裝配式混凝土塔筒預制構件脫模工藝研究

余 光

(中鐵二十四局集團 橋梁建設有限公司，江蘇 無錫 214203)

近年來全球風力發(fā)電行業(yè)快速發(fā)展，我國風力發(fā)電機組的裝機容量也保持穩(wěn)步增長的趨勢[1]，風電塔筒作為風電機組下部主要的支撐結構[2]，從結構形式上分為格構式塔架[3]和圓形或方形塔筒，因鋼混凝土混合塔筒的風電機組發(fā)電量穩(wěn)定、結構安全性能高[4-6]，是目前低風速區(qū)高塔筒結構的主要形式之一。鋼混塔筒中混凝土段主要采用后張預應力混凝土結構，預應力可以是體外預應力，也可以在混凝土構件中預留預應力筋的孔洞[7]，通過法蘭將上部鋼塔筒錨固于下部混凝土塔筒上頂面，以實現(xiàn)兩種結構的共同受力[8]。

隨著裝配式建筑的發(fā)展，風電混塔有工廠預制、現(xiàn)場裝配的生產(chǎn)模式[9]，混塔的構件可以在標準化預制場中完成，不會影響項目整體施工進度，在現(xiàn)場先進行混凝土塔筒的裝配，常用的方案有干式連接[10]與灌漿連接[11]。塔筒裝配完成后，進行上部鋼塔和機組的吊裝與安裝，從而大幅度縮短工期，降低風電場的建設造價，提升項目經(jīng)濟效益。裝配式混凝土塔筒主要具有以下幾個方面的優(yōu)勢：(1)塔筒主體為裝配式結構，不受運輸方面的限制；(2)增加風電機組輪轂高度，有助于提升發(fā)電量；(3)裝配式混塔強度與剛度大于同高度柔性塔架，安全性更高；(4)裝配式混塔的自振頻率一般高于風電機組主要的運行頻率，避免起機過程中的共振問題；(5)混凝土的抗腐蝕性能好，更適用于多雨水和腐蝕性環(huán)境。

中國船舶重工集團海裝風電股份有限公司采用的鋼混塔筒的混凝土塔段是由多節(jié)塔筒沿高度方向拼接而成，其中每節(jié)塔筒是由4片平板構件與4片圓角構件拼接而成(見圖1)，其中全部圓角構件尺寸一致，平板構件的尺寸沿高度方向變化，同一節(jié)塔筒的平板構件尺寸一致，每段塔筒拼裝時存在8條豎向拼接縫，通過設置豎縫相應的連接構造和預應力錨固體系保證結構整體性能[12]。

圖1 塔筒構造三維圖

為更好地適應風電塔筒批量安裝需求，加快生產(chǎn)進度，構件模具設計要實現(xiàn)標準化與通用化，圓角與平板預制構件的模具分為頂模、底模、端模和側模，各部分模具可以獨立裝配與拆卸，其中圓角預制構件尺寸均一致，僅需設計一套完整的頂模、底模、側模與端模圖紙，即可實現(xiàn)模板通用，加快周轉進程；平板構件雖然尺寸不一致，但側模與端模可以實現(xiàn)通用化，因此選擇滿足最大平板的底模平臺與端模平板，只需要按照不同平板尺寸，在底模平臺上安裝側模與端模模具，即可實現(xiàn)通用平板模具，生產(chǎn)不同尺寸的平板。因此，兩種塔筒預制構件均實現(xiàn)了模具通用化，大批量生產(chǎn)構件時，模具周轉進程快，生產(chǎn)效率高，工期優(yōu)勢明顯。本文以該裝配式混凝土塔筒項目為例，針對在生產(chǎn)過程中存在的預制構件傳統(tǒng)型腔側模剛度低、易扭轉變形和鋼筋與模具卡緊造成脫模困難等問題，先后對模具進行了3次改進，以找到較優(yōu)的預制構件生產(chǎn)及脫模工藝方案，以提高模具周轉率和預制構件生產(chǎn)效率。

1 原始構件生產(chǎn)及脫模工藝

塔筒豎向接縫采用構件側邊預留U型鋼筋相互搭接并灌漿的方式連接(見圖2)，利用圓角構件與平板構件側邊豎向間槽中預留的U型鋼筋相互搭接并灌漿，靠鋼筋與灌漿料的黏結力，將8片預制構件裝配成閉合塔筒。

圖2 塔筒預制構件豎縫構造

為了在側模上準確預留出U型鋼筋的放置空間，需定制專用側模模具，見圖3(a)，傳統(tǒng)生產(chǎn)方法是先通過螺栓將連續(xù)尼龍型腔塊固定在側模上，相鄰模具塊之間的凹槽可以用來放置U型鋼筋(見圖3)，保證型腔模具塊的凹槽與U型鋼筋的位置一一對應，從而可以固定與限制鋼筋的角度和長度，使其滿足連接的構造要求。澆筑前需要在型腔模具上刷脫模劑，待混凝土養(yǎng)護至指定強度后脫模。

圖3 型腔側模構造圖

試件脫模順序為頂模-側模-底模，側模脫模時，需要將U型鋼筋與型腔模具分離，因U型鋼筋與型腔塊之間存在粘結作用，一般需要借助較大機械外力，將構件脫離側模具，見圖3(c)，U型鋼筋被混凝土附著，需要將U型鋼筋上附著和硬化的混凝土鑿去，保持鋼筋的清潔，充分暴露，并對構件灌漿面進行鑿毛處理后，構件預制完成，運輸至拼裝現(xiàn)場。

構件脫模是施工難點，大批量生產(chǎn)中，側模由于截面尺寸小、剛度不足，經(jīng)過多次周轉和外力脫模后，會產(chǎn)生明顯的變形，型腔模具在外力作用下也產(chǎn)生移位和松動，模具變形會加劇脫模難度，脫模時外力不均會對構件以及模具產(chǎn)生損壞，嚴重時模具會報廢，構件也會因為局部受力過大產(chǎn)生裂縫和損壞，無法正常使用。

1.1 脫模困難

由圖3可以看出：型腔模具之間凹槽空間比預留U型鋼筋的直徑大約2 mm，預留間隙小而間槽較深，一方面U型鋼筋在加工彎折過程中，無法保證鋼筋不產(chǎn)生翹曲變形，容易與間槽縫隙互相卡緊，形成卡扣效應(見圖4)，另一方面在混凝土澆筑過程中，一部分水泥漿會進入型腔模具的凹槽中，在養(yǎng)護過程中，構件U型鋼筋與模具間水泥漿逐漸凝結硬化，產(chǎn)生較大的粘連力，基于以上兩方面原因，脫除側模具有相當難度，須借助吊車等設備將側模具提升，施加較大的外力，構件才可以與側模分離。

圖4 卡扣效應示意圖

1.2 構件易損壞

單片構件長16 m，厚度0.28 m，為長而薄的板件結構，吊車設備提升脫模時，在構件1/4和3/4長度處分別設置吊點，由于側模剛度小，兩吊點均為人工操作，無法保證受力完全相同，模具受到兩處不等的吊力時，會發(fā)生扭轉和變形，出現(xiàn)型腔塊與側?？ňo，難以脫模的問題，強制脫模會使板件損壞，影響構件的外觀，嚴重時會導致構件直接報廢(見圖5)。

圖5 平板構件損壞

1.3 側模具易損壞

側模具的長度尺寸與寬度、厚度相差甚遠，模具本身剛度小，由于脫模需要借助吊車設備，模具在較大且不均勻的吊力下，容易產(chǎn)生變形和扭轉，使得預留U型鋼筋與型腔間的凹槽卡緊，形成卡扣效應(圖4)，又增加了脫模的難度，且外力作用很容易損壞模具，尼龍盒的螺栓容易松動變形，需要重新更換或者安裝，并且存在更換困難的問題，更嚴重的會造成側模直接損壞，導致模具損耗嚴重，成本顯著增加。

2 型腔方案優(yōu)化研究

由上述分析可知：要解決側模剛度低、易變形、構件易損壞以及脫模困難等問題，需要從兩方面考慮:(1)提高側模剛度，避免或者減小側模的扭轉、變形程度，減小卡扣作用，減輕脫模造成的損壞程度；(2)在構件與模具的接觸界面上，利用彈性材料的收縮變形使接觸界面產(chǎn)生縫隙，降低界面黏結力，從而減小脫模困難?；诶碚摲治?，對原有模具進行改進，設計3種型腔模具，并分別進行了現(xiàn)場澆筑、脫模試驗，對以上3種模具的脫模難度、工效、成本、長期維護工作等做了綜合性研究。

2.1 鋼塊型腔模具

為解決側模剛度小、型腔塊易變形脫落、側模易損壞的問題，將側模尼龍盒更換成剛度更大的鋼塊，鋼材強度大、塑性與韌性好，且具有良好的焊接性，可以采用焊接方式固定在側模上(見圖6)，比原方案的螺栓連接更加牢固，因鋼材價格高，單個鋼塊成本較尼龍盒提高30%。

圖6 鋼塊型腔側模

現(xiàn)場試驗結果：

(1)鋼塊側模具在脫模過程中不易變形，剛度增加明顯，多次使用后無明顯變形，沒有發(fā)生損壞；

(2)脫模后，鋼塊牢固不會發(fā)生松動和脫落，同一套模具多次脫模，也不會造成鋼塊的移位，不需要經(jīng)常檢修和更換鋼塊。

(3)鋼塊型腔側模脫模仍然存在較大困難，與原(尼龍)模具方案相比，脫模難度沒有明顯改善，模具與構件卡扣作用依然存在。

2.2 橡膠包鋼型腔模具

在鋼塊型腔側模的基礎上，為了改善型腔模具與構件卡緊難以脫模的問題，考慮將鋼塊外包裹具有可逆形變的高彈性橡膠層，見圖7，因橡膠在室溫下富有彈性，在很小的外力作用下能產(chǎn)生較大形變，除去外力后能恢復原狀，理論上可以通過橡膠的彈性變形，使模具型腔與構件表面分離，減輕兩者的卡扣效應，減小脫模的難度，與傳統(tǒng)的尼龍塊方案相比單個橡膠包鋼塊模具成本需增加35%。

圖7 橡膠包鋼塊側模方案 圖8 分段尼龍盒側模

現(xiàn)場試驗結果：橡膠包鋼型腔側模具具有鋼塊模具相同的優(yōu)點，剛度大不易變形，鋼塊牢固不易松動和脫落，不需要經(jīng)常更換和維修，并且鋼塊側模較尼龍盒與鋼塊相比，脫模時間短；但是橡膠制品在加工、貯存和使用過程中，由于受各種因素的綜合作用而引起橡膠物理化學性質和機械性能的逐步變化，容易出現(xiàn)龜裂、發(fā)黏、硬化、軟化、粉化等，模具多次使用后，橡膠層已經(jīng)出現(xiàn)硬化與破壞，繼續(xù)使用依舊出現(xiàn)脫模困難的問題，需要經(jīng)常更換橡膠層，長期維護工作量大，并且更換橡膠層存在一定的難度。

3 側模分段尼龍型腔模具

上述兩種優(yōu)化方案，與傳統(tǒng)尼龍塊型腔相比，側模具剛度提高明顯，扭轉變形問題得到明顯改善，但脫模困難的問題仍未得到有效解決。分析原因為：模具長度與寬度相差甚遠，即使換成鋼塊模具，側模剛度顯著增加后，由于模具過長，仍然會出現(xiàn)起吊過程中模具扭轉變形的情況，形成多處、多段距離的鋼筋與尼龍盒卡緊，加大了脫模難度。此外，由于型腔模具與構件界面被水泥漿體覆蓋，水泥凝結硬化后形成水泥塊體，強度與構件強度接近，構件脫模時，需要用外力將水泥塊體破壞，才可以順利脫模。

因此在原有型腔模具基礎上，將側模長度減小一半，由原來16 m改成兩段各8 m長的側模，兩段分別進行脫模，一方面可以增加側模剛度，減緩側模扭轉變形引起的與鋼筋卡扣作用，降低脫模難度；另一方面，側模長度減小一半后，側模阻力也減小至原來的一半，脫模難度相應降低，更容易脫模，且改進后的模具成本基本不變。在整段型腔模具附近涂刷緩凝劑，減緩界面處水泥塊凝結硬化程度，降低界面處水泥塊體強度，從而降低脫模難度。

為了驗證改進效果，在分段的型腔模具上分別使用緩凝劑與脫模劑進行試驗，分段模具見圖8，試驗結果見表1。

表1 涂刷緩凝劑與脫模劑試驗結果對比

與前兩種優(yōu)化模具方案(鋼塊、橡膠包鋼)相比，分段后的側模方案，模具受吊力作用的變形程度明顯減小，尼龍型腔塊的變形與移位程度減輕，涂刷緩凝劑后，脫模難度降低明顯，分段模具脫?？倳r間縮短33%，使用緩凝劑后，不僅使脫模效率提高了33%，且混凝土塊的鑿毛時間也縮短33%，明顯加快了生產(chǎn)效率。

4 結論

本文針對風電塔筒預制構件在傳統(tǒng)生產(chǎn)中遇到側模剛度低，側模扭轉變形導致型腔與脫模困難的問題，分析其原因并對原有方案進行針對性改進，先后設計了鋼塊型腔方案、橡膠包鋼型腔方案、分段尼龍塊方案，并輔助使用緩凝劑，得到如下結論：

(1)鋼塊型腔側模成本增加30%，解決了側模剛度低易扭轉變形的問題，模具使用壽命更長，鋼塊使用焊接方式更加牢固，可以避免多次使用后檢修和更換鋼塊等工作，長期維護工作簡單，可節(jié)省人工，但對脫模難度沒有改善；

(2)橡膠包鋼型腔側模具成本增加35%，解決了側模剛度低、易變形與型腔塊體脫落等問題，短期可改善脫模困難的問題，但效果隨著模具使用次數(shù)的增加逐漸消失，需要經(jīng)常更換橡膠層，導致維護工作量大、成本高；

(3)分段后的尼龍型腔盒側模方案，模具變形程度降低，型腔塊脫落、移位情況明顯改善，輔助使用緩凝劑后，脫模難度明顯降低，脫模效率提高33%，混凝土塊鑿毛效率同樣提高33%，分段方案成本基本不變。

綜合比較成本、工效、工期與施工難度等因素，分段尼龍型腔側模具整改方案最優(yōu)，模具在涂刷緩凝劑后疊涂脫模劑，對提升脫模效率明顯，建議在大批量生產(chǎn)時采用該方案進行施工。