论文部分内容阅读
摘要：预制实心方桩现场重叠法制作工艺，生产效率低下，外观尺寸和桩身质量难以控制。为此，设计了一种装配式模具，尺寸可调，一套模具可生产多种规格的预制实心方桩。该模具刚度大，不宜变形，确保混凝土方桩外观尺寸，满足工厂化生产方式对模具的要求，降低操作人员劳动强度，实现模具12 h周转一次，显著提高预制实心方桩生产效率。
关键词：预制实心方桩；模具；生产工艺
中图分类号：TG76 文献标识码：A文章编号：
按《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008混凝土预制桩分为钢筋混凝土实心桩和钢筋混凝土管桩[1]。预制钢筋混凝土方桩为实心桩，适用抗震设防烈度8度(含8度)以下的一般工业与民用建筑物的低承台竖向基桩；铁路、公路、港口、市政、水利等工程的低承台竖向基桩设计也可参考使用[2]。目前预制混凝土方桩（简称“预制实心方桩”）一般采用现场重叠法制作，不宜超过4层，待下层混凝土达到设计强度的30%以上时，才可以浇注上层桩，混凝土达到设计强度的70%方可起吊，达到设计强度的100%方可运输，制作过程中不再移动制品。现场制作通常采用自然养护；采用锤击方法沉桩时，混凝土养护龄期通常不少于28d；采用静力压桩时，即使蒸汽养护达到混凝土设计强度的100%时，还需要自然养护5d以上才能进行压桩。因此，预制实心方桩的现场重叠法制作工艺不仅生产周期长，而且外观尺寸很难保证。为实现预制实心方桩的高效工厂化生产，为此，先设计适用于工厂化生产的预制实心方桩模具，并制定相应的预制实心方桩工厂化生产工艺。
1 装配式模具
为实现预制实心方桩的工厂化、机械化生产，首先要解决的就是模具问题。在混凝土布料工序、成型工序、养护工序以及各工序间制品输送时，要求模具不易变形，同时要求模具经济耐用。
预制实心方桩有多种规格，如GJBT-708《预制钢筋混凝土方桩》规定了200×200 mm、250×250 mm、300×300 mm、350×350 mm、400×400 mm、450×450 mm、500×500 mm七种规格的混凝土方桩[2]。方桩规格多，无疑增加了模具的规格。因此，模具最好具有可调性，即一套模具可生产多种规格的预制实心方桩。
图1是装配式模具示意图，材质为Q235钢。底板1为长方形平板，两侧分别开有不少于2列的螺栓孔（图1中两侧分别设有3列螺栓孔），螺栓孔规格以及位置与侧模板2下部翼缘处的螺栓孔对应，底板1底部设有筋板3，筋板3包括平行于长度方向中轴线的角钢状筋板，也包括长方形筋板、三角形筋板。侧模板2横截面呈半边工字形，下部翼缘处设有螺栓孔。为了保证模具刚度，侧模板2上部和下部翼缘间设有筋板3，包括沿长度方向的长方形筋板和垂直于长度方向中轴线的梯形筋板、三角形筋板、垂直于翼缘和平行于翼缘的筋板等；模具端部设有带螺栓孔的联接板7，2块侧模板通过下部翼缘处的螺栓孔与底板1装配成方形开口槽。侧模板2下部翼缘处的螺栓孔，可设置为圆孔；为装配方便，也可设置成长孔，以使侧模板长度方向在允许偏差值范围内有些许变形时，装配工作仍可方便进行，从而节省模具装配时间。当生产大截面尺寸方桩时，两块侧模板2分别沿长度方向中轴线向外移动，底板1上距离长度方向中轴线上较近的螺栓孔露出方形开口槽底部，混凝土拌合物浆体会从螺栓孔中析出，硬化后的混凝土会堵住螺栓孔。为此，放置钢筋笼前，在方形开口槽底部铺设一薄层垫层，垫层可用耐95℃温度的模具胶、塑料、橡胶等材料制作。
端头板（图中未画出）为闭口方形板，设有与侧模板2端部和底板1端部相连的联接板7对应的螺栓孔，通过螺栓联接装配在方形开口槽的两端。若是需要制作桩头，则桩头模板端部也对应开设与联接板7对应的螺栓孔，从而将桩头模板通过联接板7与模具成为一体。
拉杆4通过螺栓连接在位于侧模板2上部翼缘处的支座6，支座6上设有与拉杆4对应的螺栓孔，可设成圆孔、长孔、U形槽，支座6成对使用，分别固定在侧模板2上部翼缘处。拉杆4一端设有若干凸台，凸台尺寸根据预制实心方桩规格确定，另一端设有内螺纹；支座6带有U形槽，成对使用，分别固定在侧模板2上部翼缘处。拉杆4带内螺纹的一端通过螺栓联接固定于一支座6；拉杆4带凸台的一端放置在另一支座6的U形槽中，依靠螺栓和拉杆4上的凸台连接方形开口槽上部；通过螺栓和拉杆上的凸台调整方形开口槽上部尺寸。拉杆可为扁铁、角钢、槽钢、圆钢等材料，通过螺栓联接、卡槽联接等方式连接2块侧模板的上部翼缘，确保方形开口槽上部尺寸。拉杆为扁铁、角钢、槽钢时，若通过螺栓联接，则可在2块侧模板的上部翼缘和拉杆两端开设对应的螺栓孔。若侧模板2、底板1材料品质好，厚度大，方形开口槽刚度足够，也可不设置拉杆4。
吊耳5对称位于底板1上，沿着长度方向的外侧设置。吊耳5也可对称设置在侧模板2上。根据模具长度和吊装需要，确定吊耳数量。吊耳设置在底板1上时，沿着长度方向的外侧设置；吊耳设置在侧模板2上时，既可设置在侧模板腹板外侧，也可设置在侧模板上部翼缘和下部翼缘处。
2 预制实心方桩生产工艺
借鉴PHC管桩生产工艺，为了在较短时间内得到足够的强度，通常采用一些加速混凝土硬化的方法，如蒸汽养护，使用早强剂等，效率最高的技术是蒸汽养护[3]。因此，工厂化生产预制实心方桩优先采用蒸汽养护制度。
混凝土各组成材料的计量和搅拌采用现代化生产设备进行，微机自动控制，计量准备，搅拌均匀；方形箍筋和主筋绑扎成钢筋笼；模具清理后、拼模，和端头板或者桩头模板装配；将钢筋笼放置在模具中，布料往往采用半自动化方式进行，采用平板式或者附着式高频混凝土振动器使模具中的混凝土拌合物均匀、密实，排出内部的气泡；养护采用蒸汽养护，必要时也可以进行二次蒸汽养护或者蒸压养护，拆模，检验合格后做标识，放置在堆场。模具12h周转一次。图2是实心方桩生产工艺流程。
与现场重叠法制作工艺相比，采用该工艺不仅能显著提高生产效率，桩身外观尺寸以及桩身混凝土质量均能得到有效保证。
3 装配式模具特点
首先，该模具刚度大，不易变形，确保预制实心方桩外观尺寸。横截面呈半边工字形的侧模板设计以及上部翼缘和下部翼缘间筋板的设置，均提高了方形开口槽的截面惯性矩增大，模具刚度提高，抗变形能力提高，加之方形开口槽上部拉杆的设置，使得预制实心方桩外观尺寸能够得到保证。通常预制实心方桩允许偏差值，横截面边长为±5 mm，桩顶对角线之差为10 mm，桩顶平面对桩中心线的倾斜≤3 mm，保護层厚度±5 mm，桩身弯曲矢高不大于1‰桩长、其不大于20 mm。采用现场重叠法制作，尺寸偏差很难保证在允许范围内。而采用该模具生产方桩，模具在使用中不易变形，桩的外观尺寸由模具加工精度所保证，因此，桩的外观尺寸易于保证。
其次，方形开口槽内部尺寸调节方便，一套模具可生产多种规格预制实心方桩。通常预制实心方桩横截面尺寸有多种规格，长度根据工程需要设计，从数米到数十米不等。按照现有原材料价格和加工费用，方形开口槽宽度为400 mm、长度为12 m的模具，一套价格约3-4万元。通过调整侧模板在底板上的装配位置，使得一套模具可生产多种规格的混凝土方桩，减少了方桩模具规格，提高了模具的利用率；并且，模具规格的减少，也有利于模具的管理，如堆放、维修等。
第三，该模具适用范围广。既可用来生产预制实心方桩，也可生产预应力钢混凝土方桩，改变生产工艺，也可生产混凝土空心方桩。采用预置橡胶充气方式生产空心方桩时，模具可不做调整。生产预应力混凝土方桩时，该模具的一端设为张拉端，张拉端的端头板去掉，在另一端头板和方桩端板上增设相应的螺栓孔，通过螺栓将方桩端板与模具的端头板连接；在张拉端安装张拉器；施加预应力；布料、振动成型；必要时抹平上表面；养护后拆模。预应力混凝土方桩与无预应力的同规格方桩相比，在力学性能相同的前提下，前者可以减少配筋率；在配筋率相同的前提下，前者的抗弯性能显著提高，桩基的水平承载力提高，可用于高抗震设防烈度的地区。
最后，采用該模具生产预制实心方桩，能显著提高生产效率，降低操作人员劳动强度；避免了资源浪费，满足建筑材料可持续发展要求。由于该模具刚度大，不易变形，适合于各工序间的输送（如吊装、链式输送等），预应力张拉、布料成型、养护、拆模等工序均可采用机械设备半自动化生产，并且可采用蒸汽养护工艺，大大缩短方桩脱模时间。如布料后，采用该模具，则可应用板式或者附着式高频混凝土振动器，目前的高频混凝土振动器振动频率在9000 RPM~17000 RPM，可以满足大横截面钢筋混凝土方桩密实度要求；采用常压蒸汽养护（恒温温度通常在80℃~85℃），方桩可在12h内脱模，生产效率高，模具周转率高。工厂化生产降低了原材料的浪费，降低水泥用量，从而避免了不可再生资源（砂、石、石灰石和粘土资源等）的浪费。
4 结论
为满足预制实心方桩工厂化生产要求，设计了装配式模具，该模具刚度大，不宜变形，组装方便，一套模具可生产多种规格的预制实心方桩，模具利用率高，生产效率高。
装配式模具，包括2块侧模板、1块底板、2块端头板、筋板、拉杆、吊耳；侧模板横截面呈半边工字形，下部翼缘处设有螺栓孔，上部和下部翼缘间设有筋板，端部设有带螺栓孔的联接板；底板为长方形平板，两侧分别设有不少于2列的螺栓孔，尺寸与侧模板下部翼缘处的螺栓孔对应，端部设有带螺栓孔的联接板；2块侧模板通过下部翼缘处的螺栓孔与底板装配成方形开口槽；方形开口槽上部设有拉杆，通过连接两块侧模板的上部翼缘，保持开口槽上口尺寸
参考文献
[1] JGJ94-2008 建筑桩基技术规范 [S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2008.
[2] 04G361(GJBT-708) 预制钢筋混凝土方桩 [K]. 华东建筑设计研究院有限公司, 2004.
[3] 彭波,丁庆军, 王红喜, 等. 水泥与混凝土制品的蒸汽养护生产关键技术进展[J]. 国外建材科技，2007, 28(3): 21-24.
作者简介：汤永柳（1948~），男，籍贯杭州富阳，工程师，长期从事预制桩的生产和施工。
关键词：预制实心方桩；模具；生产工艺
中图分类号：TG76 文献标识码：A文章编号：
按《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008混凝土预制桩分为钢筋混凝土实心桩和钢筋混凝土管桩[1]。预制钢筋混凝土方桩为实心桩，适用抗震设防烈度8度(含8度)以下的一般工业与民用建筑物的低承台竖向基桩；铁路、公路、港口、市政、水利等工程的低承台竖向基桩设计也可参考使用[2]。目前预制混凝土方桩（简称“预制实心方桩”）一般采用现场重叠法制作，不宜超过4层，待下层混凝土达到设计强度的30%以上时，才可以浇注上层桩，混凝土达到设计强度的70%方可起吊，达到设计强度的100%方可运输，制作过程中不再移动制品。现场制作通常采用自然养护；采用锤击方法沉桩时，混凝土养护龄期通常不少于28d；采用静力压桩时，即使蒸汽养护达到混凝土设计强度的100%时，还需要自然养护5d以上才能进行压桩。因此，预制实心方桩的现场重叠法制作工艺不仅生产周期长，而且外观尺寸很难保证。为实现预制实心方桩的高效工厂化生产，为此，先设计适用于工厂化生产的预制实心方桩模具，并制定相应的预制实心方桩工厂化生产工艺。
1 装配式模具
为实现预制实心方桩的工厂化、机械化生产，首先要解决的就是模具问题。在混凝土布料工序、成型工序、养护工序以及各工序间制品输送时，要求模具不易变形，同时要求模具经济耐用。
预制实心方桩有多种规格，如GJBT-708《预制钢筋混凝土方桩》规定了200×200 mm、250×250 mm、300×300 mm、350×350 mm、400×400 mm、450×450 mm、500×500 mm七种规格的混凝土方桩[2]。方桩规格多，无疑增加了模具的规格。因此，模具最好具有可调性，即一套模具可生产多种规格的预制实心方桩。
图1是装配式模具示意图，材质为Q235钢。底板1为长方形平板，两侧分别开有不少于2列的螺栓孔（图1中两侧分别设有3列螺栓孔），螺栓孔规格以及位置与侧模板2下部翼缘处的螺栓孔对应，底板1底部设有筋板3，筋板3包括平行于长度方向中轴线的角钢状筋板，也包括长方形筋板、三角形筋板。侧模板2横截面呈半边工字形，下部翼缘处设有螺栓孔。为了保证模具刚度，侧模板2上部和下部翼缘间设有筋板3，包括沿长度方向的长方形筋板和垂直于长度方向中轴线的梯形筋板、三角形筋板、垂直于翼缘和平行于翼缘的筋板等；模具端部设有带螺栓孔的联接板7，2块侧模板通过下部翼缘处的螺栓孔与底板1装配成方形开口槽。侧模板2下部翼缘处的螺栓孔，可设置为圆孔；为装配方便，也可设置成长孔，以使侧模板长度方向在允许偏差值范围内有些许变形时，装配工作仍可方便进行，从而节省模具装配时间。当生产大截面尺寸方桩时，两块侧模板2分别沿长度方向中轴线向外移动，底板1上距离长度方向中轴线上较近的螺栓孔露出方形开口槽底部，混凝土拌合物浆体会从螺栓孔中析出，硬化后的混凝土会堵住螺栓孔。为此，放置钢筋笼前，在方形开口槽底部铺设一薄层垫层，垫层可用耐95℃温度的模具胶、塑料、橡胶等材料制作。
端头板（图中未画出）为闭口方形板，设有与侧模板2端部和底板1端部相连的联接板7对应的螺栓孔，通过螺栓联接装配在方形开口槽的两端。若是需要制作桩头，则桩头模板端部也对应开设与联接板7对应的螺栓孔，从而将桩头模板通过联接板7与模具成为一体。
拉杆4通过螺栓连接在位于侧模板2上部翼缘处的支座6，支座6上设有与拉杆4对应的螺栓孔，可设成圆孔、长孔、U形槽，支座6成对使用，分别固定在侧模板2上部翼缘处。拉杆4一端设有若干凸台，凸台尺寸根据预制实心方桩规格确定，另一端设有内螺纹；支座6带有U形槽，成对使用，分别固定在侧模板2上部翼缘处。拉杆4带内螺纹的一端通过螺栓联接固定于一支座6；拉杆4带凸台的一端放置在另一支座6的U形槽中，依靠螺栓和拉杆4上的凸台连接方形开口槽上部；通过螺栓和拉杆上的凸台调整方形开口槽上部尺寸。拉杆可为扁铁、角钢、槽钢、圆钢等材料，通过螺栓联接、卡槽联接等方式连接2块侧模板的上部翼缘，确保方形开口槽上部尺寸。拉杆为扁铁、角钢、槽钢时，若通过螺栓联接，则可在2块侧模板的上部翼缘和拉杆两端开设对应的螺栓孔。若侧模板2、底板1材料品质好，厚度大，方形开口槽刚度足够，也可不设置拉杆4。
吊耳5对称位于底板1上，沿着长度方向的外侧设置。吊耳5也可对称设置在侧模板2上。根据模具长度和吊装需要，确定吊耳数量。吊耳设置在底板1上时，沿着长度方向的外侧设置；吊耳设置在侧模板2上时，既可设置在侧模板腹板外侧，也可设置在侧模板上部翼缘和下部翼缘处。
2 预制实心方桩生产工艺
借鉴PHC管桩生产工艺，为了在较短时间内得到足够的强度，通常采用一些加速混凝土硬化的方法，如蒸汽养护，使用早强剂等，效率最高的技术是蒸汽养护[3]。因此，工厂化生产预制实心方桩优先采用蒸汽养护制度。
混凝土各组成材料的计量和搅拌采用现代化生产设备进行，微机自动控制，计量准备，搅拌均匀；方形箍筋和主筋绑扎成钢筋笼；模具清理后、拼模，和端头板或者桩头模板装配；将钢筋笼放置在模具中，布料往往采用半自动化方式进行，采用平板式或者附着式高频混凝土振动器使模具中的混凝土拌合物均匀、密实，排出内部的气泡；养护采用蒸汽养护，必要时也可以进行二次蒸汽养护或者蒸压养护，拆模，检验合格后做标识，放置在堆场。模具12h周转一次。图2是实心方桩生产工艺流程。
与现场重叠法制作工艺相比，采用该工艺不仅能显著提高生产效率，桩身外观尺寸以及桩身混凝土质量均能得到有效保证。
3 装配式模具特点
首先，该模具刚度大，不易变形，确保预制实心方桩外观尺寸。横截面呈半边工字形的侧模板设计以及上部翼缘和下部翼缘间筋板的设置，均提高了方形开口槽的截面惯性矩增大，模具刚度提高，抗变形能力提高，加之方形开口槽上部拉杆的设置，使得预制实心方桩外观尺寸能够得到保证。通常预制实心方桩允许偏差值，横截面边长为±5 mm，桩顶对角线之差为10 mm，桩顶平面对桩中心线的倾斜≤3 mm，保護层厚度±5 mm，桩身弯曲矢高不大于1‰桩长、其不大于20 mm。采用现场重叠法制作，尺寸偏差很难保证在允许范围内。而采用该模具生产方桩，模具在使用中不易变形，桩的外观尺寸由模具加工精度所保证，因此，桩的外观尺寸易于保证。
其次，方形开口槽内部尺寸调节方便，一套模具可生产多种规格预制实心方桩。通常预制实心方桩横截面尺寸有多种规格，长度根据工程需要设计，从数米到数十米不等。按照现有原材料价格和加工费用，方形开口槽宽度为400 mm、长度为12 m的模具，一套价格约3-4万元。通过调整侧模板在底板上的装配位置，使得一套模具可生产多种规格的混凝土方桩，减少了方桩模具规格，提高了模具的利用率；并且，模具规格的减少，也有利于模具的管理，如堆放、维修等。
第三，该模具适用范围广。既可用来生产预制实心方桩，也可生产预应力钢混凝土方桩，改变生产工艺，也可生产混凝土空心方桩。采用预置橡胶充气方式生产空心方桩时，模具可不做调整。生产预应力混凝土方桩时，该模具的一端设为张拉端，张拉端的端头板去掉，在另一端头板和方桩端板上增设相应的螺栓孔，通过螺栓将方桩端板与模具的端头板连接；在张拉端安装张拉器；施加预应力；布料、振动成型；必要时抹平上表面；养护后拆模。预应力混凝土方桩与无预应力的同规格方桩相比，在力学性能相同的前提下，前者可以减少配筋率；在配筋率相同的前提下，前者的抗弯性能显著提高，桩基的水平承载力提高，可用于高抗震设防烈度的地区。
最后，采用該模具生产预制实心方桩，能显著提高生产效率，降低操作人员劳动强度；避免了资源浪费，满足建筑材料可持续发展要求。由于该模具刚度大，不易变形，适合于各工序间的输送（如吊装、链式输送等），预应力张拉、布料成型、养护、拆模等工序均可采用机械设备半自动化生产，并且可采用蒸汽养护工艺，大大缩短方桩脱模时间。如布料后，采用该模具，则可应用板式或者附着式高频混凝土振动器，目前的高频混凝土振动器振动频率在9000 RPM~17000 RPM，可以满足大横截面钢筋混凝土方桩密实度要求；采用常压蒸汽养护（恒温温度通常在80℃~85℃），方桩可在12h内脱模，生产效率高，模具周转率高。工厂化生产降低了原材料的浪费，降低水泥用量，从而避免了不可再生资源（砂、石、石灰石和粘土资源等）的浪费。
4 结论
为满足预制实心方桩工厂化生产要求，设计了装配式模具，该模具刚度大，不宜变形，组装方便，一套模具可生产多种规格的预制实心方桩，模具利用率高，生产效率高。
装配式模具，包括2块侧模板、1块底板、2块端头板、筋板、拉杆、吊耳；侧模板横截面呈半边工字形，下部翼缘处设有螺栓孔，上部和下部翼缘间设有筋板，端部设有带螺栓孔的联接板；底板为长方形平板，两侧分别设有不少于2列的螺栓孔，尺寸与侧模板下部翼缘处的螺栓孔对应，端部设有带螺栓孔的联接板；2块侧模板通过下部翼缘处的螺栓孔与底板装配成方形开口槽；方形开口槽上部设有拉杆，通过连接两块侧模板的上部翼缘，保持开口槽上口尺寸
参考文献
[1] JGJ94-2008 建筑桩基技术规范 [S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2008.
[2] 04G361(GJBT-708) 预制钢筋混凝土方桩 [K]. 华东建筑设计研究院有限公司, 2004.
[3] 彭波,丁庆军, 王红喜, 等. 水泥与混凝土制品的蒸汽养护生产关键技术进展[J]. 国外建材科技，2007, 28(3): 21-24.
作者简介：汤永柳（1948~），男，籍贯杭州富阳，工程师，长期从事预制桩的生产和施工。