快速化改建工程中設(shè)計的尺寸為5 000 mm×2 500 mm×200 mm 的預(yù)制構(gòu)件為樣本對象，設(shè)計研究了一種便于拆模起吊的模具，并形成相應(yīng)的施工方法。

圖1 傳統(tǒng)油缸頂推翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

2 便于預(yù)制構(gòu)件拆模起吊的模具

本模具設(shè)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(zhuǎn)→起吊” 的步驟合并為 “拆模→翻轉(zhuǎn)→起吊”，并通過整體質(zhì)心變化，配合旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，除去油缸頂推裝置，將整體模具簡化為簡單機械結(jié)構(gòu)。

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(yù)制構(gòu)件拆模起吊的模具（單位：mm）

主體組成部件為預(yù)制件鋼模與翻轉(zhuǎn)底座，兩者通過調(diào)節(jié)件鉸接連接。如圖3 所示，鋼模部分由底模、端模及側(cè)模組成，配套旋轉(zhuǎn)底架與翻轉(zhuǎn)架連接。如圖4所示，翻轉(zhuǎn)架主要由底座、翻轉(zhuǎn)限位器、手搖輔助轉(zhuǎn)盤、調(diào)節(jié)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(zhuǎn)架與翻轉(zhuǎn)架

2.2 模具結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 鋼模結(jié)構(gòu)

鋼模主要采用Q235B 材料，結(jié)構(gòu)尺寸可根據(jù)不同預(yù)制構(gòu)件而變化，預(yù)制件長度最長可至5 500 mm，高度最高可至300 mm。本次結(jié)合項目預(yù)制構(gòu)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(cè)模打開形式為鉸鏈?zhǔn)剑蓾M足85°開啟；端模打開形式采用平移機構(gòu)，可移出距離為200 mm 以上。通過設(shè)計模擬，如圖5 所示，可以得出結(jié)論，該拆模形式能滿足脫模條件，確保不拉邊，同時能預(yù)留足夠的距離便于預(yù)制構(gòu)件吊具的進入與抓取。

圖5 模具拆模起吊狀態(tài)示意圖

設(shè)計的同時，需要對鋼模的力學(xué)性能進行分析，確保澆筑時及翻轉(zhuǎn)后鋼模的穩(wěn)定性。鋼模處于平衡狀態(tài)，澆筑混凝土?xí)r，選取《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)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(cè)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(cè)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(shù)，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(shù)，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(jīng)計算可得：F1=97.7 kN/m2，F(xiàn)2=5 kN/m2，取兩者較小值F2=5 kN/m2=4.9 MPa，遠(yuǎn)小于Q235B 最大屈服應(yīng)力235 MPa。同時，通過專業(yè)有限元分析軟件，對側(cè)板進行應(yīng)力分析，如圖6 所示，發(fā)現(xiàn)其最大應(yīng)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(tài)下側(cè)板應(yīng)力和形變有限元分析（單位：MP a）

當(dāng)模具處于翻轉(zhuǎn)后起吊工位時，需要對底部側(cè)板進行受力分析，其受到的壓力F 為預(yù)制構(gòu)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(yīng)力公式σ1=F/S=6 300/（0.2×5）=6.3 kN/m2=6.2 MPa，遠(yuǎn)小于材料最大屈服應(yīng)力[3]。通過有限元分析，如圖7 所示，側(cè)板最大應(yīng)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(tài)下側(cè)板應(yīng)力和形變有限元分析（單位：mm）

2.2.2 模具翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

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

具體說明如下：澆筑完成后，鋼模橫向處于穩(wěn)定狀態(tài)時，整體質(zhì)心位于調(diào)節(jié)件上方50 mm 處，如圖8所示。當(dāng)模具盒向旋轉(zhuǎn)側(cè)稍許移動后，鋼模機構(gòu)質(zhì)心偏移，使得鋼模具有繼續(xù)圍繞調(diào)節(jié)件一側(cè)翻轉(zhuǎn)的趨勢。當(dāng)翻轉(zhuǎn)到位，拆模起吊后，質(zhì)心突然發(fā)生變化，配合調(diào)節(jié)件處阻尼層及手動輔助操作，可將鋼模機構(gòu)緩慢復(fù)原成初始狀態(tài)[5]。

圖8 模具翻轉(zhuǎn)機構(gòu)基本原理示意

同時，為了確保鋼模澆筑時平衡穩(wěn)定性，在翻轉(zhuǎn)底座設(shè)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(dǎo)致的鋼模翻轉(zhuǎn)。

在起吊之前，對翻轉(zhuǎn)角度有一定要求，角度過小可能導(dǎo)致起吊后預(yù)制件自轉(zhuǎn)復(fù)位，產(chǎn)生安全隱患及產(chǎn)品碰損，而角度過大，又易造成傾翻，故本裝置通過設(shè)置翻轉(zhuǎn)限位條，如圖9 所示，在保證翻轉(zhuǎn)角度足夠的同時（針對本文研究對象，翻轉(zhuǎn)角度為82°），避免脫模起吊后預(yù)制件的狀態(tài)不穩(wěn)定。

圖9 翻轉(zhuǎn)限位裝置與翻轉(zhuǎn)到位角度示意

3 模具的應(yīng)用及施工方法

3.1 使用步驟

圖10 為預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝流程。本文針對構(gòu)件吊離模具環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，具體流程如下：

圖10 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)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(yīng)支撐處，對模具進行澆筑。

（2）澆筑養(yǎng)護完成后，打開一端側(cè)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(zhuǎn)動至水平。調(diào)節(jié)手動輔助輪，模具在質(zhì)心變化與調(diào)節(jié)阻尼限制下翻轉(zhuǎn)。

（3）模具翻轉(zhuǎn)抵靠至限位桿時自然停止，平移出兩側(cè)端模。

（4）預(yù)制件直接起吊后堆放。

模具翻轉(zhuǎn)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(yù)防為主”的方針，將《企業(yè)安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化基本規(guī)范》（GB/T 33 000—2016）作為操作工規(guī)范要求[6]。針對本設(shè)備，需對如下安全事項特別注意：

（1）翻轉(zhuǎn)角度應(yīng)為0°～87°，翻轉(zhuǎn)方式應(yīng)控制在“慢- 快- 慢”的速率。

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

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

（4）預(yù)制構(gòu)件澆筑及設(shè)備翻轉(zhuǎn)過程中，兩側(cè)嚴(yán)禁站人，設(shè)備應(yīng)有專用區(qū)域與護欄分隔，避免人員受到機械傷害。

（5）構(gòu)件起吊必須使用專用吊具，平穩(wěn)起吊，不允許單側(cè)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(gòu)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(yōu)勢

3.3.1 生產(chǎn)效率

針對養(yǎng)護后脫模起吊到堆放環(huán)節(jié)，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(shè)備頻繁使用導(dǎo)致故障帶來的停工風(fēng)險。傳統(tǒng)施工方法與新施工方法效率比對見表1。

表1 傳統(tǒng)施工方法與新施工方法效率比對

3.3.2 產(chǎn)品質(zhì)量

起吊時易發(fā)生碰損，即構(gòu)件缺邊少角。以預(yù)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(guī)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(shù)，顯著降低起吊帶來的質(zhì)量隱患。

圖12 預(yù)制構(gòu)件起吊損壞示意圖

4 結(jié)語

本課題的研究，是對預(yù)制件生產(chǎn)效率提升、產(chǎn)品質(zhì)量提高以及節(jié)約成本的一次探索，并從人性化設(shè)計，軟件模擬計算輔助等方面作進一步優(yōu)化。目前，該方案已提交實用新型與發(fā)明專利2 項申請，也將會在今后現(xiàn)場實踐中不斷改進。面對全國各地的基礎(chǔ)建設(shè)密度集中提升，配套產(chǎn)業(yè)預(yù)制件需求量隨之不斷增加的市場環(huán)境下，本裝置的理念與設(shè)計可為其他類似相關(guān)工程提供借鑒與思考。