大體積混凝土澆筑下新型盤扣式支撐架體的受力特性分析

□文/李 樂 吳天凱 王 海

大體積混凝土澆筑下新型盤扣式支撐架體的受力特性分析

□文/李 樂 吳天凱 王 海

文章以天津濱海國際機場擴建配套交通中心工程土建第三標段為工程背景，在頂板施工時采用了新型盤扣式支撐架體，同時在架體上布設(shè)了實時監(jiān)測系統(tǒng)，在上部大體積混凝土澆筑時對新型盤扣式架體的應(yīng)變情況進行實時監(jiān)控并依據(jù)上部計算荷載對架體進行分級預(yù)警，確保大體積混凝土澆筑下的高支模架體安全。后期對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)盤扣式架體的應(yīng)變反應(yīng)特性和上部混凝土的澆筑工況較好的吻合，同時也發(fā)現(xiàn)了整個架體的應(yīng)力峰值及關(guān)鍵點部位。

大體積混凝土；盤扣；支撐；架體

1 工程概況

天津濱海國際機場擴建配套機場交通中心工程第3合同段由地鐵2號線機場站、京津城際鐵路機場站、地下停車場、換乘通道與正在運營的T1航站樓連接通道工程以及和T2航站樓連接的集散大廳工程組成。即建筑軸線12軸東側(cè)變形縫至27軸東側(cè)變形縫中間部分，建筑面積25 500 m2，基坑最深約 24 m，長 146.1 m，為地下2層混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用樁筏板基礎(chǔ)，豎向結(jié)構(gòu)為鋼管柱及混凝土側(cè)墻，橫向結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土梁板，基坑圍護設(shè)計為1 200 mm厚地下連續(xù)墻。

整個工程車站部分（3區(qū)）采用蓋挖逆做施工工藝，其中結(jié)構(gòu)頂板采用超挖正做方案，在圍護結(jié)構(gòu)和中間樁柱施工完畢之后先開挖基坑6 m，澆筑混凝土墊層后搭設(shè)4 m承插型盤銷式鋼管支撐架體，支設(shè)模板并綁扎鋼筋后開始澆筑頂板混凝土。3區(qū)蓋挖板面積12 200 m2，板厚1 m，局部有腋角，梁的尺寸有1 800 mm×2 800 mm、2 600 mm×2 200 mm、2 600 mm×2 800 mm等，頂板混凝土采用C45P10，梁截面為上翻300 mm，主梁下翻1 500 mm。

2 支撐架體設(shè)計

考慮到工期及現(xiàn)場實際情況，頂板混凝土澆筑時采用承插型盤扣式架體作為高支模支撐體系[1]，架體搭設(shè)分單元進行，每個單元有4根立桿、12根橫桿及8根斜桿組成，橫桿和斜拉桿與立桿兩兩相連，見圖1。此種架體與傳統(tǒng)碗扣式架體相比具有搭拆省時、用量節(jié)省、承載力高的特點，根據(jù)頂板設(shè)計參數(shù)及施工荷載，驗算得出板下架體排列間距為1.5 m×1.5 m，梁斷面架體排列間距為0.9 m，順梁方向間距為1.2 m，盤扣式高支模架體搭設(shè)完成后見圖2。

圖1 承插型盤扣式架體搭設(shè)單元 圖2 高支模架體搭設(shè)

板底立桿為 Q345Bφ60 mm鋼管，立桿縱橫間距1 500 mm。

3 監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 監(jiān)測方案設(shè)計

3區(qū)結(jié)構(gòu)頂板板厚1 m，整個頂板面積為1.2萬m2,計劃澆筑混凝土量1.6萬m3，在混凝土澆筑時巨大的施工荷載將在短時間內(nèi)作用于此種架體上，為保證頂板混凝土的澆筑安全，在盤扣式高支模架體上安裝了監(jiān)控系統(tǒng)，在混凝土澆筑時對架體的應(yīng)變進行實時監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的基于電信號的貼片式應(yīng)力應(yīng)變傳感器，貼片布設(shè)于高支模架體的立桿上。整個頂板通過施工縫和后澆帶劃為6大板塊分別澆筑，根據(jù)理論計算并結(jié)合高支模架體有限元建模分析結(jié)果，每個板塊架體的關(guān)鍵受力桿件基本位于梁、板跨中，再依據(jù)現(xiàn)場架體實際搭設(shè)情況進行適當調(diào)整，每個板塊下架體選擇1～2個監(jiān)測斷面，每個斷面布設(shè)測點約16個，測點均選擇于板跨中、梁跨中立桿上。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)組建

整個實時監(jiān)測系統(tǒng)由傳感系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成[2]，在盤扣式高支模架體搭設(shè)完成之后開始布設(shè)傳感系統(tǒng)，先對選定的立桿測點處進行打磨、清洗處理，然后粘貼應(yīng)力應(yīng)變傳感器貼片并進行保護[3]，為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)能真實反應(yīng)桿件的軸向應(yīng)變，測點打磨和貼片粘貼時必須沿著桿件軸線方向。采集系統(tǒng)為DH3815N靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，使用自屏蔽數(shù)據(jù)傳輸信號線連接貼片和采集儀，最后組建成監(jiān)測系統(tǒng)并進行調(diào)試，見圖3?；陔娦盘杺鞲衅髟陂L距離數(shù)據(jù)傳輸時信號衰減較大，因此現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸信號線布設(shè)時盡量選擇較短路線，考慮到晝夜較大的溫差容易引起溫漂從而造成采集數(shù)據(jù)失真，現(xiàn)場采用溫度補償片進行補償[4～6]。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)組建流程

3.3 實時監(jiān)測

根據(jù)頂板分塊施工進度，監(jiān)測系統(tǒng)對應(yīng)分塊進行實時監(jiān)測，在每次混凝土澆筑前0.5 h啟動實時監(jiān)測系統(tǒng)，到本塊混凝土澆筑完成后3 h停止數(shù)據(jù)采集。設(shè)置數(shù)據(jù)自動采集間隔為20 s，同時進行數(shù)據(jù)存儲。

4 數(shù)據(jù)分析

從DH3815N靜態(tài)采集儀中導(dǎo)出數(shù)據(jù)并進行整理，同時剔除采集數(shù)據(jù)中因儀器解調(diào)而產(chǎn)生的突變數(shù)據(jù)，最終得到6個板塊的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)值。選擇6塊澆筑板塊的第2板塊實時數(shù)據(jù)進行分析，第2板塊東西跨位于22～26軸之間，南北位于A～E軸之間，監(jiān)測系統(tǒng)布點見圖4，總計布設(shè)22個測點。板塊上的混凝土采用2臺地泵澆筑，澆筑方向如箭頭所示。

繪制混凝土澆筑過程中22個測點的軸向應(yīng)變隨時間變化曲線，見圖5。

由圖5可以看出，整個混凝土澆筑過程持續(xù)約32 h，每個測點的變化曲線以不同顏色、不同寬度的線條表示。從宏觀角度分析，整個監(jiān)測過程中22條曲線先下降后上升緊接著又下降，是因頂板混凝土澆筑開始時間于18點，夜間環(huán)境溫度下降造成桿件和貼片傳感器收縮，從而引起溫漂現(xiàn)象，經(jīng)12 h后白天溫度回升，所有曲線又呈現(xiàn)整體上升趨勢，后又經(jīng)8 h溫度開始下降，再次產(chǎn)生溫漂現(xiàn)象，因秋季晝夜溫差較大，圖5中的溫漂現(xiàn)象比較明顯，特別是部分時刻受壓立桿桿件軸向應(yīng)變出現(xiàn)正值現(xiàn)象。

圖5中測點應(yīng)變曲線大致分3組：受混凝土荷載影響最先反應(yīng)的B22～B16測點，緊接著出現(xiàn)應(yīng)變的B15～B8測點，最后出現(xiàn)反應(yīng)的B7～B1測點。所有22個測點出現(xiàn)軸向應(yīng)變的先后順序與混凝土澆筑方向完全吻合。

整個實時監(jiān)測系統(tǒng)在啟動7 h后出現(xiàn)第1次監(jiān)測峰值，測點B22的應(yīng)變數(shù)值為-516.6，以同時刻未受施工荷載影響的測點B1應(yīng)變數(shù)值-103.1為基準，剔除溫漂影響后測點B22的真實軸向應(yīng)變?yōu)?413.5。

第2次監(jiān)測峰值出現(xiàn)在監(jiān)測系統(tǒng)啟動12.5 h后，在測點B7處，軸向應(yīng)變-600.3，同樣以B1測點的-138.8值為溫度應(yīng)變值，剔除溫漂后測點B7的真實軸向應(yīng)變值為-461.5，本次監(jiān)測峰值不同于其他峰值，受施工機械及流態(tài)混凝土的作用，在整個實時監(jiān)測過程中所有峰值均出現(xiàn)在混凝土澆筑面附近，但本次測點B7卻遠離澆筑面上。

第3次監(jiān)測峰值出現(xiàn)在系統(tǒng)啟動25 h之后，在梁下測點B2處，因同季節(jié)相同時刻環(huán)境溫度基本持平，因此可以忽略溫漂的影響，軸向應(yīng)變數(shù)值為-682，此時澆筑面還未到此點，隨著澆筑平面的向前推進，其應(yīng)變值繼續(xù)增大。

從圖5中單獨取出第1組測點數(shù)據(jù)繪制曲線，見圖6?？梢钥闯鲈跐仓_始前一段時間內(nèi)，先是處于最北側(cè)一塊板內(nèi)的4個測點B22～B19開始變化，4 h后處于梁附近的B16～B18開始出現(xiàn)不同變化，但10 h后所有的曲線變化趨勢基本保持一致，這是因為混凝土澆筑終凝后各個測點的桿件應(yīng)變基本保持穩(wěn)定，然后應(yīng)變曲線只是隨著晝夜溫差漂移。

圖6 B22～B16測點軸向應(yīng)變曲線

再單獨挑選測點繪制第2～3組軸向應(yīng)變曲線，見圖7和圖8。發(fā)現(xiàn)與第1組的變化規(guī)律基本相同。其中整個實時監(jiān)測過程中最大峰值出現(xiàn)在測點B2處，即板塊南側(cè)縱梁下立桿，最大軸向應(yīng)變-756.5，此時整個板塊混凝土澆筑完畢且大部分已經(jīng)終凝和初凝，測點附近混凝土因剛澆筑完畢，未上強度無法完成自承作用，外加溫漂影響，因此出現(xiàn)最大峰值，此時已經(jīng)是凌晨2點，可以預(yù)測測點的峰值會繼續(xù)增大，然后隨著白天溫度上升又開始回落，最終在混凝土初凝后稍微降低。

圖7 B15～B8測點軸向應(yīng)變曲線

圖8 B7～B1測點軸向應(yīng)變曲線

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)架體的受力特性與上部混凝土的澆筑過程基本吻合：軸力應(yīng)變峰值基本出現(xiàn)在混凝土澆筑面附近，因板塊依靠縱梁劃分為幾個部分，分塊、分層澆筑，因此，測點曲線也根據(jù)測點部位分組變化，在澆筑8～12 h后因混凝土終凝上強度，測點的軸向應(yīng)變基本保持不變，只是隨著溫差做漂移。貼片式傳感器受溫差影響較大，甚至出現(xiàn)了軸向受壓桿件應(yīng)變值為正的現(xiàn)象，說明溫度補償技術(shù)還有待進一步改進。新型承插型盤銷式鋼管腳手架作為新技術(shù)在本工程中得到了成功的應(yīng)用，架體無論是在穩(wěn)定、操作難易程度、構(gòu)造靈活性等方面都體現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。

［1］皺 明，沈高傳.承插型盤扣式鋼管支架試驗研究及工程應(yīng)用實踐［A］.2009年全國建筑模板與腳手架專業(yè)委員會年會［C］.鄂爾多斯，2009.

［2］陳廣華，鞠 娜，楊 飛，等.基于粘貼式應(yīng)變傳感器的車輛超載監(jiān)測系統(tǒng)［J］.北京航空航天大學學報，2011，（4）：34-39.

［3］王 彬，楊 鵬，劉玉巖.電阻應(yīng)變式傳感器的貼片及焊接技術(shù)［J］.衡器，2002，（6）：33-36.

［4］徐景波.應(yīng)變式負荷傳感器額定輸出溫度影響補償方法［J］.傳感器技術(shù)，2002，（4）：45-46.

［5］張 寧.應(yīng)變式傳感器的溫度誤差及補償方法［J］.價值工程，2012，（4）：21-22.

［6］陳得民.應(yīng)變傳感器的穩(wěn)定性［J］.上海計量測試，2012，（3）：37-39.

□吳天凱、王 海/中國建筑第八工程局有限公司天津分公司。

TU731.2

C

1008-3197（2013）05-14-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.05.005

2012-11-21

李 樂/男，1985年出生，工程師，中國建筑第八工程局有限公司天津分公司，從事工程技術(shù)管理工作。