提高预制三铰拱安装精度的工艺研究

徐文玮

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 研究背景

在大型的预制拱形结构中，为了方便制作和运输，一般采用三铰拱的结构形式，如图1所示。整个拱形结构由1个拱顶节点和2个拱脚节点组成。三铰拱由2个完全相同的预制拱板安装而成[1-3]。

图1 预制三铰拱结构

预制构件的定位装置由位于左跨和右跨拱顶处的螺栓底座和对拉螺栓组成[4]，如图2所示。在现场安装三铰拱时，首先在拱顶位置画出中心线，然后临时固定左跨，当右跨的中心线与左跨中心线重合，并且两跨的螺栓底座中心线重合时，用对拉螺栓连接左跨和右跨完成安装。

图2 拱顶定位装置

对于跨度较小的三铰拱结构而言，上述工艺对预制三铰拱的成拱精度影响较小，能满足精度要求。但对于跨度超过20 m的大型预制三铰拱结构而言，上述定位工艺将造成整体三铰拱的轴线偏差超过设计值，对拱结构的受力产生较大影响，上述方法的局限性愈发明显，研究新型定位工艺对保证三铰拱结构安装精度有着重要的实际意义。

2 研究思路

从上述分析可知，预制三铰拱结构的成拱精度与拱顶端面的垂直度、左跨与右跨的中心线重合程度均有关系。提高预制三铰拱的整拱安装精度应从上述2个主要影响因素进行考虑。

拱顶端面由混凝土结构组成，混凝土结构在浇筑过程中由于收缩、气泡和脱模等原因，表面相对粗糙且平面度低，在精确安装时不宜作为定位面。而钢铁构件表面通过轧制或者机加工而成，表面精度较高，因此在新的定位工艺里，采用凸出的钢铁面代替原工艺中的混凝土面作为定位面。同时为了提高钢铁面相对于拱轴线的垂直度，在设计模具时，使用机械定位方法控制预埋钢铁面与拱轴线的垂直度，实现预埋钢铁面能严格垂直拱轴线，如图3所示。

图3 采用预埋钢铁面作为拱顶定位面

为使左跨中心线与右跨中心线能够最大程度地重合，仅靠现有的画线方式不能保证共线精度。须采用预埋销孔和定位销的方式保证左跨中心线和右跨中心能够实现高精度的重合。预埋销孔的埋设精度对共线精度影响较大。当偏差较大时，不仅导致定位销无法正常安装，还可能导致左跨拱顶端面与右跨拱顶端面无法贴合形成稳定的受力面。在预埋钢板内制作销孔时，采用机加工方式保持销孔轴线与预埋钢板面的垂直度，实现销孔轴线严格垂直于预埋钢板面。销孔与定位销的配合精度同样对安装有较大的影响。为了保证左跨与右跨的成拱精度，希望销孔与定位销之间采用紧配合，但采用紧配合后需要现场能够精细调整左跨和右跨的位置，对现场的安装设备和安装工艺有不利影响。因此需要综合考虑定位精度和安装效率之间的平衡：在工厂预制时，加工条件好，采用紧配合；在现场安装时，为了提高安装效率，采用精度稍低的松配合。

3 提高预制三铰拱结构安装精度的主要措施

3.1 控制拱顶端面垂直度

控制拱顶端面垂直度包括三部分内容：首先要控制模具内拱顶端板自身的平面度；其次要控制模具内拱顶端板上的定位孔相对于模具内拱顶端板的垂直度；最后要控制模具内拱顶端板相对于拱轴线的垂直度。

在加工模具内拱顶模具端板和预埋钢板时，模具内拱顶端板与预埋钢板接触面采用机床铣削而成，表面粗糙度精度高，具备定位基准面的功能，保证自身平面度的精度要求。以上述加工面为定位基准，在模具拱顶端板和预埋钢板内加工高精度的通孔，孔的直径公差采用H8，孔与基准面的垂直度误差不超过0.2 mm。

预制件的模具如图4所示，在制作模具时，使用激光设备切割出拱结构的底面，精度误差不超过0.2 mm，保证预制件的轴线精度高。在加工模具拱顶端板的安装止口时，使用机床在预制件模具上加工出安装止口。安装止口垂直于拱结构的轴线，在安装模具拱顶端板时，以上述安装止口为安装基准，使模具拱顶端板的加工面靠紧安装止口，实现模具拱顶端板严格垂直于拱轴线，如图5所示。

图4 预制件模具

图5 模具拱顶端板垂直于拱轴线

3.2 预埋销孔的定位精度

为保证预埋钢板的放置精度，以模具拱顶端板上的孔作为定位基准，使用紧配合的车间定位销对预埋钢板进行定位，车间定位销和孔的配合精度为H8/h7。

在放置预埋钢板时，如图6所示，预埋钢板加工面和模具定位钢板的加工面贴紧，依靠紧配合的车间定位销实现预埋钢板的定位。

图6 预埋钢板的精确定位

在浇筑混凝土前，在模具拱顶端板的加工面上敷设隔离材料，保证混凝土面低于预埋钢板面，如图7（a）所示。混凝土强度达到设计值时，拔出车间定位销，预制构件脱模，预埋销孔的最终位置如图7（b）所示。

图7 预埋销孔的最终定位

通过上述工艺措施，安装止口的定位精度依次传递至模具拱顶端板、预埋钢板加工面和定位销，最终实现预埋销孔的精确定位。

3.3 现场安装精度控制

在现场安装过程中，通过定位销将左跨半拱的预埋销孔和右跨半拱的预埋销孔连接后实现左跨半拱和右跨半拱的定位。在模具上制作预制构件时，为了精确控制预埋销孔的位置，使用了紧配合的车间定位销。但在现场安装时，如果仍然使用紧配合的车间定位销，将造成在现场安装过程中对右跨半拱需要有精确控制姿态的能力以实现紧配合定位销的顺利穿入。上述过程不仅对现场安装设备要求高，实施困难，同时由于紧配合定位销穿入过程缓慢，影响施工效率。基于上述考虑，在现场安装过程中，在满足安装精度的前提下，使用松配合的安装定位销，安装定位销和预埋销孔采用容易拆卸的间隙配合H8/f8，实现既能满足设计安装精度要求，又能快速安装的效果。

4 新型预制三铰拱安装工艺流程

在制作预制半拱时，使用同一套模具在预制工厂内进行制作，预埋销孔的安装精度保持在同一精度水平。当预制半拱运输至现场后，首先使用吊装设备将左跨半拱放置在安装胎架上，并在拱顶的预埋销孔内设置现场定位销，如图8（a）所示，然后移动右跨，使得左跨上的安装定位销穿入右跨的预埋销孔内，如图8（b）所示，最终的状态如图8（c）所示。

图8 预制三铰拱的安装工艺流程

5 新型定位工艺的应用

上海轨道交通15号线吴中路站的拱形顶板为叠合结构，拱形结构跨度的最大值为21 m，叠合结构的预制部分采用预制三铰拱结构，预制构件总质量为34 t。预制件的制作和安装使用了本文提出的预制构件定位安装工艺。

工地应用证明，使用新型定位工艺进行大型预制三铰拱的安装作业，不仅定位精度高，轴线偏差不超过10 mm，远低于设计要求的偏差限值，而且施工快速便捷，每班可安装5榀预制三铰拱结构。新型定位工艺为大型拱结构安装提供了更高效的施工解决方案。

6 创新点

首先，采用安装止口控制模具的拱顶侧板垂直度，保持模具内的拱顶侧板能够严格垂直于拱底边线。其次，采用紧配合定位销的方式，以模具内拱顶侧板为基准定位预埋销孔，保持预埋销孔的端面能够严格垂直于拱底边线，预埋销孔的孔轴线严格垂直于模具内的拱顶侧板，从而实现预埋销孔的端面严格垂直于拱轴线。最后，在现场进行成拱安装时，使用比模具定位销低一级的松配合定位销作为安装定位销，在满足成拱精度的前提下实现快捷安装。

7 效益与应用前景

本文提出的新型预制三铰拱定位工艺适用于在工地现场安装跨度超过20 m的大型预制三铰拱结构，不仅能够精确控制拱顶端面和预埋销孔的位置，还能实现现场快速安装预制三铰拱，安装精度远高于设计要求。该工艺根据误差传递原理，以预制构件模具的拱轴线作为精度控制起点，依次通过控制模具拱顶端板和定位销，最终实现了预埋销孔的精确定位，避免了以往靠螺栓定位预埋销孔出现的定位精度低、安装误差大的问题。该工艺符合绿色建造的可持续发展理念，社会、经济和环保效益显著，适用于各类拱形构件的安装，具有非常广阔的市场应用前景。

8 结语

本文通过分析现有定位方法在大型预制三铰拱现场安装中存在的问题，综合考虑了模具内拱顶端板、预埋销孔、定位销对定位精度的影响，提出了以拱轴线为定位基准，依次控制拱顶端板、定位销、预埋销孔的定位精度，同时为了提高现场安装效率，使用了松配合的现场定位销实现现场快速安装。上述定位工艺不仅定位精度高，预埋销孔位置准确，同时施工快速便捷，效率高，经济性好，尤其适用于跨度超过20 m的大型预制拱形结构的定位，为大型预制拱形结构的安装施工进行了有益探索。