新型智慧梁場移動式軌道鋼臺座設計計算分析及施工要點

■王文清

（福建省工大工程設計有限公司，福州 350000）

“十四五”期間，橋梁工程為我國國民經濟建設發揮了重要作用，尤其是裝配式橋梁具有生產效率高、便于品質管理等優勢，在交通領域運用越來越廣泛[1]。 預制梁場作為裝配式橋梁特有的大型臨時工程，承擔著梁片制造、存儲、轉運等多重功能，在工程設計與施工中頻繁使用[2]。 許多國內外學者對梁場開展研究。 20 世紀90 年代，Tommelein[3]團隊開發了基于專家系統和人工智能法的場地規劃軟件，以此對施工場地布置進行研究。 王風波[4]團隊運用MIDAS 有限元軟件建立預制梁場的三維仿真模型，分析不同工況下制梁鋼臺座對軟基造成不均勻沉降的差異性。戴必輝[5]團隊以哈大鐵路為依托，通過數據計算、試驗監測，得出該項目預制梁場臺座沉降的合理參數取值，推導出地基不均勻沉降的變化規律。

目前的研究大多是對傳統預制梁場的底臺座固定的地基基礎、鋼臺座受力進行分析，而對新型智慧梁場移動臺座式預制場鮮有研究[6-8]。 基于此，本文依托福建山區某高速公路，對新型智慧梁場的移動式軌道鋼臺座進行創新設計，利用設計與施工平臺優勢，將設計與施工進行深度融合，以期為實現山區高速公路建設工業化轉型，打造品質工程標準化建設，提供參考。

1 工程概況

福建山區某高速公路某合同段起點 （K30+570）位于水升村北面，路線往北建鹽田港特大橋上跨鹽田港至牛頭嶼，設溪尾互通與縱一線連接，路線向北延伸至合同段終點下邳村，設下邳樞紐互通與沈海高速相接，終點樁號K33+807.299，路線總長3.237 km；主要工程包括特大橋1 座、互通2 處。

2 新型智慧梁場建設

項目智慧梁場設置在下邳互通主線路基與溪尾互通A 匝道上，標高7.5 m，長度439 m，占地面積約為14 048 m2；共分為信息控制中心、一體化鋼筋加工區、混凝土T 梁澆筑區、蒸汽養護區、預應力張拉及壓漿區、存梁區等6 個區域。 項目投入T 梁鋼筋制作及安裝一體化智能加工設備、全自動液壓不銹鋼模板、自行式移動臺座、智能蒸養等新設備，在傳統建設施工技術上，依托施工標準化、智能化、信息化創新，打造“廠房內施工作業、施工工序固定、施工區域循環、流水線作業”的全新預制模式。智慧梁場總平面布置如圖1 所示。

圖1 智慧梁場總平面布置

2.1 一體化鋼筋加工區

T 梁鋼筋一體化智能生產線分鋼筋成型中心、焊接中心、存儲運送中心、裝配中心4 個生產鏈，采用智能數控彎曲機與胎膜架相結合，輔以人工智能，將傳統的T 梁鋼筋制作及安裝工序進行系統整合，大大提高了作業效率，降低了勞動強度，提升了產品質量，較傳統鋼筋加工可節約60%的人工成本。

2.1.1 鋼筋成型中心

將原材存放區、鋼筋調直機、智能數控彎曲中心3 個生產區進行整合，形成鋼筋從原材到成品一體化生產鏈。 智能數控彎曲機通過人工智能預先設定鋼筋加工參數，能夠實現梁片馬蹄筋及腹板箍筋從梁體一端至另外一端按順序排列，一次加工成型。

2.1.2 焊接中心

通過人工智能將馬蹄筋與腹板箍筋進行焊接固定，形成骨架片，具有自動定位、尺寸校準、自動識別焊接部位并實現自動焊接等功能，減少了鋼筋安裝好后尺量定位帶來的預應力管道誤差，提高預應力精準度。

2.1.3 存儲運送中心

具備存儲及自動運送功能，僅需將已加工好的成品鋼筋按順序依次擺放至貨架車上，人隨貨架車移動進行鋼筋安裝，無需成品鋼筋從存放區至綁扎安裝區二次倒運。

2.1.4 鋼筋組裝中心

腹板豎向鋼筋安放好后，再將水平構造筋安放至牽引定位槽內，矯正裝置前伸對腹板鋼筋頂部進行扶正，水平構造筋自動定位裝置前伸，將水平筋頂推至與腹板豎向筋密接，并在交叉點進行自動點焊固定。

2.2 混凝土T 梁澆筑區

采用液壓不銹鋼模板，模板底部安裝移動裝置，通過液壓控制系統對模板拆合及橫坡度、長度實現自動化調整，大大節省模板拆裝時間，避免梁體缺邊掉角。 混凝土送料采用自動布料系統，減少了人工占有率，有效地保證了混凝土性能。 模板上設置附著式振搗器， 根據混凝土的澆筑順序及澆筑速度，一鍵控制振搗器啟停，實現混凝土自動振搗，避免混凝土漏振、過振，提高混凝土澆筑質量。

2.3 蒸汽養護區

梁片拆模后通過自行式移動臺座將T 梁運至蒸汽養護室進行蒸養。 根據蒸養階段的濕度、溫度等環境要求，計算蒸養室的蒸汽發生器配置數量及性能規格。 在蒸養控制箱中加裝網絡傳輸模塊，利用手機端小程序實現對蒸養參數的遠程控制，一旦發生數據偏差或質量問題，系統自動預警并發送至管理人員，以便及時調整，確保蒸養質量。

梁體蒸養養護分為升溫、恒溫、降溫3 個階段：（1）蒸養升溫階段：溫度急速上升，混凝土表面因體積膨脹過快易產生裂縫，因此控制升溫速度不高于15 ℃/h，升溫2～3 h 完成，以保證升溫與混凝土凝固發熱階段的變化趨勢一致；（2）恒溫階段：這是混凝土強度增長最快的階段，控制蒸汽養生恒溫溫度55～60 ℃，相對濕度保持90%～100%，恒溫18 h；（3）降溫階段：為避免蒸汽溫度驟然降溫而引起梁體混凝土產生裂縫變形，需嚴格控制降溫速度，降溫速度不高于10 ℃/h，降溫3～4 h 完成。

2.4 預應力張拉及壓漿區

當梁體養生達到設計張拉條件時，從蒸養室移動梁體至預應力張拉區。 通過智能張拉壓漿系統實時采集相關數據，超出標準時發出預警，追蹤異常數據，及時分析原因并采取措施，做到施工質量全過程控制。

2.5 全過程信息化監控

智慧梁廠設信息中心，輔助項目管理，對生產過程進行數據統計，匯總展示預制梁的歷史生產情況。 通過對預制構件信息跟蹤、定位，結合現場視頻監控系統， 實現在平臺直觀了解梁片生產進度、臺座及模板使用情況，監控混凝土振搗工藝、梁片蒸養狀態，語音提醒現場的不安全行為等。

2.5.1 BIM 技術信息化

運用BIM 信息技術三維展現每片預制梁的制作，實現全過程工程信息及施工資料的動態追蹤歸檔，便于實時追蹤T 梁生產進度，實現T 梁生產效率信息化管控。

2.5.2 二維碼體系信息化

引進二維碼管理模塊，根據作業人員的個人信息、進場時間、安全教育培訓記錄、安全交底記錄、違規記錄和機械設備的設備信息、 檢驗檢測情況、日常檢查、檢修、維護、保養記錄等內容，為每個作業人員和機械設備生成獨立二維碼，并張貼在作業人員的安全帽及機械設備上，建立人員、設備二維碼管理體系，做到“一人（一機）一證”。 通過掃描二維碼可直觀呈現安全管理信息，人員和機械的管理完成由平面化向立體化的轉變，并能在施工現場在線添加設備檢查、維護保養記錄和人員違規作業等各項安全管理內容，實現內業資料建立與現場管理的實時對接與完善，使項目施工安全管理更加規范便捷，現場監管更加高效，內業信息全過程具有更強的可追溯性。

2.5.3 質量安全協同管理標準化

運用移動端BV， 將現場施工情況錄入BIM 模型， 項目人員可直接通過模型查看現場施工情況，管控施工進度，具體流程如下：（1）檢查人員在施工現場或通過信息化平臺進行隱患排查， 發現問題后， 用移動端BV 拍照上傳系統并提醒相關人員整改；（2）相關人員收到整改信息，將問題整改完畢，并拍照上傳回復；（3）檢查人員查看整改后的照片，確認無誤之后結束本次協作；（4）管理人員可以在系統中查看安全生產隱患排查及風險管控的處理流程，從而把控工程質量。 預制T 梁技術的創新升級，有效地解決了施工行業高能耗、高風險、低效率、低智能化的困境，而預制T 梁的移動式軌道鋼臺座的設計與基礎安全檢算是實現施工生產智能建造的關鍵。

3 移動式軌道鋼臺座設計計算

3.1 設計參數

依據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2019）[9]、《鋼結構設計規范》（GB50017-2017）[10]、《建筑工程大模板技術規程》（JGJ/T 74-2017）[11]等規范開展設計與驗算，計算內容為地基土承載力、變形（沉降）驗算等。 移動式軌道鋼臺座斷面示意圖和實景圖如圖2～3 所示。

圖3 移動式軌道鋼臺座現場圖片

3.1.1 計算參數取值

（1）荷載取值

智慧梁場內所有制梁、存梁臺座均為30 m T 梁和40m T 梁共用的自行式移動臺座，計算時可只考慮40 m T 梁臺座分布荷載情況。 g 取10 N/kg，40 m T 梁自重m=165 t，G1=1 650 kN；梁模板重45 t,G2=450 kN；梁移動臺座重26 t，G3=260 kN。 臺座基礎尺寸：長41 m，寬3 m，厚0.3 m，底面積123 m2，體積36.9 m3。

（2）土層參數

該處包含挖方和填方地段，挖方段地基承載力≥300 kPa,填方段壓實度≥96%，原地面地基承載力取300 kPa。

3.1.2 設計計算指標采用值

鋼材物理性能指標：彈性模量E＝2.06×105N/mm2，質量密度ρ＝7 850 kg/m3；鋼材強度設計值：抗拉、抗壓、抗彎f＝215 MPa，抗剪fv＝125 MPa，C30 混凝土軸心抗壓強度設計值fcd=14.3 MPa；容許撓度：鋼模板板面〔δ〕≤L1/1000，模板主肋〔δ〕≤L2/500，背楞〔δ〕≤L3/500，臺座面板平面度≤2 mm。

3.2 鋼臺座底模板設計受力計算

移動臺座底模板主要承受混凝土自重荷載。根據施工實際情況，分為2 類工況：工況一為梁片混凝土澆筑即將完成時，此時底模板承受的均布荷載最大。 工況二為梁片張拉完成后，由于張力將梁和底模張拉變形，梁片上拱，整片梁的荷載集中在梁片兩端。 采用ANSYS 17.0 大型有限元分析軟件進行建模分析與計算。 建模步驟包括：選擇分析模塊、創建有限元模型（創建和輸入幾何模型、定義單元類型、定義材料屬性、劃分網絡）、施加載荷并求解、查看結果（幾何實體模型在X 軸、Y 軸、Z 軸的應力變形圖、單元應力云圖）。 本項目移動臺座基礎計算長度40 m，每0.1 m 設1 個節點，共400 個單元，401 個節點。 模板選材用料如下：面板采用6 mm 厚201 不銹鋼鋼板，豎邊框采用12×100 mm熱軋Q235 帶鋼，橫肋采用[10#熱軋Q235 槽鋼，連接螺栓采用4.8 級M20×60 螺栓。

3.2.1 工況一

在此工況下，混凝土荷載F=55 kN/m2，振搗混凝土時產生的垂直荷載標準值取4 kN/m2，翼緣板總體壓力的設計值F1設=55×1.2+4×1.4=71.6 kN/m2，模板變形分析時采用新澆混凝土對翼緣板壓力的標準值F1標=55×1.0=55 kN/m2。 運用有限元軟件模擬混凝土澆筑，此時底模整體應力分布和位移分布如圖4～5 所示。

圖4 澆筑時底模整體應力分布圖

圖5 澆筑時底模整體位移分布圖

由計算結果可知， 澆筑時底模整體最大應力σmax=76 MPa，模板主體部分應力均小于鋼材強度設計值215 MPa；底模整體最大變形0.39 mm，小于臺座面板平面度2 mm， 可得在工況一下底模板的強度、剛度均能滿足施工要求。

3.2.2 工況二

運用有限元軟件模擬張拉后工況， 由計算可知，張拉后底模整體最大應力σmax=81 MPa，模板主體部分應力均小于鋼材強度設計值215 MPa；底模整體最大變形0.45 mm，小于臺座面板平面度2 mm，故在工況二下底模板的強度、剛度均能滿足施工要求。

3.3 鋼臺座基礎承載力設計計算

移動軌道承擔梁體預制及制梁完成后的支撐作用，并帶動梁體沿軌道縱向移動。 按照最不利工況起吊40 m T 梁考慮，40 m T 梁重力G1=1 650 kN，梁模板重力G2=450 kN，梁移動臺座重力G3=260 kN，砼施工時人力荷載按8 人計，澆筑時人力荷載G4=6 kN，臺座基礎重力G5=2.6×36.9×9.8=940.2 kN。

3.3.1 工況一

混凝土澆筑時對地基的最大壓力Fmax=G1+G2+G3+G4+G5=1650+450+260+6+940.2=3 306.2 kN，每m2對地基的壓力為：f=Fmax/A=3 306.2/123=26.9 kN/m2=26.9 kPa＜300 kPa；因此在工況一下，地基承載力滿足要求。

3.3.2 工況二

張拉后制梁臺座兩端受力， 受力面積A=3 m×3 m×2=18 m2；每m2對地基的壓力為：f=F/A=（1650+260）/18=106.1 kPa<300 kPa；因此在工況二下，地基承載力滿足要求。

4 移動式軌道鋼臺座基礎設計安全檢算

4.1 鋼臺座基礎設計安全檢算

智慧梁場使用起吊跨度31 m 的100 T 龍門吊， 額定功率60 kW/臺。 龍門吊軌道梁采用C30砼、基礎寬0.8 m、厚0.3 m，基礎砼底部設φ12@10×10 cm 鋼筋網片加強。 軌道截面尺寸寬0.5 m、高0.4 m，采用C30 砼澆筑，每隔12 m 處設置1 道斷縫，防止不均勻沉降造成軌道開裂。 軌道采用P50型鋼軌，基礎每隔1 m 安裝1 道預埋件，采用軌道壓板固定鋼軌。 龍門吊軌道梁見圖6。

圖6 龍門吊軌道梁現場圖片

4.1.1 吊裝重量

龍門吊負責吊裝30 m、40 m T 梁腹板、頂板鋼筋骨架。 混凝土澆筑時，滿裝料斗3 m2，合計約8 t,移動軌道約16 t，40 m 預制T 梁最大方量66 m2，約165 t。

4.1.2 荷載

龍門吊基礎尺寸如圖7 所示。按吊裝40 m T 梁最不利情況計算，T 梁最大重力N1=1 650 kN，龍門吊自重32 t，N2=320 kN。

圖7 龍門吊基礎尺寸（單位：cm）

4.1.3 復核

龍門吊軌道基礎承受輪壓荷載與地基反力的雙重作用。軌道荷載按1:1 傳遞至基底，實際承載底寬1 m，沿軌道方向按1.5 m 計算，龍門吊軌間距31 m，混凝土自重N3=12 kN。吊裝過程由2 臺龍門吊同時吊裝，單臺龍門吊由4 個輪子將荷載傳遞至基礎，以最不利位置起吊計算， 則單個輪子所受荷載Fmax=456 kN，基底長2 m，寬1 m，面積2 m2。龍門吊軌道梁受力如圖8 所示。

圖8 龍門吊軌道梁受力圖（單位：cm）

在每m2對地基的壓力為300 kPa，龍門吊地基承載力滿足要求。

4.2 鋼臺座基礎地基承載力安全檢算

對軌道式臺座基礎的地基承載力進行檢測，當地基承載力不足300 kPa 時，應換填處理。 100 t 龍門吊輪距7 m，安全系數1.2。 按照最不利工況起吊40 m T 梁考慮，40 m T 梁重力G1=1 650 kN，龍門吊自重G2=1 000 kN，單側基礎長9 m、寬度1.5 m，基礎底面積A=13.5 m2，單側臺座基礎體積V=9.18 m3，基礎重力G3=238.68 kN。 軌道梁地基承載受力如圖9 所示。

圖9 軌道梁地基承載受力示意圖

最大存梁時地基壓力Fmax=（G1+G2+G3×2）×1.2 =3 753 kN，在每m2對地基的壓力為139 kN/m2=139 kPa＜300 kPa；故龍門吊軌道基礎地基承載力滿足要求。

5 移動式軌道鋼臺座施工技術要點

（1）由于預制區是高填土地段，在龍門吊軌道基礎和臺座基礎分別設置沉降觀測點， 如圖10 所示。 龍門吊軌道每10 m 設置1 道，臺座分別設置梁端部、跨中、1/4 處、3/4 處位置。 根據沉降規律，前期每半個月至少進行1 次測量監測，后期可適當調整至每月1 次，以保證龍門吊行走及臺座預拱度的正常。 同時建立觀測數據檔案，分析臺座沉降情況，發現異常及時處理。 （2）臺座采用不銹鋼面板組成，頂部為6 mm 厚不銹鋼板或復合鋼板，臺座邊角預埋2 根縱向［5#槽鋼，并與臺面鋼板焊接固定。 槽鋼下為鋼筋骨架，預制臺座基礎縱橫向鋼筋焊接連成整體。 （3）為了保證橋梁的平整，按照設計要求在每個臺座上按二次拋物線設置10 mm 的反拱值，保證偏差在±2 mm 以內。 臺座縱向間距大于2 倍的翼緣板寬度，臺座橫向凈間距設置為4 m，以便吊裝模板和移運梁體。 （4）龍門吊軌道基礎應設置于地質較好的地基上，開挖后人工整平，澆筑墊層，綁扎基礎鋼筋，安裝模板并加固，澆筑砼時注意預埋件的位置準確。 龍門吊軌道基礎完成后，通過測量人員放出的鋼軌中心線及時安裝軌道，確保線型順直。 軌道鋼軌縱向連接采用連接板，并安裝高強螺栓進行加固；鋼軌和基礎砼面的加固采用預埋壓板固定。 鋼軌安裝完成后，在鋼軌縱向兩端安裝行走限位器。軌道鋪設時將軌道焊接為整體式長軌，并將焊縫打磨平整，以減少臺座移動過程中對梁體的損傷。

圖10 臺座基礎觀測點

6 結語

運用ANSYS17.0 有限元軟件模擬法和理論公式法，分別對梁片混凝土澆筑即將完成和梁片張拉完成后2 種工況下的移動臺座底模板應力及軌道式移動臺座基礎承載力進行設計計算，并對移動式軌道臺座基礎應力及基礎地基承載力進行安全檢算，校核地基的強度、剛度、穩定性。 實踐證明，基礎及移動鋼臺座能很好地滿足施工過程的安全性和可靠性要求。 智慧梁場的智能建造，高度契合了高質量發展模式的要求， 采用合理的技術創新對策，將數字化、網絡化、智能化技術與傳統建設技術相融合， 形成面向的施工生產智能建造技術體系，對其他類似工程有指導意義。