提高預制三鉸拱安裝精度的工藝研究

徐文瑋

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 研究背景

在大型的預制拱形結構中，為了方便制作和運輸，一般采用三鉸拱的結構形式，如圖1所示。整個拱形結構由1個拱頂節點和2個拱腳節點組成。三鉸拱由2個完全相同的預制拱板安裝而成[1-3]。

圖1 預制三鉸拱結構

預制構件的定位裝置由位于左跨和右跨拱頂處的螺栓底座和對拉螺栓組成[4]，如圖2所示。在現場安裝三鉸拱時，首先在拱頂位置畫出中心線，然后臨時固定左跨，當右跨的中心線與左跨中心線重合，并且兩跨的螺栓底座中心線重合時，用對拉螺栓連接左跨和右跨完成安裝。

圖2 拱頂定位裝置

對于跨度較小的三鉸拱結構而言，上述工藝對預制三鉸拱的成拱精度影響較小，能滿足精度要求。但對于跨度超過20 m的大型預制三鉸拱結構而言，上述定位工藝將造成整體三鉸拱的軸線偏差超過設計值，對拱結構的受力產生較大影響，上述方法的局限性愈發明顯，研究新型定位工藝對保證三鉸拱結構安裝精度有著重要的實際意義。

2 研究思路

從上述分析可知，預制三鉸拱結構的成拱精度與拱頂端面的垂直度、左跨與右跨的中心線重合程度均有關系。提高預制三鉸拱的整拱安裝精度應從上述2個主要影響因素進行考慮。

拱頂端面由混凝土結構組成，混凝土結構在澆筑過程中由于收縮、氣泡和脫模等原因，表面相對粗糙且平面度低，在精確安裝時不宜作為定位面。而鋼鐵構件表面通過軋制或者機加工而成，表面精度較高，因此在新的定位工藝里，采用凸出的鋼鐵面代替原工藝中的混凝土面作為定位面。同時為了提高鋼鐵面相對于拱軸線的垂直度，在設計模具時，使用機械定位方法控制預埋鋼鐵面與拱軸線的垂直度，實現預埋鋼鐵面能嚴格垂直拱軸線，如圖3所示。

圖3 采用預埋鋼鐵面作為拱頂定位面

為使左跨中心線與右跨中心線能夠最大程度地重合，僅靠現有的畫線方式不能保證共線精度。須采用預埋銷孔和定位銷的方式保證左跨中心線和右跨中心能夠實現高精度的重合。預埋銷孔的埋設精度對共線精度影響較大。當偏差較大時，不僅導致定位銷無法正常安裝，還可能導致左跨拱頂端面與右跨拱頂端面無法貼合形成穩定的受力面。在預埋鋼板內制作銷孔時，采用機加工方式保持銷孔軸線與預埋鋼板面的垂直度，實現銷孔軸線嚴格垂直于預埋鋼板面。銷孔與定位銷的配合精度同樣對安裝有較大的影響。為了保證左跨與右跨的成拱精度，希望銷孔與定位銷之間采用緊配合，但采用緊配合后需要現場能夠精細調整左跨和右跨的位置，對現場的安裝設備和安裝工藝有不利影響。因此需要綜合考慮定位精度和安裝效率之間的平衡：在工廠預制時，加工條件好，采用緊配合；在現場安裝時，為了提高安裝效率，采用精度稍低的松配合。

3 提高預制三鉸拱結構安裝精度的主要措施

3.1 控制拱頂端面垂直度

控制拱頂端面垂直度包括三部分內容：首先要控制模具內拱頂端板自身的平面度；其次要控制模具內拱頂端板上的定位孔相對于模具內拱頂端板的垂直度；最后要控制模具內拱頂端板相對于拱軸線的垂直度。

在加工模具內拱頂模具端板和預埋鋼板時，模具內拱頂端板與預埋鋼板接觸面采用機床銑削而成，表面粗糙度精度高，具備定位基準面的功能，保證自身平面度的精度要求。以上述加工面為定位基準，在模具拱頂端板和預埋鋼板內加工高精度的通孔，孔的直徑公差采用H8，孔與基準面的垂直度誤差不超過0.2 mm。

預制件的模具如圖4所示，在制作模具時，使用激光設備切割出拱結構的底面，精度誤差不超過0.2 mm，保證預制件的軸線精度高。在加工模具拱頂端板的安裝止口時，使用機床在預制件模具上加工出安裝止口。安裝止口垂直于拱結構的軸線，在安裝模具拱頂端板時，以上述安裝止口為安裝基準，使模具拱頂端板的加工面靠緊安裝止口，實現模具拱頂端板嚴格垂直于拱軸線，如圖5所示。

圖4 預制件模具

圖5 模具拱頂端板垂直于拱軸線

3.2 預埋銷孔的定位精度

為保證預埋鋼板的放置精度，以模具拱頂端板上的孔作為定位基準，使用緊配合的車間定位銷對預埋鋼板進行定位，車間定位銷和孔的配合精度為H8/h7。

在放置預埋鋼板時，如圖6所示，預埋鋼板加工面和模具定位鋼板的加工面貼緊，依靠緊配合的車間定位銷實現預埋鋼板的定位。

圖6 預埋鋼板的精確定位

在澆筑混凝土前，在模具拱頂端板的加工面上敷設隔離材料，保證混凝土面低于預埋鋼板面，如圖7（a）所示。混凝土強度達到設計值時，拔出車間定位銷，預制構件脫模，預埋銷孔的最終位置如圖7（b）所示。

圖7 預埋銷孔的最終定位

通過上述工藝措施，安裝止口的定位精度依次傳遞至模具拱頂端板、預埋鋼板加工面和定位銷，最終實現預埋銷孔的精確定位。

3.3 現場安裝精度控制

在現場安裝過程中，通過定位銷將左跨半拱的預埋銷孔和右跨半拱的預埋銷孔連接后實現左跨半拱和右跨半拱的定位。在模具上制作預制構件時，為了精確控制預埋銷孔的位置，使用了緊配合的車間定位銷。但在現場安裝時，如果仍然使用緊配合的車間定位銷，將造成在現場安裝過程中對右跨半拱需要有精確控制姿態的能力以實現緊配合定位銷的順利穿入。上述過程不僅對現場安裝設備要求高，實施困難，同時由于緊配合定位銷穿入過程緩慢，影響施工效率。基于上述考慮，在現場安裝過程中，在滿足安裝精度的前提下，使用松配合的安裝定位銷，安裝定位銷和預埋銷孔采用容易拆卸的間隙配合H8/f8，實現既能滿足設計安裝精度要求，又能快速安裝的效果。

4 新型預制三鉸拱安裝工藝流程

在制作預制半拱時，使用同一套模具在預制工廠內進行制作，預埋銷孔的安裝精度保持在同一精度水平。當預制半拱運輸至現場后，首先使用吊裝設備將左跨半拱放置在安裝胎架上，并在拱頂的預埋銷孔內設置現場定位銷，如圖8（a）所示，然后移動右跨，使得左跨上的安裝定位銷穿入右跨的預埋銷孔內，如圖8（b）所示，最終的狀態如圖8（c）所示。

圖8 預制三鉸拱的安裝工藝流程

5 新型定位工藝的應用

上海軌道交通15號線吳中路站的拱形頂板為疊合結構，拱形結構跨度的最大值為21 m，疊合結構的預制部分采用預制三鉸拱結構，預制構件總質量為34 t。預制件的制作和安裝使用了本文提出的預制構件定位安裝工藝。

工地應用證明，使用新型定位工藝進行大型預制三鉸拱的安裝作業，不僅定位精度高，軸線偏差不超過10 mm，遠低于設計要求的偏差限值，而且施工快速便捷，每班可安裝5榀預制三鉸拱結構。新型定位工藝為大型拱結構安裝提供了更高效的施工解決方案。

6 創新點

首先，采用安裝止口控制模具的拱頂側板垂直度，保持模具內的拱頂側板能夠嚴格垂直于拱底邊線。其次，采用緊配合定位銷的方式，以模具內拱頂側板為基準定位預埋銷孔，保持預埋銷孔的端面能夠嚴格垂直于拱底邊線，預埋銷孔的孔軸線嚴格垂直于模具內的拱頂側板，從而實現預埋銷孔的端面嚴格垂直于拱軸線。最后，在現場進行成拱安裝時，使用比模具定位銷低一級的松配合定位銷作為安裝定位銷，在滿足成拱精度的前提下實現快捷安裝。

7 效益與應用前景

本文提出的新型預制三鉸拱定位工藝適用于在工地現場安裝跨度超過20 m的大型預制三鉸拱結構，不僅能夠精確控制拱頂端面和預埋銷孔的位置，還能實現現場快速安裝預制三鉸拱，安裝精度遠高于設計要求。該工藝根據誤差傳遞原理，以預制構件模具的拱軸線作為精度控制起點，依次通過控制模具拱頂端板和定位銷，最終實現了預埋銷孔的精確定位，避免了以往靠螺栓定位預埋銷孔出現的定位精度低、安裝誤差大的問題。該工藝符合綠色建造的可持續發展理念，社會、經濟和環保效益顯著，適用于各類拱形構件的安裝，具有非常廣闊的市場應用前景。

8 結語

本文通過分析現有定位方法在大型預制三鉸拱現場安裝中存在的問題，綜合考慮了模具內拱頂端板、預埋銷孔、定位銷對定位精度的影響，提出了以拱軸線為定位基準，依次控制拱頂端板、定位銷、預埋銷孔的定位精度，同時為了提高現場安裝效率，使用了松配合的現場定位銷實現現場快速安裝。上述定位工藝不僅定位精度高，預埋銷孔位置準確，同時施工快速便捷，效率高，經濟性好，尤其適用于跨度超過20 m的大型預制拱形結構的定位，為大型預制拱形結構的安裝施工進行了有益探索。