城市轨道工程U型梁预制施工工法关键技术研究

城市轨道工程U型梁预制施工工法关键技术研究

杨明

中铁十五局集团城市建设工程有限公司471000

摘要：随着城市轨道交通工程的快速发展,U型梁越来越多的用于高架桥线路,U型梁结构形式新颖,施工工艺较为复杂。因建设项目相对较少,施工经验缺乏,U型梁的预制施工工艺,需进行专项研究,进一步完善提升。本文以南京宁高城际轨道交通工程TA04标梁场为依托,通过在U型梁预制施工工法中钢筋工程部分引入胎模绑扎技术、钢筋笼整体吊装技术、液压钢模板技术，合理优化施工工序，并综合考虑预应力混凝土结构强度与养护时间的关系，研究总结设计出一套系统完备、实施高效的U型梁生产工艺，推动城市轨道U型梁预制施工生产的规模化、标准化，为轻型轨道交通的大力推广和快速建造提供技术指导与支持。

关键词：U型梁；预制；关键技术；

1项目背景及主要研究内容

1.1项目背景、意义

宁高城际轨道交通二期是连接南京主城区与高淳之间的一条公共交通骨干线路，是江苏沿江城市群城际轨道交通网重要组成部分，也是南京市郊轨道交通的延伸与补充。该工程线路全长52.35公里，高架段长约43.98公里。其中TA04标高架上部结构采用新型U形梁形式。该形式是将城市高架轨道交通传统箱梁形式优化为薄壁开口的U梁结构形式。此种梁型不仅外形美观，而且由于整体为薄壁结构，可大幅节省材料，相对于传统箱梁形式可节省材料约1/3，同时可降低轨道交通整体结构高度。

1.2主要研究内容

本文以宁高城际轨道交通二期TA04标上部U型梁为依托，针对工程实际特点及主要施工技术重点，整合时下较新的施工工法和工艺，对现有U型梁结构的生产技术进行优化创新，并研究相应的控制标准以及控制对策，开展相关科学试验研究工作，主要研究内容为：

（1）以施工图纸依据，综合考虑钢筋间距、尺寸大小、摆放顺序、绑扎角度、绑扎方式、钢筋笼起吊形式，设计研制出可高效绑扎钢筋笼的钢制胎模，优化U型梁预制施工工法工序，节约工期，实现更大的经济效益。

（2）为提高施工工程进度，推动施工生产规模化标准化，采用钢筋笼胎模绑扎工法，同时采用了整体液压式钢模板，保证工程施工质量和效率，实现工法工序的优化。

（3）为保证宁高城际轨道在100年设计使用寿命内混凝土结构有足够的耐久性和优良的工程质量，并同时考虑工程工期中包含冬季施工，为避免冬季施工时混凝土凝结时间过长，保证混凝土能充分水化凝结，制定科学而且系统的混凝土养护方案。

2关键技术及解决办法

2.1采用可快速准确高质绑扎钢筋笼的钢制胎模

目前规模化生产、标准化作业已成为未来工程发展的必然趋势，而现行钢筋混凝土工程三个施工要素（钢筋、模板、混凝土）中，钢筋工程进步较慢，对于已经规模化标准化的预制梁场仍有大部分采用传统人工现场绑扎，容易带来劳动强度大、质量不稳定、施工效率低、材料浪费大、成本难以控制、安全隐患多等问题。

通过分析施工图纸和U型梁钢筋笼结构形式，设计出可以快速实现钢筋定位绑扎的钢制胎膜，推动钢筋工程中定位、绑扎工作模式化、标准化，优化施工工序，全面提高施工质量和施工速度。

2.1.1使用胎模的技术优势

传统的U型梁预制厂钢筋绑扎都是通过将弯制计算好的钢筋通过起重吊臂吊入外模具，由工人在模板上上画出各钢筋定位线，在外模板上定位、绑扎、固定。相比较传统人工外模板上绑扎，使用定制的胎模有如下几点优势：

（1）大幅节约人工成本

使用胎模只需要工人将加工好的钢筋依次放入对应的胎具卡口。将之前对齐画线的时间节约起来，同时不需要过多的人工参与，同时现场管理人员检查实也容易及时发现缺漏，并不需要可以检查平整度也可以保证骨架的完整性和精确程度。工人可以在由胎具固定好的钢筋笼上快速绑扎。效率大大提高。

（2）节约材料成本

传统的钢筋的调直、连接、下料、切断、弯起由钢筋加工厂负责，由熟练工人操作加工机械完成，对工人操作水平要求较高。在允许存在一定误差的情况下，传统的人工绑扎并不能及时准确发现加工过的钢筋的加工质量好坏。只凭简单的目测和测量工具粗略地测量不符合要求的钢筋无法被及时发现。而胎具的设计只要一开始确保制造的精确度，即可以保证具体的尺寸大小与角度，当将加工过的钢筋套入卡口时可以快速检验加工的准确性，一旦有尺寸偏差及时做出整改。不容易造成过多的余料废料的出现。

（3）有效节约能源、资源，贯彻科学施工、绿色施工的理念

人工绑扎所带来的施工时间长、施工人员劳作强度大以及对于施工环境和施工设备要求苛刻的情况导致施工过程中用工成本、管理成本和时间成本的资源产生不必要的浪费，伴随产生的钢材、水、电、燃油等能源消耗过大。这样的生产方式违背了科学施工理念，用胎模进行加工可以有效避免以上浪费，同时速度得到充分保证，使得更多生产资源实现新一轮的生产再造。

通过胎模（具）绑扎钢筋骨架有效降低劳动强度，提高施工的速度和质量，降低管理难度，减少了材料浪费，降低施工成本，同时促使了施工生产过程工业化，规模化，降低质量和安全隐患。有效规避不同工序之间交叉干扰。

2.1.2使用胎模的钢筋绑扎技术

2.1.2.1钢筋骨架的绑扎顺序

底板下层钢筋、腹板外层钢筋定位绑扎——底板上层钢筋定位绑扎——腹板内层钢筋定位绑扎——顶板钢筋绑扎——两支承端及其它钢筋绑扎——波纹管、定位钢筋预绑——绑扎保护层垫块——钢筋骨架验收

2.1.2.2绑扎要求

绑扎钢筋之前，应按施工图做好钢筋排列间距的标尺和在绑扎平台及胎模上，划线并做好标记。钢筋在相交点处，应用铁丝扎结，绑扎扎丝拧应不少于两圈。钢筋网的交叉点可以每隔一根互成梅花式扎牢，但在周边两行的交叉，每处都应绑扎。板的双向主筋，则须将全部钢筋相交点扎牢。除设计有特殊规定之外，梁中的箍筋应与主筋垂直，箍筋转角处应与主钢筋的交接点扎牢。箍筋的接头（弯钩迭合处）在梁中应沿纵向轴线方向交叉布置。绑扎的铁丝要向里弯，不得伸向保护层内。绑扎钢丝选用无锈的镀锌钢丝，绑扎用铁丝的规定执行详见表2.1.2-1。

注：每扣一般用二股铁丝，表列一般为股长。

钢筋的级别、直径、根数和间距均应符合设计要求。绑扎或焊接的钢筋网和钢筋骨架不得有变形、松脱和开焊，钢筋位置的偏差不得超过下表2.2.2-2。

2.2钢筋笼整体吊装技术

结合钢筋胎膜绑扎技术，为实现施工工序和工程质量的优化，分析钢筋笼结构形式特点，设计出配合胎模绑扎施工使用的起吊机具，保证钢筋笼入模时钢筋笼的平整性和准确度。

2.2.1吊架设计与变形监测

U型梁钢筋笼起吊机具采用一根14号热轧普通工字钢做上弦杆，两根14号工字钢做下弦杆，用6.3号槽钢做竖杆，上下弦杆之间用3号等边角钢做斜腹杆。腹杆与弦杆之间通过搭接板焊接连接。将下弦杆作为纵向“主梁”，在下弦杆上每隔150cm间距焊接横向14号工字钢作为“次梁”，将5个吊点平均布置于次梁上。同时横桥向工字钢、竖杆、上弦杆采用角焊缝端接。吊点下挂铁链和花篮螺栓，起吊钢筋笼时通过花篮螺栓的调节控制钢筋笼形状，避免误差过大。起吊机具焊接完成后，由专业人员进行试吊，检验偏差值。为保证钢筋骨架偏移误差监测数据的准确性，测试点按照钢筋笼尺寸，设置29个测试截面，每个截面等间距取6个点进行测量。最后通过对比起吊前后每个截面高差变化值得到起吊造成的偏差值，确保钢筋变形值不大于1cm。

2.2.2钢筋笼吊运入模

钢筋笼采用专用吊架吊运入模，吊架采用型钢框架结构，吊点布置为横向一排3根钢丝绳吊点，纵向1.5m一排，钢丝绳长度一致，两端分别用卸夹安装在吊架及钢筋笼下皮横向钢筋上，确保吊运安全。

吊运时，钢筋笼上口必须设拉结筋以防钢筋笼变形，吊架钢丝绳吊点统一安装在底板下皮同一层横向钢筋上，同时根据钢筋笼横向重心位置选择各吊点，吊点钢丝绳竖直安装，以确保钢筋笼吊运时的平衡及受力均匀。

吊运采用双机抬吊，在起吊、行进及入模过程中两行车须轻吊轻放，保持步调一致、平稳运行。

2.2.3钢筋笼模内调整

入模后的钢筋笼须按设计要求就位，调正，如有变形或扎结、焊接点有松动应及时校正并补扎、补焊。为保证钢筋骨架精度，须避免在模板安装过程中通过对模板施加外力挤压来调整钢筋位置；应尽量减少面板与钢筋的磨擦，混凝土浇筑过程中应尽量避免与振捣棒的直接接触。

钢筋笼入模后安装内模之后，定位后张预应力波纹管，然后检查钢筋笼与预应力筋有无冲突，如有，则需将钢筋位置进行调整。同时检查后张预应力管道的定位钢筋位置，以确保管道的平顺，当梁体钢筋与管道相碰时，适当移动梁体构造钢筋或进行适当弯折。预应力筋竖弯及平弯处的箍筋绑扎牢固，在钢筋较密处，必要时将相邻钢筋成束绑扎，确保混凝土的灌注通路。

2.3采用整体液压式钢模板系统

普通预制场的模板施工多采用拼装式模板，通过采用整体液压式模板系统，可以避免拼装模板安装拆卸时间长、工效低、模板容易错台、混凝土表面不规则不平整的问题。精确控制预制梁外观质量，节约作业时间，提高工效。

2.3.1采用整体液压式钢模板的技术优势

由于U型梁体外表面要求为清水混凝土效果，对混凝土色差、气泡的要求远高于常规箱梁混凝土施工，同时对混凝土耐久性要求为100年。采用整体液压式钢模板相比较一般的模板拼装，整体式模板由于采用液压驱动，动力足，具有以下技术优势：

（1）具有足够的强度和刚度，能满足施工周转次数的要求；

（2）板面平整光滑、不变形、不翘曲、有效避免传统拼接型模板错台的情况。

（3）整体式液压模板脱模容易，安装便捷，具有较好的工效性；

（4）底模、外模、内模、端模相互之间的安装拼缝严密、不漏浆

（5）有效保证梁体外观要求，无接缝、色差、气泡，有效实现外观质量控制。

2.3.2模板操作流程

2.3.2.1拆模操作流程

模板拆除流程为：拆除顶部拉杆——拆除内模水平杆——收紧内模斜撑杆至内模面板脱离砼面——拆除斜撑杆——移动（收缩）内模——内模吊离——拆除放张块——放松外模底部螺栓——收紧外模斜撑使外模与砼脱离——放张——拆除端模（完毕）

2.3.2.2合模操作流程

合模操作流程为拆模的逆过程，具体流程为：调整外模基本竖直——紧固外模与底模间螺栓——调整外模斜撑杆至外模竖直——吊入钢筋笼、钢绞线穿过端模——安装并固定端模——吊入内模、内模横梁与立柱紧固——安装内模斜撑调整内模到位——安装顶部拉杆及水平撑杆——合模完毕（注：在浇筑完底板混凝土后，再将内模附属的翻板翻转到位固定）。

2.3.3模板拼装精度控制

在此工程中采用了本文所述的模具技术，从实际使用效果来看，整体拆装式模具与以往散拆散装的方式相比，简化了繁琐的拆装过程，降低了操作工人的劳动强度，同时，也大大缩短了生产周期；采用整体拆装的结构形式减少了模具的分块，模具拼装后的精度有了大幅提高，从而更好的保证了产品的外形尺寸精度和外观质量。

2.4优化施工工艺和工序，采用了更加科学的混凝土养护方案。

通过上述方法优化施工工序，节约预制施工工期，制定出对于混凝土结构更有利的自然养护方案，保证混凝土结构耐久性。在不具备自然养护的低温条件下，通过采用包括预养工序的蒸养方式对混凝土进行养护，同时严格精确控制蒸养过程中温度和时间的关系，保证预制U型梁的质量。

2.4.1养护方案的研究

2.4.1.1普通蒸汽养护早强混凝土容易存在质量隐患

目前我国一些交通基础设施常用的预制桥梁和铁路轨枕等混凝土预制构件的工业化生产一般采用蒸汽养护，使混凝土在较短时间内获得较高的早期强度，以达到缩短混凝土脱模时间，加快模具的周转速度缩短生产周期的目的，提高经济和生产效益。但是对于U型梁的生产，对比多种生产工艺及工程实际经验教训。我们发现直接蒸汽养护的早强混凝土容易有如下质量隐患：

（1）直接蒸养混凝土孔结构粗化，界面微裂缝增多。经过蒸汽养护的预制梁，在经多年暴露之后易发生腐蚀破坏，必须进行修补，增加的维护的成本和费用，而常温养护的预制梁没有破坏的痕迹。

（2）徐变大，预应力损失大，并会造成预应力简支梁和无碴轨道板的徐变上拱增大，从而影响桥梁的线形和轨道的平顺性。若使用蒸汽养护，这对于后期的使用会产生严重的质量隐患，当U型梁后期的上拱增变大，轨道就会不平整。在列车上的乘客会感觉不适，同时列车多次驶过产生的震动会使U型梁产生疲劳，会较早的发生破坏。对后期的使用会有严重的安全隐患。

（3）直接蒸养高强混凝土的韧性小、脆性大。在蒸养过程中，由于混凝土会发生肿胀内部孔隙变粗等现象，所以蒸养混凝土的强度中对微裂缝比较敏感的抗拉、抗折强度均有不同程度的降低，从而进一步降低了蒸养混凝土的拉压比，增大蒸养混凝土的脆性，增加脆性破坏可能性。

（4）耐蚀能力较差，耐久性差，使用寿命短。混凝土在早期经过蒸养后，混凝土内部的总孔隙率增大、孔径变粗，这都会影响蒸养混凝土在使用过程中的耐腐蚀性抗冻、抗渗等耐久性能。蒸养混凝土的耐久性能主要取决于混凝土在蒸养过程中的受损程度，受损程度越大，则越不利于蒸养混凝土的耐久性能，从而降低预制预应力构件的使用寿命。已有的检测资料表明：有些预制梁由于蒸养混凝土自身的缺陷，不仅发生因钢筋锈蚀而产生沿筋裂缝，而且还发现预应力钢筋锈蚀，甚至发生锈断。

除上述问题外，蒸养混凝土还存在耐磨蚀性能差，抗冻融性能差等缺点。特别需要指出的是，预制预应力混凝土构件的一些缺陷在荷载作用下，会加速其破坏过程。

2.4.1.2通过预养可有效保证蒸汽养护混凝土的施工质量

合理的养护制度提高混凝土制品生产效率，得到优质产品的关键。预养时间是指从混凝土构件浇筑成型到加热升温之前在常温下放置的时间，是蒸汽养护过程中的第一步，预养的目的在于使混凝土具备一定的初始结构强度，增强抵御蒸汽养护对结构破坏作用的能力，预养时间的长短将关系到混凝土初始结构强度的高低，混凝土残余变形的大小，以及混凝土强度的发展和耐久性能。沙克、黄艳春（2011）的实验研究表明，采用蒸汽养护的混凝土在蒸养之前通过预养可以有效提高混凝土的抗冻、抗渗和抗碳化性能。当预养时间达到6h时，可以达到接近标养混凝土的性能。

2.4.2养护方案的选择

综合上述的研究分析，为保证宁高城际轨道混凝土结构有足够的耐久性，同时考虑到工程工期中包含冬季施工，为避免冬季施工时混凝土凝结时间过长，保证混凝土能充分水化凝结，在温度低于5℃时采用包含预养步骤、程序严格的蒸汽养护，在温度高于5℃时，采用洒水自然养护。

2.4.2.1养护方案

混凝土灌注完毕后盖养护罩，早期蒸养跟踪养护，以4T锅炉供汽，管道直接接入梁体腹腔内，用压力式温度表测定梁内及棚内温度。

预制U梁采用蒸汽养护时，静停期间保持棚温不低于5℃，灌注完4小时后方可升温，升温速度不大于10℃/h，恒温时蒸汽温度不超过45℃，梁体蕊部混凝土温度不应超过60℃，降温速度不大于10℃/h。蒸养期间及撤除保温设施时，梁体混凝土芯部与表层、表层与环境温差不宜超过15℃。蒸汽养护结束后，立即进入自然养护，时间不少于10d。

蒸汽养护采用覆盖厚帆布密封的方法进行蒸汽跟踪蒸养。

依据混凝土凝结硬化原理，蒸汽养护严格分静停、升温、恒温、降温等四个阶段进行：

第一阶段：静停时间根据气温不同应控制在6～10小时。

第二阶段：升温阶段每小时升温不得大于20℃，直至上升到55℃。当室外平均温度低于10℃时，则初始升温速率应控制在6℃/h以内，直至达到10℃，并应考虑适当提高蒸汽养护温度或延长养护时间。

第三阶段：恒温阶段养护温度应保持在55±5℃，持续养护24±3个小时；因故停止供汽时，应做好记录，后续养护时间顺延。

第四阶段：降温时降温速度不得大于30℃/h，拆模时梁体表面温度与自然环境温度应不大于15℃，否则应让梁体带模延时降温。

蒸汽养护时间根据季节变化可进行适当调整。

在U型梁混凝土浇筑完成后，须及时用厚帆布加以覆盖，蒸养空间应完全密闭，且需保持一定的蒸汽循环空间。

进汽管安装在两侧外模及内模内侧框架上，进汽管的喷气孔朝向U型梁槽内，避免蒸汽直接喷向梁体混凝土，同时有利于蒸汽在蒸养空间内循环。

测温仪表在U型梁槽内及两侧分别设置，蒸养期间值班员应注意温控仪表的准确性与灵敏度，调节控制养护罩内温度的均匀性，并做好实测温度记录；当蒸汽养护温度低于设定温度3℃时，应加大蒸汽供给量，高于设定温度3℃时，应减少或关闭蒸汽供给。

混凝土试件与主梁同条件养护，放置位置避免蒸汽直接喷射，并应将试件进行覆盖，避免水分蒸发。

在混凝土强度达到设计要求时，方可开始停汽降温。

U型梁进入堆场需进行7d洒水自然养护。自然养护采用草袋或土毡布覆盖洒水，并在其上覆盖塑料薄膜养护。当环境相对湿度小于50%时，养护不少于21d，相对湿度在50%以上时，养护不少于14d。在冬季施工时，采取混凝土表面喷涂养护剂并覆盖保温，不得洒水养护。

2.4.2.2混凝土养护的精确控制（见图2.4.2.2）

采用计算机控制的混凝土蒸汽养护系统进行U梁混凝土的养护。

采用蒸汽锅炉，蒸汽量为4t／h。蒸汽主管道采用DN90mm钢管，分支放汽管道采用DN50mm钢管，在放汽管道上均匀钻一排φ3mm片眼，片距300mm，并在其凝结阀处设置排水沟。钢管焊接支架，上覆帆布用为养护棚罩，以尽量减少热损失，保证蒸汽养生的温度。该系统有如下特点：

采用密封性高、隔热好、安拆方便的专用屏蔽蒸汽养护罩。

采用计算机及远传式温度传感器自动控制蒸汽管道上的电磁阀的开合，以控制养护罩内的温升速度和温度的高低。

采用在计算机的统一指挥下工作的通风设备降低养护罩内的温度，使降温速度得以有效控制。

多点测温、多点升温、多点降温，通过计算机自动控制养护温度，严格控制升、降温梯度、恒温时间和拆模温度。

蒸养系统测温采用压力式温度计在梁两端各设两组，1/2、1/4跨处腹板两侧各设一组，箱内1/2、1/4跨设两组。恒温每1小时测温一次，升、降温每1小时测定一次，并作好详细的温度记录，根据实测温度确定蒸汽放入量，以调节跟踪蒸养升温、降温，防止混凝土表面开裂。蒸养的时间根据室外气温的高低以及梁体强度的增长情况等适当缩短或延长。

整个养护过程采用三台多点全自动报警测温仪分别对表层、环境温度进行监控，表层及环境测温仪最高报警温度设置在48℃，最低报警温度设置在42℃，当梁体表层与环境温差超过15℃时，立即采取增大供热量或减小供热量措施，防止因温差造成U梁开裂。蒸汽养护结束后，立即进入自然养护。

图2.4.2.2蒸汽养护各阶段温度及用时图

3.结语

实践证明，上述U型梁技术可操作性强，施工速度快，工艺安全可靠，能保证施工质量，并且经济合理，能有效降低施工成本，满足工程工期要求。这些技术代表了目前国内施工技术的先进水平，对于推动城市轨道交通快速建设，推动大都市、大城市经济高速发展同时辐射周边地区，带动区域发展具有重要和深远的意义。

4．参考文献

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