大型预制装配式构件吊运技术研究
作者： 隋秀龙
摘 要：国内外在地下工程预制技术方面有一定的研究和应用，但是多数应用于地铁区间隧道装配式结构，对地铁车站装配式结构的研究还处于起步阶段。过去由于大型构件的预制精度、起吊能力、地下工程防水节点处理、拼装自动化程度及监测纠偏手段等一系列技术难题导致地下工程预制技术发展缓慢。近年来随着科学技术水平的提高及国内施工装备的自主研发、加工能力的高度发展，我国现在已具备独自研发预制装配式施工技术及施工装备的能力。本文对“大型预制装配式构件吊运技术”进行了深入、系统的研究，形成的相关技术不仅在袁家店站得以成功应用，而且具有较大的推广价值。
关键词：地铁车站 预制构件 装配结构 吊运技术
1.工程概况
长春地铁2号线袁家店车站是国内第一座预制装配式地铁车站的试验站。车站位于站前路与双丰西街T字路口处，建筑面积16240m2，车站总长310m；地下两层结构，地下一层为站厅层，地下二层为岛式站台层，有效站台长118m，车站标准段宽度为19.7m，站台宽度为11m。
主体结构分两部分，122m现浇结构+188m装配结构；其中装配结构段采用围护桩+竖向五道锚索的支护形式，明挖法施工；装配结构每环7块单块最重55t，每环2m宽约112m3混凝土钢筋约17t；其中底板3块（2B+1A）、边墙2块（2C）、顶板2块（1D+1E），块与块、环与环之间均采用榫接的方式并用精轧螺纹钢拉紧，“公”、“母”榫间隙采用高强粘性材料填充，地下防水由结构自防水及接缝防水两部分组成，楼板采用现浇结构，预制构件预留直螺纹接驳器与楼板钢筋采用机械连接；口部采用预制洞口环梁的结构形式。
2.吊机能力合理运行速度和控制方式
预制构件最重为55吨，起重设备可采用工程建设中常用的龙门吊最大起重75吨。由于预制装配式地铁地下结构，采用起重设备进行吊运及安装，在国内还没有类似的实例可以参照。一般起重设备用于架设桥梁或厂区吊装，运距短，吊装高度小，大吨位吊装时运行速度非常慢；以袁家店预制装配式地铁车站为例，基坑平均深度20m，而基坑端头位置为预制构件存放场地，运输车辆需进入场地进行吊卸作业，再考虑到吊具的长度及龙门吊自身限位，龙门吊最小高度为20m。
针对以上特点，龙门吊的性能应进行相应限定，既要保证吊运速度有得保证安装时的精度要求。为此，龙门吊设定有5个档位，最快吊装速度为5m/min，该档位可用于预制构件吊运工作；最慢吊装速度为0.9m/min，此时安装精度为2.5mm，该档位可用于预制试件拼装。
龙门吊架设及调试完成后，现场对底板预制构件进行吊运及安装试验，测算出吊运时间为8min―10min，安装过程流畅精度把控到位。龙门吊的性能参数设定到达了预定的效果。
3.吊点的型式及吊点设置
3. 1吊点的型式
关于吊点的型式在市场上有很多种，选择一种适合于装配式预制构件的吊点型式是本工作研究的重点。吊点的设计型式主要为吊环螺钉与吊装锚栓两类。
吊环螺钉：广泛应用于港口、电力、钢铁、造船、石油化工、矿山、铁路、建筑、冶金化工、汽车制造、塑料机械、工业控制、公路、大件运输、管道辅设、边坡隧道、井道治理防护、海上救助、海洋工程、机场建设、桥梁、航空、航天、场馆等重要行业以及基础建设工程的机械设备。主要以机械设备吊装为主。
吊装锚栓：主要用于混凝土预制构件的预埋，市场上性能表现突出的是DEHA吊装锚栓系统。
本工程拟采用DEHA圆锥头吊装锚栓。圆锥头吊装锚栓具有多种载荷等级和长度，为管片和井筒等不同形状的钢结构预制构件提供安全可靠，经济实用的解决方案。吊装锚索处于凹槽内，不会凸出于预制构件。DEHA吊装锚栓系统将和拆模器之后，即可通过钩入万向吊头形成吊装连接。
DEHA圆锥头吊装锚栓优点：①安全是预制构件吊装的最高准则。预制在混凝土中的圆锥头吊装锚栓具有很高的安全系数，不会造成钢筋和混凝土的破坏。②由于所有锚栓的端部都有清晰的荷载等级标识，所以不会造成荷载分组之间的混淆。③本系统的特殊结构可确保预制构件和起吊装置之间的迅速连接，只需几秒钟便可完成。④借助于旋转和吊装吊头，可以简便、快捷的完成大型管片的旋转。DEHA圆锥头吊装锚栓在袁家店预制装配式车站预制构件的吊装试验中到达了非常好的效果。
3.2吊点的设置
预制构件内吊点预埋数量、规格、位置均按厂家提供的参数设置。
3.3吊具的设计型式
依据预制构件的结构特点及吊点设置的位置，有针对性的设计吊具型式，本工程拟采用常用的钢丝绳索具。
3.3.1钢丝绳索具的设计型式
由于预制构件的长度、高度、重量、形心均不一样，首先确定钢丝绳索具的组合形式，然后依据预制构件的形心及DEHA圆锥头吊装锚栓的角度要求，计算钢丝绳的长度、直径等参数。每个类型的预制构件采用一套钢丝绳索具。
3.3.2预制构件形心及索具理论长度确定
（1）预制构件的形心的确定可采用AutoCAD软件建模后查找，在根据索具与DEHA圆锥头吊装锚栓的夹角要求计算出索具长度。根据哈芬公司设计师要求钢丝绳与吊钉夹角：A块、B块不大于30度，C块不大于10度，D块、E块不大于22.5度。索具夹角要求如图1所示：
（2）钢丝绳索具参数确定。如表1。
4.起吊及安放工况分析
预制构件吊装过程中，由于构件尚未形成结构受力体系，仅为由吊点支撑的受力构件。因此，必须验算其在起吊过程中的应力状态，保证其受力安全，并在起吊过程中防止裂缝出现。
4. 1预制构件E起吊工况验算
预制构件吊装过程中，由于构件尚未形成结构受力体系，仅为由吊点支撑的受力构件。因此，必须验算其在起吊过程中的应力状态，保证其受力安全，并在起吊过程中防止裂缝出现。
除了吊点处出现较大的水平拉力外，预制构件E其他区域内的水平拉力均不超过1.3MPa，均未达到混凝土的抗拉强度，因此该范围内混凝土不会出现裂缝。而对于吊点区域，由于应力集中导致其水平拉力较大，但仅有3.2MPa，考虑到实际预制构件的吊点处附近有螺旋箍筋，对吊点处具有一定的增强作用，同时预制构件内有分布钢筋，可提高其抗拉承载力，减小混凝土中的拉应力，因此采用该模型的计算结果较为保守。
4.2预制构件D及E安装工况验算
顶板由两块预制构件组成，在吊装、安装、成拱及土方回填过程中施工工况不断在改变，该结构设计为既梁既拱结构且在安装过程中拱底会有30吨的推力，为保证在施工过程中对预制构件不造成破坏，采用有限元软件针对不同的工况对其进行安全计算。从计算结果分析，两个预制拱顶块在覆土前主拉应力最大为0.9Mpa，没有超出混凝土容许范围。
5.结论
本文对“大型预制装配式构件吊运技术”进行了深入、系统的研究，形成的相关技术不仅在袁家店站得以成功应用，而且具有较大的推广价值。该技术的成功实施，多家单位到其项目调研学习，在国内地铁行业产生了较大影响；本技术为同类工程的施工提供了成功的借鉴，积累了宝贵的经验，对推动我国地预制装配式地铁车站的建设将产生重要作用和较大影响，具有极大地推广价值。
参考文献：
[1]姚怡文，蒋理华，范益群.地下空间结构预制拼装技术综述[J].城市道桥与防洪，2012（9）：286-292.
[2]张质文.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，1997.
