陳兆榮

上海建工建材科技集團股份有限公司 上海 200086

近年來工業(yè)化建筑飛速發(fā)展，很多城市和地區(qū)建筑的裝配率高達(dá)70%，國家以及相關(guān)政府部門不斷出臺政策推進(jìn)裝配式建筑持續(xù)向好發(fā)展，基于此前提，建筑混凝土結(jié)構(gòu)用成型鋼筋籠加工、配送、裝配、管理等技術(shù)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。

隨著GB/T 29733—2013《混凝土結(jié)構(gòu)用成型鋼筋制品》標(biāo)準(zhǔn)的頒布，相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、團體標(biāo)準(zhǔn)也陸續(xù)起草、頒布，對成型鋼筋籠在工程中的裝配應(yīng)用起到了很大的推動作用。

成型鋼筋籠在建筑工程中的逐漸應(yīng)用給鋼筋工廠管理、加工、配送成型鋼筋籠帶來了新的研究課題。為了保證成型鋼筋籠使用下建筑工程的施工效率，必須提升成型鋼筋籠管理、加工、運輸技術(shù)，助力建筑工業(yè)化向自動化、智能化、低碳綠色轉(zhuǎn)型。

成型鋼筋籠配送是將已加工的成型鋼筋以梁、柱、板構(gòu)件按照施工計劃進(jìn)行編號包裝或組配送達(dá)指定工程目的地，從而實現(xiàn)工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、商品化和專業(yè)化成型鋼筋籠加工與施工現(xiàn)場的對接。

發(fā)達(dá)國家的鋼筋商品化配送已經(jīng)相當(dāng)普及，配送管理技術(shù)也比較先進(jìn)，現(xiàn)代化的鋼筋加工廠分布范圍廣，如意大利、德國等國家開發(fā)了鋼筋骨架加工設(shè)備，建立了鋼筋骨架預(yù)制、配送和現(xiàn)場安裝一體化技術(shù)體系。結(jié)合國際經(jīng)驗和國內(nèi)建筑行業(yè)發(fā)展方向，商品鋼筋以集群化加工結(jié)合物流的形式配送技術(shù)是未來的發(fā)展趨勢[1-10]。

1 成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)設(shè)計

1.1 成型鋼筋籠結(jié)構(gòu)類型研究

裝配式成型鋼筋骨架是以承臺、樁、梁、柱、剪力墻、樓板等復(fù)雜三維成型鋼筋骨架為主，適用于混凝土結(jié)構(gòu)工程中鋼筋的加工、配送、施工及驗收[11]。

目前，建筑成型鋼筋籠主要分為三大類：梁、柱、墻板，這三類在工程施工中采用裝配施工方式，操作比較快捷方便且結(jié)構(gòu)安全性較好。

受限于成型鋼筋籠運輸技術(shù)發(fā)展水平，配送運輸存在不可控因素，如運輸方式、裝車與卸貨過程成品保護(hù)、運送時間段路線路況信息和地方交通法規(guī)限制，以及供應(yīng)是否及時、過程質(zhì)量控制是否得當(dāng)?shù)萚12]。

工程常采用的鋼筋籠形式如圖1所示，由于需要給現(xiàn)場安裝工作留設(shè)插筋，鋼筋籠的尺寸往往會超實際結(jié)構(gòu)長度，因此在設(shè)計運輸工裝時要在交通限制尺寸內(nèi)盡可能地保證有較大的運輸空間。

圖1 梁、柱、板鋼筋籠

1.2 成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)設(shè)計思路

成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)是將鋼筋加工廠與施工現(xiàn)場串聯(lián)的紐帶，為了確保運輸配送的安全性和運輸效率以及現(xiàn)場施工裝配效率，成型鋼筋籠的配送工裝應(yīng)具有梁、柱、墻板這3種類型鋼筋籠的兼容性。因此，配送工裝系統(tǒng)宜結(jié)合動力系統(tǒng)采用可調(diào)組合式空間，分別設(shè)置頂層可調(diào)空間、中間層可調(diào)空間，底層空間為固定或可調(diào)式，根據(jù)所需配送的鋼筋籠類型、截面尺寸、長度等參數(shù)進(jìn)行裝載空間的分配。

前期針對梁、柱、板鋼筋籠展開鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)的調(diào)研，考慮到道路運輸法規(guī)限制，最終確定運輸成型鋼筋籠構(gòu)件的最大尺寸為：長度方向6～9 m，寬度方向最大裝載寬度2.5 m，單個構(gòu)件最大裝載高度1.5 m。為了更好地實現(xiàn)空間自由組合，且保證工裝系統(tǒng)能與運輸車輛快速進(jìn)行安全、可靠的結(jié)合，研究人員試圖設(shè)計出一種開放的集裝箱式空間自由組合成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)。在初期進(jìn)行的運輸工裝系統(tǒng)空間組合概念設(shè)計見圖2。

圖2 運輸工裝系統(tǒng)空間組合概念設(shè)計

2 成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)設(shè)計與計算分析

2.1 成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)設(shè)計

依據(jù)初期運輸工裝系統(tǒng)組合空間概念設(shè)計以及大量的工程和運輸方案調(diào)研，最終確定成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)設(shè)計采用分層鋼框架箱體的形式，底層裝載空間固定，中間和頂層裝載空間為可調(diào)高度的結(jié)構(gòu)形式，整個箱體長度為10.50 m，與標(biāo)準(zhǔn)運輸車輛長度相匹配，寬2.95 m，高2.80 m，整體裝車后滿足道路運輸限高、限寬的要求。

成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)主要由鋼框架箱體、2層平臺、3層平臺組成，采用型鋼焊接制作，電控系統(tǒng)設(shè)置在靠近車頭的一端，主要包括電控柜和蓄電池組、驅(qū)動電機、伺服電機操作面板放置在箱體外側(cè)，手動調(diào)控集裝箱升降平臺及平臺開合機構(gòu)。底層平臺采用型鋼等距焊接固定；2層為固定平臺，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成包括固定式軌道、滾輪桿件以及驅(qū)動電機；3層為可升降平臺，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成包括升降機、可升降軌道、滾輪桿件、驅(qū)動電機、伺服電機等其他零部件。

箱體頂部設(shè)置有起吊的吊耳，整個工裝與運輸車輛結(jié)合采用集裝箱腳鎖固定模式（圖3）。

圖3 集裝箱式運輸工裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

平臺通過設(shè)置可行走的滾輪起到成型鋼筋籠支撐的作用，2層和3層的平臺打開時，通過電機控制滾輪桿件沿軌道向另一端滑動展開作裝載平臺，關(guān)合時滾輪桿件沿軌道反向運動收攏，收攏后的滾輪桿件占據(jù)1 m左右的水平收納空間。

3層設(shè)置為可升降高度的裝載平臺，通過升降機電機驅(qū)動3層軌道帶動滾動絲桿同步上下運動以調(diào)整高度，升降高程為0.35～1.00 m，在箱體的縱向框架柱上設(shè)置有定位插孔，軌道上升到需要的高度后采用定位銷進(jìn)行定位，與升降機共同支撐3層平臺。升降平臺可顯著提高2層和3層的存儲利用率。

運輸工裝系統(tǒng)控制端頭主要實現(xiàn)2個功能的操作：2層、3層平臺的開合；3層平臺的升降。平臺的開合是通過電機帶動滾輪在軌道上行走（圖4），驅(qū)動滾輪與第1個滾輪之件通過鋼絲繩連接，驅(qū)動滾輪帶動第1個滾輪行走，因鋼絲繩長度有限，行走1.4 m或1.5 m后停止行走，從而帶動第2個滾輪行走，依次類推將所有滾輪展開，滾輪上安裝的支撐圓管形成一個可承重的平臺。起吊鋼筋籠截面尺寸超過1 m且長度和體型較大時2層閉合，采用1層平臺與3層平臺組合的方式運輸。

圖4 平臺開合機構(gòu)控制滾輪開合

3層升降平臺的升降是通過滾珠絲杠驅(qū)動（圖5），由伺服電機向升降機設(shè)備提供動力，實現(xiàn)3層平臺0.5～ 0.9 m之間的升降。在完成升降后，將定位銷插入相應(yīng)的銷孔并鎖緊，完成升降動作，升降機考慮速度、效率、驅(qū)動源、載重以及行程的余量，最終確定選用J010型號便可滿足運輸需求。

圖5 升降平臺機構(gòu)

制作完成后的運輸工裝支架參數(shù)如下：底層可存放鋼筋籠尺寸為2.3 m×9.0 m×1.0 m，2層可存放鋼筋籠尺寸為2.3 m×9.0 m，3層可存放鋼筋籠尺寸為2.4 m×9.8 m，2層可調(diào)高度范圍為0.3～0.7 m，3層可調(diào)高度范圍為0.5～0.9 m，平臺展開/收回時間為40～60 s，3層升降檔距為0.1 m/檔，3層升降一檔時間為5～10 s，單層承載能力為1.5 t。

2.2 成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全性計算分析

成型鋼筋籠運輸工裝系統(tǒng)對用于支撐鋼筋籠的圓形桿件進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性驗算，以校驗承載力以及受壓變形，按單層放置最大鋼筋骨架1.5 t計算，計算過程及結(jié)果如下：

1）單層成型鋼筋籠支撐管設(shè)計。

依據(jù)設(shè)計要求分析計算概況，單跨梁形式為簡支梁圓管80 mm×5 mm，材質(zhì)為Q235，荷載受力形式為均布荷載，受力件基本參數(shù)長度L＝2.5 m，均布力恒載：1.5×10/5/2.5＝1.2 kN，活載：0.1 kN，x軸塑性發(fā)展系數(shù)γx取1.05，梁的撓度控制[v]取L/250。標(biāo)準(zhǔn)值為1.30 kN，設(shè)計值qd＝1.58 kN，截面特性：Ix＝83.203 cm4，Wx＝41.601 cm3，Sx＝1 cm3，G＝9.248 kg/m，翼緣厚度tf＝5 mm，腹板厚度tw＝5 mm，最大彎矩Mmax計算值為1.23 kN·m。強度及剛度驗算結(jié)果：彎曲正應(yīng)力σmax＝28.26 N/mm2＜抗彎設(shè)計值f＝215 N/mm2，支座最大剪應(yīng)力τmax＝4 N/mm2＜抗剪設(shè)計值fv＝125 N/mm2，跨中撓度相對值v＝L/648＜撓度控制值[v]＝L/250，滿足設(shè)計要求。

2）2層走行梁設(shè)計。

依據(jù)設(shè)計要求分析計算概況，單跨梁形式為簡支梁，荷載受力形式為集中荷載，受力件長度L＝10/3.4＝2.9 m，均布力恒載1.5×10/5/2＝1.5 kN，活載0.1 kN，鋼材為Q235，截面尺寸150 mm×75 mm×5 mm×7 mm的H型鋼，標(biāo)準(zhǔn)值為1.6 kN，設(shè)計值qd＝1.94 kN，截面特性Ix＝642.02 cm4，Wx＝85.6 cm3，Sx＝49.09 cm3，G＝13.58 kg/m，翼緣厚度tf＝7 mm，腹板厚度tw＝5 mm，x軸塑性發(fā)展系數(shù)γx取1.05，梁的撓度控制[v]＝L/250，最大彎矩Mmax＝Pd×c/L×（2×a＋b）＝1.69 kN·m。強度及剛度驗算結(jié)果：彎曲正應(yīng)力σmax＝18.83 N/mm2＜抗彎設(shè)計值f＝215 N/mm2，支座最大剪應(yīng)力τmax＝3.58 N/mm2＜抗剪設(shè)計值fv＝125 N/mm2，跨中撓度相對值v＝L/3 576.2＜撓度控制值[v]＝L/250，滿足設(shè)計要求。

3）3層走行梁設(shè)計。

3層走行梁為可升降走行梁，設(shè)計中每根走行梁僅有兩端支點變形量大，因此增加桁架結(jié)構(gòu)，將變形量控制在要求范圍內(nèi)，通過三維模型分析驗證結(jié)論。走行梁選材為截面150 mm×75 mm×5 mm×7 mmH型鋼和50 mm×50 mm×3 mm方管，Q235鋼材，建立三維模型進(jìn)行應(yīng)力、撓度、安全系數(shù)分析，分析結(jié)果見圖6。

圖6 行走梁模擬分析云圖

通過模型分析發(fā)現(xiàn)彎曲正應(yīng)力σmax＝35.43 N/mm2＜抗彎設(shè)計值f＝215 N/mm2，跨中撓度相對值v＝L/5 170.8＜撓度控制值[v]＝L/250，滿足設(shè)計要求。

4）工裝箱體吊耳設(shè)計。

圖7（a）為板孔式吊耳的基本形式，即單板孔吊耳；圖7（b）為板孔式吊耳在受外力作用下孔壁承壓應(yīng)力分布情況；圖7（c）為板孔式吊耳板孔強度不夠，吊耳板被撕裂的主要失效形式示意。

圖7 吊耳計算

板孔失效時是由于吊軸與板孔接觸所形成的接觸壓應(yīng)力過大，不是造成接觸處壓潰，而是吊耳在外力的作用下對吊耳板進(jìn)行的剪切作用引起的。所以吊裝工程中常用拉曼公式來對吊耳板孔進(jìn)行抗剪強度校驗。拉曼公式板孔校核表達(dá)式為：

吊耳板孔強度滿足要求。此外對于升降機的承載力和支承力也進(jìn)行了驗算和分析，所選型號可滿足大部分工程鋼筋籠的運輸需求。

通過以上計算分析，表明該運輸工裝系統(tǒng)具有較好的結(jié)構(gòu)安全性，適用于大部分工程梁、柱、板成型鋼筋籠的運輸。

3 結(jié)語

基于空間分配組合，同時借鑒集裝箱運輸?shù)膬?yōu)點，研究出一種可集成運輸混凝土結(jié)構(gòu)用梁、柱、板成型鋼筋籠的工裝系統(tǒng)，該工裝系統(tǒng)共設(shè)置3層裝載空間，采用電控操作面板進(jìn)行裝載平臺的開合，通過電控裝載平臺升降設(shè)備升降3層裝載平臺，從而調(diào)整中間層以及頂層裝載空間的大小以適應(yīng)不同工程類型所需運輸鋼筋籠的尺寸和形式。通過計算分析了工裝系統(tǒng)的運輸承載力、變形和吊耳起吊剪切力，論證了該套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足了運輸?shù)难b載需求且工程適用性良好。電控操作簡化了裝車工人的工作方式，在節(jié)省人力的同時也具有較好的安全性。該工裝系統(tǒng)采用開放式空間設(shè)計更有利于裝卸，整體提升了建筑工程中成型鋼筋籠的運輸效率和安全可靠性，成型鋼筋配送產(chǎn)業(yè)具有非常好的工程應(yīng)用前景。