徐文瑋
上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072
在大型的預(yù)制拱形結(jié)構(gòu)中,為了方便制作和運(yùn)輸,一般采用三鉸拱的結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示。整個(gè)拱形結(jié)構(gòu)由1個(gè)拱頂節(jié)點(diǎn)和2個(gè)拱腳節(jié)點(diǎn)組成。三鉸拱由2個(gè)完全相同的預(yù)制拱板安裝而成[1-3]。
圖1 預(yù)制三鉸拱結(jié)構(gòu)
預(yù)制構(gòu)件的定位裝置由位于左跨和右跨拱頂處的螺栓底座和對(duì)拉螺栓組成[4],如圖2所示。在現(xiàn)場(chǎng)安裝三鉸拱時(shí),首先在拱頂位置畫出中心線,然后臨時(shí)固定左跨,當(dāng)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(shí),用對(duì)拉螺栓連接左跨和右跨完成安裝。
圖2 拱頂定位裝置
對(duì)于跨度較小的三鉸拱結(jié)構(gòu)而言,上述工藝對(duì)預(yù)制三鉸拱的成拱精度影響較小,能滿足精度要求。但對(duì)于跨度超過20 m的大型預(yù)制三鉸拱結(jié)構(gòu)而言,上述定位工藝將造成整體三鉸拱的軸線偏差超過設(shè)計(jì)值,對(duì)拱結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生較大影響,上述方法的局限性愈發(fā)明顯,研究新型定位工藝對(duì)保證三鉸拱結(jié)構(gòu)安裝精度有著重要的實(shí)際意義。
從上述分析可知,預(yù)制三鉸拱結(jié)構(gòu)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(guān)系。提高預(yù)制三鉸拱的整拱安裝精度應(yīng)從上述2個(gè)主要影響因素進(jìn)行考慮。
拱頂端面由混凝土結(jié)構(gòu)組成,混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑過程中由于收縮、氣泡和脫模等原因,表面相對(duì)粗糙且平面度低,在精確安裝時(shí)不宜作為定位面。而鋼鐵構(gòu)件表面通過軋制或者機(jī)加工而成,表面精度較高,因此在新的定位工藝?yán)?,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(shí)為了提高鋼鐵面相對(duì)于拱軸線的垂直度,在設(shè)計(jì)模具時(shí),使用機(jī)械定位方法控制預(yù)埋鋼鐵面與拱軸線的垂直度,實(shí)現(xiàn)預(yù)埋鋼鐵面能嚴(yán)格垂直拱軸線,如圖3所示。
圖3 采用預(yù)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(xiàn)有的畫線方式不能保證共線精度。須采用預(yù)埋銷孔和定位銷的方式保證左跨中心線和右跨中心能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的重合。預(yù)埋銷孔的埋設(shè)精度對(duì)共線精度影響較大。當(dāng)偏差較大時(shí),不僅導(dǎo)致定位銷無法正常安裝,還可能導(dǎo)致左跨拱頂端面與右跨拱頂端面無法貼合形成穩(wěn)定的受力面。在預(yù)埋鋼板內(nèi)制作銷孔時(shí),采用機(jī)加工方式保持銷孔軸線與預(yù)埋鋼板面的垂直度,實(shí)現(xiàn)銷孔軸線嚴(yán)格垂直于預(yù)埋鋼板面。銷孔與定位銷的配合精度同樣對(duì)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(xiàn)場(chǎng)能夠精細(xì)調(diào)整左跨和右跨的位置,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安裝設(shè)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(yù)制時(shí),加工條件好,采用緊配合;在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí),為了提高安裝效率,采用精度稍低的松配合。
控制拱頂端面垂直度包括三部分內(nèi)容:首先要控制模具內(nèi)拱頂端板自身的平面度;其次要控制模具內(nèi)拱頂端板上的定位孔相對(duì)于模具內(nèi)拱頂端板的垂直度;最后要控制模具內(nèi)拱頂端板相對(duì)于拱軸線的垂直度。
在加工模具內(nèi)拱頂模具端板和預(yù)埋鋼板時(shí),模具內(nèi)拱頂端板與預(yù)埋鋼板接觸面采用機(jī)床銑削而成,表面粗糙度精度高,具備定位基準(zhǔn)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(zhǔn),在模具拱頂端板和預(yù)埋鋼板內(nèi)加工高精度的通孔,孔的直徑公差采用H8,孔與基準(zhǔn)面的垂直度誤差不超過0.2 mm。
預(yù)制件的模具如圖4所示,在制作模具時(shí),使用激光設(shè)備切割出拱結(jié)構(gòu)的底面,精度誤差不超過0.2 mm,保證預(yù)制件的軸線精度高。在加工模具拱頂端板的安裝止口時(shí),使用機(jī)床在預(yù)制件模具上加工出安裝止口。安裝止口垂直于拱結(jié)構(gòu)的軸線,在安裝模具拱頂端板時(shí),以上述安裝止口為安裝基準(zhǔn),使模具拱頂端板的加工面靠緊安裝止口,實(shí)現(xiàn)模具拱頂端板嚴(yán)格垂直于拱軸線,如圖5所示。
圖4 預(yù)制件模具
圖5 模具拱頂端板垂直于拱軸線
為保證預(yù)埋鋼板的放置精度,以模具拱頂端板上的孔作為定位基準(zhǔn),使用緊配合的車間定位銷對(duì)預(yù)埋鋼板進(jìn)行定位,車間定位銷和孔的配合精度為H8/h7。
在放置預(yù)埋鋼板時(shí),如圖6所示,預(yù)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(shí)現(xiàn)預(yù)埋鋼板的定位。
圖6 預(yù)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(shè)隔離材料,保證混凝土面低于預(yù)埋鋼板面,如圖7(a)所示。混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),拔出車間定位銷,預(yù)制構(gòu)件脫模,預(yù)埋銷孔的最終位置如圖7(b)所示。
圖7 預(yù)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(yù)埋鋼板加工面和定位銷,最終實(shí)現(xiàn)預(yù)埋銷孔的精確定位。
在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中,通過定位銷將左跨半拱的預(yù)埋銷孔和右跨半拱的預(yù)埋銷孔連接后實(shí)現(xiàn)左跨半拱和右跨半拱的定位。在模具上制作預(yù)制構(gòu)件時(shí),為了精確控制預(yù)埋銷孔的位置,使用了緊配合的車間定位銷。但在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí),如果仍然使用緊配合的車間定位銷,將造成在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中對(duì)右跨半拱需要有精確控制姿態(tài)的能力以實(shí)現(xiàn)緊配合定位銷的順利穿入。上述過程不僅對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)備要求高,實(shí)施困難,同時(shí)由于緊配合定位銷穿入過程緩慢,影響施工效率?;谏鲜隹紤],在現(xiàn)場(chǎng)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(yù)埋銷孔采用容易拆卸的間隙配合H8/f8,實(shí)現(xiàn)既能滿足設(shè)計(jì)安裝精度要求,又能快速安裝的效果。
在制作預(yù)制半拱時(shí),使用同一套模具在預(yù)制工廠內(nèi)進(jìn)行制作,預(yù)埋銷孔的安裝精度保持在同一精度水平。當(dāng)預(yù)制半拱運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后,首先使用吊裝設(shè)備將左跨半拱放置在安裝胎架上,并在拱頂?shù)念A(yù)埋銷孔內(nèi)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)定位銷,如圖8(a)所示,然后移動(dòng)右跨,使得左跨上的安裝定位銷穿入右跨的預(yù)埋銷孔內(nèi),如圖8(b)所示,最終的狀態(tài)如圖8(c)所示。
圖8 預(yù)制三鉸拱的安裝工藝流程
上海軌道交通15號(hào)線吳中路站的拱形頂板為疊合結(jié)構(gòu),拱形結(jié)構(gòu)跨度的最大值為21 m,疊合結(jié)構(gòu)的預(yù)制部分采用預(yù)制三鉸拱結(jié)構(gòu),預(yù)制構(gòu)件總質(zhì)量為34 t。預(yù)制件的制作和安裝使用了本文提出的預(yù)制構(gòu)件定位安裝工藝。
工地應(yīng)用證明,使用新型定位工藝進(jìn)行大型預(yù)制三鉸拱的安裝作業(yè),不僅定位精度高,軸線偏差不超過10 mm,遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的偏差限值,而且施工快速便捷,每班可安裝5榀預(yù)制三鉸拱結(jié)構(gòu)。新型定位工藝為大型拱結(jié)構(gòu)安裝提供了更高效的施工解決方案。
首先,采用安裝止口控制模具的拱頂側(cè)板垂直度,保持模具內(nèi)的拱頂側(cè)板能夠嚴(yán)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(nèi)拱頂側(cè)板為基準(zhǔn)定位預(yù)埋銷孔,保持預(yù)埋銷孔的端面能夠嚴(yán)格垂直于拱底邊線,預(yù)埋銷孔的孔軸線嚴(yán)格垂直于模具內(nèi)的拱頂側(cè)板,從而實(shí)現(xiàn)預(yù)埋銷孔的端面嚴(yán)格垂直于拱軸線。最后,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行成拱安裝時(shí),使用比模具定位銷低一級(jí)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(shí)現(xiàn)快捷安裝。
本文提出的新型預(yù)制三鉸拱定位工藝適用于在工地現(xiàn)場(chǎng)安裝跨度超過20 m的大型預(yù)制三鉸拱結(jié)構(gòu),不僅能夠精確控制拱頂端面和預(yù)埋銷孔的位置,還能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速安裝預(yù)制三鉸拱,安裝精度遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求。該工藝根據(jù)誤差傳遞原理,以預(yù)制構(gòu)件模具的拱軸線作為精度控制起點(diǎn),依次通過控制模具拱頂端板和定位銷,最終實(shí)現(xiàn)了預(yù)埋銷孔的精確定位,避免了以往靠螺栓定位預(yù)埋銷孔出現(xiàn)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(xù)發(fā)展理念,社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益顯著,適用于各類拱形構(gòu)件的安裝,具有非常廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
本文通過分析現(xiàn)有定位方法在大型預(yù)制三鉸拱現(xiàn)場(chǎng)安裝中存在的問題,綜合考慮了模具內(nèi)拱頂端板、預(yù)埋銷孔、定位銷對(duì)定位精度的影響,提出了以拱軸線為定位基準(zhǔn),依次控制拱頂端板、定位銷、預(yù)埋銷孔的定位精度,同時(shí)為了提高現(xiàn)場(chǎng)安裝效率,使用了松配合的現(xiàn)場(chǎng)定位銷實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速安裝。上述定位工藝不僅定位精度高,預(yù)埋銷孔位置準(zhǔn)確,同時(shí)施工快速便捷,效率高,經(jīng)濟(jì)性好,尤其適用于跨度超過20 m的大型預(yù)制拱形結(jié)構(gòu)的定位,為大型預(yù)制拱形結(jié)構(gòu)的安裝施工進(jìn)行了有益探索。