余 光

(中鐵二十四局集團(tuán) 橋梁建設(shè)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214203)

近年來(lái)全球風(fēng)力發(fā)電行業(yè)快速發(fā)展，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量也保持穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1]，風(fēng)電塔筒作為風(fēng)電機(jī)組下部主要的支撐結(jié)構(gòu)[2]，從結(jié)構(gòu)形式上分為格構(gòu)式塔架[3]和圓形或方形塔筒，因鋼混凝土混合塔筒的風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)安全性能高[4-6]，是目前低風(fēng)速區(qū)高塔筒結(jié)構(gòu)的主要形式之一。鋼混塔筒中混凝土段主要采用后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力可以是體外預(yù)應(yīng)力，也可以在混凝土構(gòu)件中預(yù)留預(yù)應(yīng)力筋的孔洞[7]，通過(guò)法蘭將上部鋼塔筒錨固于下部混凝土塔筒上頂面，以實(shí)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)的共同受力[8]。

隨著裝配式建筑的發(fā)展，風(fēng)電混塔有工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)裝配的生產(chǎn)模式[9]，混塔的構(gòu)件可以在標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制場(chǎng)中完成，不會(huì)影響項(xiàng)目整體施工進(jìn)度，在現(xiàn)場(chǎng)先進(jìn)行混凝土塔筒的裝配，常用的方案有干式連接[10]與灌漿連接[11]。塔筒裝配完成后，進(jìn)行上部鋼塔和機(jī)組的吊裝與安裝，從而大幅度縮短工期，降低風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)造價(jià)，提升項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。裝配式混凝土塔筒主要具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：(1)塔筒主體為裝配式結(jié)構(gòu)，不受運(yùn)輸方面的限制；(2)增加風(fēng)電機(jī)組輪轂高度，有助于提升發(fā)電量；(3)裝配式混塔強(qiáng)度與剛度大于同高度柔性塔架，安全性更高；(4)裝配式混塔的自振頻率一般高于風(fēng)電機(jī)組主要的運(yùn)行頻率，避免起機(jī)過(guò)程中的共振問(wèn)題；(5)混凝土的抗腐蝕性能好，更適用于多雨水和腐蝕性環(huán)境。

中國(guó)船舶重工集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司采用的鋼混塔筒的混凝土塔段是由多節(jié)塔筒沿高度方向拼接而成，其中每節(jié)塔筒是由4片平板構(gòu)件與4片圓角構(gòu)件拼接而成(見(jiàn)圖1)，其中全部圓角構(gòu)件尺寸一致，平板構(gòu)件的尺寸沿高度方向變化，同一節(jié)塔筒的平板構(gòu)件尺寸一致，每段塔筒拼裝時(shí)存在8條豎向拼接縫，通過(guò)設(shè)置豎縫相應(yīng)的連接構(gòu)造和預(yù)應(yīng)力錨固體系保證結(jié)構(gòu)整體性能[12]。

圖1 塔筒構(gòu)造三維圖

為更好地適應(yīng)風(fēng)電塔筒批量安裝需求，加快生產(chǎn)進(jìn)度，構(gòu)件模具設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化與通用化，圓角與平板預(yù)制構(gòu)件的模具分為頂模、底模、端模和側(cè)模，各部分模具可以獨(dú)立裝配與拆卸，其中圓角預(yù)制構(gòu)件尺寸均一致，僅需設(shè)計(jì)一套完整的頂模、底模、側(cè)模與端模圖紙，即可實(shí)現(xiàn)模板通用，加快周轉(zhuǎn)進(jìn)程；平板構(gòu)件雖然尺寸不一致，但側(cè)模與端?？梢詫?shí)現(xiàn)通用化，因此選擇滿足最大平板的底模平臺(tái)與端模平板，只需要按照不同平板尺寸，在底模平臺(tái)上安裝側(cè)模與端模模具，即可實(shí)現(xiàn)通用平板模具，生產(chǎn)不同尺寸的平板。因此，兩種塔筒預(yù)制構(gòu)件均實(shí)現(xiàn)了模具通用化，大批量生產(chǎn)構(gòu)件時(shí)，模具周轉(zhuǎn)進(jìn)程快，生產(chǎn)效率高，工期優(yōu)勢(shì)明顯。本文以該裝配式混凝土塔筒項(xiàng)目為例，針對(duì)在生產(chǎn)過(guò)程中存在的預(yù)制構(gòu)件傳統(tǒng)型腔側(cè)模剛度低、易扭轉(zhuǎn)變形和鋼筋與模具卡緊造成脫模困難等問(wèn)題，先后對(duì)模具進(jìn)行了3次改進(jìn)，以找到較優(yōu)的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)及脫模工藝方案，以提高模具周轉(zhuǎn)率和預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)效率。

1 原始構(gòu)件生產(chǎn)及脫模工藝

塔筒豎向接縫采用構(gòu)件側(cè)邊預(yù)留U型鋼筋相互搭接并灌漿的方式連接(見(jiàn)圖2)，利用圓角構(gòu)件與平板構(gòu)件側(cè)邊豎向間槽中預(yù)留的U型鋼筋相互搭接并灌漿，靠鋼筋與灌漿料的黏結(jié)力，將8片預(yù)制構(gòu)件裝配成閉合塔筒。

圖2 塔筒預(yù)制構(gòu)件豎縫構(gòu)造

為了在側(cè)模上準(zhǔn)確預(yù)留出U型鋼筋的放置空間，需定制專(zhuān)用側(cè)模模具，見(jiàn)圖3(a)，傳統(tǒng)生產(chǎn)方法是先通過(guò)螺栓將連續(xù)尼龍型腔塊固定在側(cè)模上，相鄰模具塊之間的凹槽可以用來(lái)放置U型鋼筋(見(jiàn)圖3)，保證型腔模具塊的凹槽與U型鋼筋的位置一一對(duì)應(yīng)，從而可以固定與限制鋼筋的角度和長(zhǎng)度，使其滿足連接的構(gòu)造要求。澆筑前需要在型腔模具上刷脫模劑，待混凝土養(yǎng)護(hù)至指定強(qiáng)度后脫模。

圖3 型腔側(cè)模構(gòu)造圖

試件脫模順序?yàn)轫斈?側(cè)模-底模，側(cè)模脫模時(shí)，需要將U型鋼筋與型腔模具分離，因U型鋼筋與型腔塊之間存在粘結(jié)作用，一般需要借助較大機(jī)械外力，將構(gòu)件脫離側(cè)模具，見(jiàn)圖3(c)，U型鋼筋被混凝土附著，需要將U型鋼筋上附著和硬化的混凝土鑿去，保持鋼筋的清潔，充分暴露，并對(duì)構(gòu)件灌漿面進(jìn)行鑿毛處理后，構(gòu)件預(yù)制完成，運(yùn)輸至拼裝現(xiàn)場(chǎng)。

構(gòu)件脫模是施工難點(diǎn)，大批量生產(chǎn)中，側(cè)模由于截面尺寸小、剛度不足，經(jīng)過(guò)多次周轉(zhuǎn)和外力脫模后，會(huì)產(chǎn)生明顯的變形，型腔模具在外力作用下也產(chǎn)生移位和松動(dòng)，模具變形會(huì)加劇脫模難度，脫模時(shí)外力不均會(huì)對(duì)構(gòu)件以及模具產(chǎn)生損壞，嚴(yán)重時(shí)模具會(huì)報(bào)廢，構(gòu)件也會(huì)因?yàn)榫植渴芰^(guò)大產(chǎn)生裂縫和損壞，無(wú)法正常使用。

1.1 脫模困難

由圖3可以看出：型腔模具之間凹槽空間比預(yù)留U型鋼筋的直徑大約2 mm，預(yù)留間隙小而間槽較深，一方面U型鋼筋在加工彎折過(guò)程中，無(wú)法保證鋼筋不產(chǎn)生翹曲變形，容易與間槽縫隙互相卡緊，形成卡扣效應(yīng)(見(jiàn)圖4)，另一方面在混凝土澆筑過(guò)程中，一部分水泥漿會(huì)進(jìn)入型腔模具的凹槽中，在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，構(gòu)件U型鋼筋與模具間水泥漿逐漸凝結(jié)硬化，產(chǎn)生較大的粘連力，基于以上兩方面原因，脫除側(cè)模具有相當(dāng)難度，須借助吊車(chē)等設(shè)備將側(cè)模具提升，施加較大的外力，構(gòu)件才可以與側(cè)模分離。

圖4 卡扣效應(yīng)示意圖

1.2 構(gòu)件易損壞

單片構(gòu)件長(zhǎng)16 m，厚度0.28 m，為長(zhǎng)而薄的板件結(jié)構(gòu)，吊車(chē)設(shè)備提升脫模時(shí)，在構(gòu)件1/4和3/4長(zhǎng)度處分別設(shè)置吊點(diǎn)，由于側(cè)模剛度小，兩吊點(diǎn)均為人工操作，無(wú)法保證受力完全相同，模具受到兩處不等的吊力時(shí)，會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)和變形，出現(xiàn)型腔塊與側(cè)?？ňo，難以脫模的問(wèn)題，強(qiáng)制脫模會(huì)使板件損壞，影響構(gòu)件的外觀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件直接報(bào)廢(見(jiàn)圖5)。

圖5 平板構(gòu)件損壞

1.3 側(cè)模具易損壞

側(cè)模具的長(zhǎng)度尺寸與寬度、厚度相差甚遠(yuǎn)，模具本身剛度小，由于脫模需要借助吊車(chē)設(shè)備，模具在較大且不均勻的吊力下，容易產(chǎn)生變形和扭轉(zhuǎn)，使得預(yù)留U型鋼筋與型腔間的凹槽卡緊，形成卡扣效應(yīng)(圖4)，又增加了脫模的難度，且外力作用很容易損壞模具，尼龍盒的螺栓容易松動(dòng)變形，需要重新更換或者安裝，并且存在更換困難的問(wèn)題，更嚴(yán)重的會(huì)造成側(cè)模直接損壞，導(dǎo)致模具損耗嚴(yán)重，成本顯著增加。

2 型腔方案優(yōu)化研究

由上述分析可知：要解決側(cè)模剛度低、易變形、構(gòu)件易損壞以及脫模困難等問(wèn)題，需要從兩方面考慮:(1)提高側(cè)模剛度，避免或者減小側(cè)模的扭轉(zhuǎn)、變形程度，減小卡扣作用，減輕脫模造成的損壞程度；(2)在構(gòu)件與模具的接觸界面上，利用彈性材料的收縮變形使接觸界面產(chǎn)生縫隙，降低界面黏結(jié)力，從而減小脫模困難。基于理論分析，對(duì)原有模具進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)3種型腔模具，并分別進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)澆筑、脫模試驗(yàn)，對(duì)以上3種模具的脫模難度、工效、成本、長(zhǎng)期維護(hù)工作等做了綜合性研究。

2.1 鋼塊型腔模具

為解決側(cè)模剛度小、型腔塊易變形脫落、側(cè)模易損壞的問(wèn)題，將側(cè)模尼龍盒更換成剛度更大的鋼塊，鋼材強(qiáng)度大、塑性與韌性好，且具有良好的焊接性，可以采用焊接方式固定在側(cè)模上(見(jiàn)圖6)，比原方案的螺栓連接更加牢固，因鋼材價(jià)格高，單個(gè)鋼塊成本較尼龍盒提高30%。

圖6 鋼塊型腔側(cè)模

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果：

(1)鋼塊側(cè)模具在脫模過(guò)程中不易變形，剛度增加明顯，多次使用后無(wú)明顯變形，沒(méi)有發(fā)生損壞；

(2)脫模后，鋼塊牢固不會(huì)發(fā)生松動(dòng)和脫落，同一套模具多次脫模，也不會(huì)造成鋼塊的移位，不需要經(jīng)常檢修和更換鋼塊。

(3)鋼塊型腔側(cè)模脫模仍然存在較大困難，與原(尼龍)模具方案相比，脫模難度沒(méi)有明顯改善，模具與構(gòu)件卡扣作用依然存在。

2.2 橡膠包鋼型腔模具

在鋼塊型腔側(cè)模的基礎(chǔ)上，為了改善型腔模具與構(gòu)件卡緊難以脫模的問(wèn)題，考慮將鋼塊外包裹具有可逆形變的高彈性橡膠層，見(jiàn)圖7，因橡膠在室溫下富有彈性，在很小的外力作用下能產(chǎn)生較大形變，除去外力后能恢復(fù)原狀，理論上可以通過(guò)橡膠的彈性變形，使模具型腔與構(gòu)件表面分離，減輕兩者的卡扣效應(yīng)，減小脫模的難度，與傳統(tǒng)的尼龍塊方案相比單個(gè)橡膠包鋼塊模具成本需增加35%。

圖7 橡膠包鋼塊側(cè)模方案 圖8 分段尼龍盒側(cè)模

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果：橡膠包鋼型腔側(cè)模具具有鋼塊模具相同的優(yōu)點(diǎn)，剛度大不易變形，鋼塊牢固不易松動(dòng)和脫落，不需要經(jīng)常更換和維修，并且鋼塊側(cè)模較尼龍盒與鋼塊相比，脫模時(shí)間短；但是橡膠制品在加工、貯存和使用過(guò)程中，由于受各種因素的綜合作用而引起橡膠物理化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性能的逐步變化，容易出現(xiàn)龜裂、發(fā)黏、硬化、軟化、粉化等，模具多次使用后，橡膠層已經(jīng)出現(xiàn)硬化與破壞，繼續(xù)使用依舊出現(xiàn)脫模困難的問(wèn)題，需要經(jīng)常更換橡膠層，長(zhǎng)期維護(hù)工作量大，并且更換橡膠層存在一定的難度。

3 側(cè)模分段尼龍型腔模具

上述兩種優(yōu)化方案，與傳統(tǒng)尼龍塊型腔相比，側(cè)模具剛度提高明顯，扭轉(zhuǎn)變形問(wèn)題得到明顯改善，但脫模困難的問(wèn)題仍未得到有效解決。分析原因?yàn)椋耗＞唛L(zhǎng)度與寬度相差甚遠(yuǎn)，即使換成鋼塊模具，側(cè)模剛度顯著增加后，由于模具過(guò)長(zhǎng)，仍然會(huì)出現(xiàn)起吊過(guò)程中模具扭轉(zhuǎn)變形的情況，形成多處、多段距離的鋼筋與尼龍盒卡緊，加大了脫模難度。此外，由于型腔模具與構(gòu)件界面被水泥漿體覆蓋，水泥凝結(jié)硬化后形成水泥塊體，強(qiáng)度與構(gòu)件強(qiáng)度接近，構(gòu)件脫模時(shí)，需要用外力將水泥塊體破壞，才可以順利脫模。

因此在原有型腔模具基礎(chǔ)上，將側(cè)模長(zhǎng)度減小一半，由原來(lái)16 m改成兩段各8 m長(zhǎng)的側(cè)模，兩段分別進(jìn)行脫模，一方面可以增加側(cè)模剛度，減緩側(cè)模扭轉(zhuǎn)變形引起的與鋼筋卡扣作用，降低脫模難度；另一方面，側(cè)模長(zhǎng)度減小一半后，側(cè)模阻力也減小至原來(lái)的一半，脫模難度相應(yīng)降低，更容易脫模，且改進(jìn)后的模具成本基本不變。在整段型腔模具附近涂刷緩凝劑，減緩界面處水泥塊凝結(jié)硬化程度，降低界面處水泥塊體強(qiáng)度，從而降低脫模難度。

為了驗(yàn)證改進(jìn)效果，在分段的型腔模具上分別使用緩凝劑與脫模劑進(jìn)行試驗(yàn)，分段模具見(jiàn)圖8，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 涂刷緩凝劑與脫模劑試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

與前兩種優(yōu)化模具方案(鋼塊、橡膠包鋼)相比，分段后的側(cè)模方案，模具受吊力作用的變形程度明顯減小，尼龍型腔塊的變形與移位程度減輕，涂刷緩凝劑后，脫模難度降低明顯，分段模具脫模總時(shí)間縮短33%，使用緩凝劑后，不僅使脫模效率提高了33%，且混凝土塊的鑿毛時(shí)間也縮短33%，明顯加快了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

本文針對(duì)風(fēng)電塔筒預(yù)制構(gòu)件在傳統(tǒng)生產(chǎn)中遇到側(cè)模剛度低，側(cè)模扭轉(zhuǎn)變形導(dǎo)致型腔與脫模困難的問(wèn)題，分析其原因并對(duì)原有方案進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，先后設(shè)計(jì)了鋼塊型腔方案、橡膠包鋼型腔方案、分段尼龍塊方案，并輔助使用緩凝劑，得到如下結(jié)論：

(1)鋼塊型腔側(cè)模成本增加30%，解決了側(cè)模剛度低易扭轉(zhuǎn)變形的問(wèn)題，模具使用壽命更長(zhǎng)，鋼塊使用焊接方式更加牢固，可以避免多次使用后檢修和更換鋼塊等工作，長(zhǎng)期維護(hù)工作簡(jiǎn)單，可節(jié)省人工，但對(duì)脫模難度沒(méi)有改善；

(2)橡膠包鋼型腔側(cè)模具成本增加35%，解決了側(cè)模剛度低、易變形與型腔塊體脫落等問(wèn)題，短期可改善脫模困難的問(wèn)題，但效果隨著模具使用次數(shù)的增加逐漸消失，需要經(jīng)常更換橡膠層，導(dǎo)致維護(hù)工作量大、成本高；

(3)分段后的尼龍型腔盒側(cè)模方案，模具變形程度降低，型腔塊脫落、移位情況明顯改善，輔助使用緩凝劑后，脫模難度明顯降低，脫模效率提高33%，混凝土塊鑿毛效率同樣提高33%，分段方案成本基本不變。

綜合比較成本、工效、工期與施工難度等因素，分段尼龍型腔側(cè)模具整改方案最優(yōu)，模具在涂刷緩凝劑后疊涂脫模劑，對(duì)提升脫模效率明顯，建議在大批量生產(chǎn)時(shí)采用該方案進(jìn)行施工。