尚明乾
（中铁八局集团第七工程有限公司 四川成都 610300）
【摘 要】：对直腹板箱梁钢模进行设计，采用旋转式侧模、锁紧装置、定位装置技术、三段式折叠芯模技术，解决直腹板脱模困难，芯模无法收缩整体拉出难题，提高工效，降低成本，保证质量。
【关键词】：箱梁 直腹板 旋转 侧模 锁紧 定位 芯模 三段式
1、工程概况
新建铁路弥勒至蒙自铁路设计时速为250公里的高速铁路，与云桂线接轨，设计7.2km单线箱梁，共计194孔，该单线箱梁为中铁二院最新设计，具有梁体规格尺寸小、腹板与底板垂直、腹板厚度薄等特点，在国内尚无该类箱梁生产记录。
单线箱梁结构尺寸：梁长为32.6m，计算跨度为31.5m，桥面宽7.6m，梁底宽3.6m，截面中心处梁高2.64m，腹板厚度0.27m。该梁与传统双线箱梁相比，有外形尺寸规格更小、侧部腹板与底板垂直、内部芯室空间更小的特点，如何解决箱梁脱外模、芯模的问题，确保施工质量，是摆在工程建设者面前的难题，因此需设计出针对腹板垂直单线箱梁的钢模型，以解决该箱梁型脱模难且脱模后外观质量差的难题，提高施工效率。
附图1-1弥蒙单线梁断面图
2、传统钢模设计
国内常见腹板与底模垂直的单线箱梁钢模板的制作分式有两种，一种固定式侧模，一种是移动式侧模。
固定式侧模方式底模和侧模焊接形成整体，侧模不能移动，该方式制作安装简单，但在脱模提梁过程中，其垂直腹板极易与梁体发生擦挂，产生划痕，影响产品的外观质量，同时如果腹板安装角度成“八”字型，提梁时还容易连带钢模板一起一同提起，造成模板损伤，需后期修复模板，影响工期。
移动式侧模设计垂直腹板制作成可整体横移的钢模板，该方式自动化程度高，但液压和控制系统繁多，操作复杂且成本高。
3、直腹板模型设计
为解决脱模及制作成本问题，施工单位研究设计出“可旋转式侧模”、“液压自锁合模装置”等结构解决侧模旋转和定位问题，设计“芯模三段折叠式侧板”芯模结构，解决整体芯模脱模问题。
3.1整体旋转式侧模研究
由于单线箱梁的腹板与底板垂直，如果采用传统双线箱梁固定式侧模的形式，脱模过程中，梁体极容易与模板发生擦挂，影响产品的外观质量，严重时还会损伤模板。为此设计出一种旋转侧模，在脱模工序前，通过旋转使侧模与梁体之间的间隙增大，以方便产品快速脱出。
3.1.1旋转排架结构研究
为保证侧模旋转时整体结构稳定性，模型采用背部桁架结构和水平斜撑的结构形式。底模左侧为旋转侧的旋转排架，右侧为固定侧的固定排架，两者在结构和数量上均有较大的不同，旋转侧设置有5扇旋转排架，其余12扇均为固定式排架；固定侧17扇排架均为固定排架。见图3-1。
图3-1 侧模截面图
旋转排架与固定排架不同点：一是旋转排架内侧支腿以45°向底模下部延伸。侧模与底模的合缝位置需设置在距离梁底与腹板倒角50mm处，才能保证脱模后连接缝的外观质量。在此基础上，为保证模型旋转时侧模顶板不与梁体发生碰撞，需将旋转支撑点设置在侧模与底模合缝位置或偏往梁底中心方向，因此旋转排架的内侧支腿不是竖直而是呈45°二是旋转排架的外侧支腿需安装顶升油缸，结构形式与固定排架不同。根据侧模旋转点的设置，当模型旋转模型旋转2°时，侧模与梁体的最大间隙达到89mm，满足模型脱模需要。此时外侧支腿下降高度约100mm，因此行程150mm的油缸可以满足使用要求，如图3-2所示。
图3-2 侧模理论旋转角度
此外，旋转侧每扇固定式排架下方均设置有2件螺旋千斤顶（见图3-3），12扇固定式排架共使用24件千斤顶。脱模时，首先挪动竖带正下方的螺旋千斤顶至空地上，操作液压系统，使5扇旋转侧模同步下降，同时带动绗架结构中的12扇固定式排架同步下降；合模时，操作液压系统，通过5扇旋转排架将整扇模型升高至设计位置，再安装固定式排架下方的螺旋千斤顶，并通过千斤顶对模型的高度尺寸进行微调。
图3-3 旋转侧模固定式排架下部结构
3.1.2 旋转侧模旋转点支撑座研究
施工过程中，模型的高度会随着地基的沉降而下降，因此设计一种可以自由调节模型高度支撑系统。
如图3-4所示，旋转装置采用正反丝杆形式，件1和件2为带内螺纹的螺柱，件3为带外螺纹的螺杆，通过旋转件3螺杆可实现模型的高度调整。
3-4侧模旋转点支撑座
丝杆螺纹强度计算如下：
螺纹采用T56×6的梯形螺纹，单侧模模型重约30吨。实际使用过程中，模型重量由5扇旋转扇共同承受，并对螺纹进行抗剪切强度校核。
查阅相关资料，螺纹受剪力应满足：
式中，D为螺纹大径；螺纹齿根宽b=0.75p；z为连接螺纹牙数
故正反丝杆螺纹强度满足要求。
3.1.3 旋转侧模液压支撑系统研究
由于单侧模型重量约30吨，所以考虑使用5组液压支撑油缸，油缸安装距为650mm，行程150mm，缸径140mm，杆径70mm，液压油泵能提供的压力为16Mpa，此时有：
单根液压支撑力：
则5根油缸提供的支撑力：
油缸支撑力大于模型重量，液压系统的支撑力满足实际使用要求。
液压支撑系统和旋转点支撑座均设置在旋转侧排架上，旋转排架则均匀分布在模型长度方向，如图3-5所示。
3-5 旋转排架即液压支撑系统分布图
3.2下部液压锁紧装置研究
由于旋转侧模的可移动性及结构件存在间隙，无法保证梁体的外形尺寸且极易发生爆模的情形，因此在模型下部设计一种锁紧装置。
如图3-6所示，下部液压锁紧装置共设置14组，每组液压锁紧装置由穿心式油缸、旋转侧油缸固定座、固定侧精轧螺杆固定座、精轧螺杆等组成。固定座采用150*100*8的方形矩管，将液压力均匀的传递侧部模板上。
3-6 下部液压锁紧装置
下部液压锁紧装置进行受力分析如下：
对单线箱梁模型进行简化如图3-7所示，在深度为h=2.640m的容器内，容器壁所受压力只与深度有关。
图3-7箱梁模型受力简化图
由流体力学图解法原理可知：液体总压力大小等于压强分布图的体积，即：
注：b为垂直于视图面壁面的长度，在这里指模型的长度，为32.6m。
此时，
则纯液态混凝土的液体总压力大小为：
液体总压力大小在h深度处的等效力为：
单线箱梁模型有14组下拉式穿心液压缸，则每根液压缸受到的压力为：
查阅穿心液压缸的资料可知：
油缸受力活塞外径=125mm，受力活塞内径=40mm，油缸能提供的最大压力=21MPa，则油缸能提供的液压力为：
综上所述，下部液压锁紧装置满足使用要求。
3.3 快速精准定位装置研究
为保证旋转侧模的合模精度，提高工效，根据锥套定位原理，设计快速精准定位装置（图3-9）。该定位装置由定位凸套、定位凹套及辅助连接板组成。定位凸套安装在侧模上，定位凹套安装在底模上，如图3-10所示。定位凸套随着侧模的旋转而转动，定位凹套则在底模上不固定动。凹凸定位锥套的设计研究，从根本上解决了旋转侧模与底模容易发生错台的问题，保证了预制梁体的外观质量；同时由于锥套的受力特点，在一定程度上缓解了侧模由于地基沉降而高度下降的问题，保证了梁体的外形尺寸。
图3-10 定位装置安装示意图
3.4芯模三段式折叠侧板研究
由于单线箱梁的内部空间狭小，若按照传统双线箱梁的两段式折叠侧板进行制作，芯模的侧板能够收卷但不能通过梁体端口，不能实现芯模模板的顺利脱模。因此需设计一种新型的卷曲方式，以适应单线箱梁的实际脱模需求。
芯模主要包括主梁、顶板、三段折叠式侧板、撑杆、液压系统等。经过模拟旋转放样，三段式折叠侧板在设计成如下图3-11所示形状，其上部旋转55°、中部旋转122°、下部旋转92°，其外形尺寸能够达到通过梁体端口标准（图2-11中虚线框），实现顺利脱模。
3-11芯模支撑到位截面图
4.实施效果
弥蒙铁路194榀单线箱梁，制作5套单线箱梁钢模，在2020年9月顺利完成了箱梁生产，外观质量得到建设单位肯定。
通过设计旋转侧模、增加下部油缸锁紧装置、设计合模定位套等方法，有效提高了单线箱梁预制的自动化程度，提高工效、减少人工成本，保证产品外观质量。芯模设计采用三段收缩方式，解决了传统人工组合液压的芯模卷缩方式，极大的减低了工人劳动强度，芯模立模由原来的8人降低至4人，立模时间由原来的6小时缩短至1.5小时，加快施工进度，降低成本。
5、结束语
本次箱梁模型设计研究以弥勒制梁场单线箱梁钢模型为载体，针对产品结构特点，通过对垂直腹板单线箱梁钢模侧模的总体设计、排架结构、旋转点支撑座、液压支撑系统、下部液压锁紧装置、凹凸定位锥套、芯模三段式折叠侧板等技术进行研究，设计出整体旋转式侧模和三段折叠式芯模，保证了直腹板箱梁的顺利脱模，达到了提高梁体的外观质量、降低人工成本、提高工效的目的。
在箱梁钢模设计中，通过不断采用新技术，对结构进行优化，对动作方式和路径不断模拟，最终应用到实际中。本次设计，还对定位方式、锁紧方式、旋转方式、三段折叠等进行进行验证，并申请专利，为以后类似模型和结构设计提供技术保障，项目关键技术具有应用和推广价值。
作者简介：
1、尚明乾，（1969---），男，高级工程师，研究方向：桥梁工程