異形混凝土模板的探索與研究

員浩陽

摘 要 本文基于對舟山某項目雙網(wǎng)殼混凝土結(jié)構(gòu)模板提出兩種解決方案。一種是基于傳統(tǒng)鈑金項目結(jié)構(gòu)研究形成的異形鋼模板;另一種是基于泡沫CNC加工研究形成的泡沫模、聚脲、木模相結(jié)合的復(fù)合模板。

關(guān)鍵詞 清水混凝土;異形模板;鋼模;泡沫CNC加工;聚脲

背景

清水混凝土的誕生，使異形混凝土結(jié)構(gòu)建筑物層出不窮，促使建筑結(jié)構(gòu)形式的多元化發(fā)展。因其外形質(zhì)量高，成型效果好，滿足表面裝飾效果。實現(xiàn)了建筑、結(jié)構(gòu)、裝飾一體化的設(shè)計思路。近幾年，在建筑中被大量應(yīng)用和推廣，如：美國花籃步行橋，倫敦奧運會水上中心等。對于這類外形曲面復(fù)雜的建筑物，傳統(tǒng)的混凝土木模板已無法滿足要求，亟須研究開發(fā)適用于異形混凝土的新型模板。建筑結(jié)構(gòu)一般體量大，對模板的需求量也相當(dāng)龐大，此類模板市場前景廣闊。

1舟山某項目雙層網(wǎng)殼混凝土結(jié)構(gòu)概況

該項目雙層網(wǎng)殼混凝土結(jié)構(gòu)部分高約24.2m，底部直徑約60m，整體混凝土強度為C40。由24組內(nèi)外網(wǎng)格單元組成，內(nèi)外每一組包含9個菱形網(wǎng)格，包含8個完整網(wǎng)格和首段半網(wǎng)格，且最頂部5個網(wǎng)格范圍混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外重合，共計336個菱形網(wǎng)格。大小不一，網(wǎng)格斜柱尺寸最大為2069mm×947mm，柱截面尺寸隨高度不斷變小。網(wǎng)眼邊緣為復(fù)雜雙曲面。模板定位復(fù)雜，精度要求高，無法采用常規(guī)模板體系施工。

2異形鋼模板

異形鋼模壁板由面板和型面鋼架組成[1]。面板材質(zhì)為3mm厚Q235B碳鋼，型面鋼架為8*80鋼板。此壁板形式優(yōu)點在于3mm厚鋼板既便于雙曲面成型，又具有良好的剛度性能。型面鋼架可以做到數(shù)據(jù)的三維截取、板材的激光下料，保證了鋼模整體組裝精度。

型面鋼架和面板通過間斷焊接，每間距200mm，保證有焊接長度100mm的飽滿焊縫。壁板獨立分塊，分塊時要考慮便于脫模。此種連接方式的壁板表面焊接變形微小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，后期局部矯形方便。

2.1 鋼模板模型建立

（1）型面獲取。根據(jù)施工方案設(shè)計要求，外網(wǎng)殼外側(cè)需使用鋼模板，因此需從設(shè)計模型獲取對應(yīng)部位型面數(shù)據(jù)，以此進行鋼模板深化設(shè)計。

（2）鋼模分塊處理。由于鋼模面積較大，考慮到廠內(nèi)制作、組裝、運輸以及現(xiàn)場安裝等因素，需要對鋼模進行分塊。除上述因素外，鋼模分塊還需考慮要便于分模，即在混凝土澆筑完成凝固以后，鋼模便于取下。鋼模分塊形式如圖所示。

（3）型面鋼架深化設(shè)計。鋼模采用80mm×8mm不銹鋼型面鋼架進行模板加固連接，板條密度為豎向間隔500mm，橫向間隔500mm。經(jīng)強度計算以及樣件試裝，該鋼架布置豎向間隔200mm，橫向間隔500mm，才能達(dá)到滿足澆筑強度要求，防止?jié)仓^程中爆模。

（4）鋼模連接件要求。鋼模塊與塊之間的連接件應(yīng)安全可靠，強度滿足要求。安裝拆卸方便，節(jié)約施工時間?；Q性、通用性強，滿足模板各處節(jié)點連接。周轉(zhuǎn)性強、耐腐蝕，便于重復(fù)利用。結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低廉。

2.2 材料選擇

Q235B有一定的伸長率、強度，良好的韌性和鑄造性，易于沖壓和焊接。作為周轉(zhuǎn)使用次數(shù)較少的異形鋼模材質(zhì)既經(jīng)濟，又便捷。

2.4 鋼模穩(wěn)定性計算

由于網(wǎng)殼實際雙曲形狀復(fù)雜，計算分析是個龐大工程。對計算分析模型進行簡化，簡化其曲面形狀為矩形筒。簡化后的壁板稱之為典型壁板。典型壁板單元計算書如下：

概況：利用有限元軟件SAP2000建立有限元模型，分析澆筑混凝土荷載作用下壁板及加勁板應(yīng)力分布，位移值，驗證壁板及加勁板是否滿足規(guī)范要求[3]。模型選取矩形管為分析模型，支撐支座間距為500mm。分析模型如下圖所示：

模型鋼模板構(gòu)造及計算說明：壁板采用3.0mmQ235B鋼板，按面單元薄殼設(shè)置，加勁鋼板規(guī)格-80×8，水平向間距200mm均布設(shè)置，豎向間距500mm均布設(shè)置，加勁板按面單元計算。加勁板間焊接連接，壁板與加勁板間斷焊連接，壁板拼接滿焊連接。壁板封邊處與加勁板全焊連接或采用折邊方式與加勁板疊合后共同拴接。壁板與加勁板交界線分割面截面，面與面自動邊束縛，面單元自動網(wǎng)格剖分。計算板單元2.0米×2.0米。

澆筑混凝土荷載及混凝土自重荷載按活荷載考慮，最大70kN/m2，所有面荷載均局部坐標(biāo)軸朝向矩形管外側(cè)。

最大應(yīng)力162N/mm2，小于材料強度設(shè)計值，應(yīng)力最大處分布于上表面跨中加勁板處及支座處壁板上，壁板最大變形為3.0mm，約為跨度的1/666。

通過對樣件受力的計算模擬，計算模型基本滿足澆筑荷載的要求。鋼模結(jié)構(gòu)安全可靠。

2.5 鋼模板加工

（1）模板加工：鋼模加工過程由軟件程序輸出型面數(shù)據(jù)至機床，采用無模成型技術(shù)完成模板型面制作。細(xì)節(jié)部位由人工鈑金工藝完成，有效地保證型面線條流暢、美觀。

（2）型面鋼架加工：通過三維軟件將板條設(shè)計模型數(shù)據(jù)逐層導(dǎo)入CAD獲得1∶1樣條控制曲線，把所需切割的型面板條數(shù)據(jù)輸入數(shù)控激光切割機，得到樣條控制曲線所對應(yīng)的型面板條，通過數(shù)控激光切割機對型面鋼架進行加工。

（3）精度保證措施：為保證精度和防止變形，型面板條組裝制作胎架，然后根據(jù)卡槽和編號對型面鋼架進行組裝。單元塊內(nèi)縱橫相交的型面鋼架在相交處各斷開一半，虎口互卡，然后虎口處焊接固定。

2.6 鋼模板的分塊及變形預(yù)控

為防止?jié)仓^程中鋼模受到混凝土沖擊或由于混凝土自重產(chǎn)生模板變形、炸模情況發(fā)生，因此需要在鋼模分塊拼縫較多、較為薄弱之處局部進行龍骨加固。增強整個鋼模的穩(wěn)定性。

2.7 鋼模板面層處理

鋼模要求周轉(zhuǎn)使用，內(nèi)外側(cè)均需防銹處理。鋼模內(nèi)部型面缺陷需刮膩子整平，為便于脫模，鋼模內(nèi)腔需涂刷脫模劑。整個面層處理順序為：防銹漆→膩子→脫模劑。

最終混凝土澆筑后效果良好，混凝土樣件線條清晰、順暢，表面光滑、平整。

3泡沫模與木模相組合的復(fù)合模板

聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene簡稱EPS）是一種輕型高分子聚合物。它是采用聚苯乙烯樹脂加入發(fā)泡劑，同時加熱進行軟化，產(chǎn)生氣體，形成一種硬質(zhì)閉孔結(jié)構(gòu)的泡沫塑料。EPS在工程項目中常作為一種超輕質(zhì)的路基填料，控制橋頭段的不均勻沉降。也是藝術(shù)工程常用的一種模型放樣材料。

泡沫模與木模相組合的復(fù)合模板結(jié)構(gòu)形式為：上、下兩層面為弧形木模板，中間混凝土空洞的部分為泡沫模型。

3.1 泡沫模型設(shè)計

根據(jù)已知的混凝土模型，對混凝土模型求反模，需要創(chuàng)建混凝土網(wǎng)殼的上、下弧形底面，在做出混凝土空洞部分的模型，進而得出對應(yīng)要做的泡沫模型。

3.2 泡沫CNC加工與組裝

采用五軸數(shù)控加工中心加工實物泡沫模型，對復(fù)雜曲面的成形質(zhì)量和準(zhǔn)確度控制提供必要的基礎(chǔ)條件。

3.3 表面聚脲硬化

泡沫模型局部抗壓性能差，需表面硬化。表面硬化后可作為混凝土澆筑模板。采用聚脲作為表面硬化材料。

根據(jù)項目需要，采用芳香族泡沫防護聚脲。其特點是：綠色環(huán)保;抗撞擊、抗撕裂性強;不易破損、不怕潮;耐老化性能好，無接縫;固化快;施工方便，噴涂一次成膜。

（1）施工環(huán)境要求。為了達(dá)到最佳的涂層效果現(xiàn)場要求通風(fēng)，環(huán)境溫度不能低于10℃，基材溫度高出露點5℃，空氣濕度小于80%。

（2）基材表面處理。a.清理：用無油、無水的壓縮空氣清掃的基材表面灰塵等污物，將影響聚脲施工的雜物垃圾清理干凈。b. 基材表面要求：無油漬、無污染、無細(xì)小泡沫。

（3）刮涂膩子。刮涂膩子，以封閉基材表面的沙眼、微孔。

（4）配料。聚脲配料分A、B料。配料前先將B料用電動攪拌機攪拌均勻。然后將聚脲A、B組份按重量2∶1混合，用電動攪拌機攪，配料量以能夠在25分鐘內(nèi)刮涂完為宜，即操作時間為25分鐘，表干時間為少于3小時。

（5）刮涂。①用毛刷或刮板在基材表面面上進行第一遍刮涂。② 第二遍涂刮間隔以第一遍表干不粘手為準(zhǔn)，表干時間一般為3～8小時（表干時間受環(huán)境溫度影響，但不要超過24小時），以避免第一遍不干造成的鼓泡。涂刮厚度0.5mm左右，用十字交叉法反復(fù)用力刮涂，以便趕出攪拌時混入的空氣，避免涂層間小氣泡的產(chǎn)生。③用同樣的方法進行三、四遍的涂刮，直至達(dá)到要求厚度。

（6）修補。涂刮不用力會造成鼓泡。將鼓泡、分層（或其他缺陷）的地方鏟出聚脲層，打磨后重新涂刮。整個涂刮過程一定要用十字交叉法反復(fù)用力刮涂，以避免缺陷產(chǎn)生。

3.5 泡沫模型安裝與混凝土澆筑

泡沫模型安裝于已搭設(shè)好的弧形木板上，通過對拉螺桿起到加固泡沫模型的作用。泡沫模型與弧形木板結(jié)合面若出現(xiàn)局部縫隙，應(yīng)在縫隙處做填充劑填平縫隙。

4結(jié)束語

鋼模板制作單價高，工序簡單，可用于多次周轉(zhuǎn)使用;泡沫模板制作單價低，工序復(fù)雜、使用一次后即報廢，無法重復(fù)使用。因此，對于不同類型的異形混凝土項目，這兩種模板各有優(yōu)勢。可根據(jù)不同情形選擇使用。

參考文獻

[1] GB/T50214-2013.組合鋼模板技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2013.

[2] 雷映平，周光，周小渝.高效水溶性混凝土模板脫模劑的研究[J].混凝土，2002，（9）：40-41.

[3] 陳建奎.混凝土外加劑的原理與應(yīng)用[M].北京：中國計劃出版社，1997：4.