基于混凝土澆筑中模板斜拉桿受力分析

□ 呂 爽 趙中奇 譚旭東 盧嘉軒 黃 煥

1??引言

在大體積混凝土施工過程中，模板工程至關(guān)重要，占混凝土工程成本的40%左右。模板體系往往影響著施工質(zhì)量、速度和成本。同時(shí)模板的制作與安裝質(zhì)量，對于保證混凝土結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的外觀平整和幾何尺寸的準(zhǔn)確，以及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度等起著重要的作用。模板工程施工也是關(guān)乎整個(gè)施工安全的重中之重，保證模板結(jié)構(gòu)完整性是近年來模板設(shè)計(jì)、施工中的重點(diǎn)[1-2]。目前，鋼木組合模板在橋梁、高速公路等高墩施工中較為常見，其主要優(yōu)點(diǎn)為：

（1）施工簡單、方便，速度快，可提高工效15%～20%；

（2）鋼木模板自重輕、周轉(zhuǎn)重復(fù)使用率高；

（3）采用現(xiàn)場拼裝，免去山路顛簸造成的模板損壞；

（4）角部鋼模板銜接，保護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。

在混凝土澆筑過程中，鋼木模板所承受的力包括模板側(cè)壓力、澆筑混凝土?xí)r的沖擊力、振搗時(shí)的振搗力及混凝土水化熱所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。而這些力的合力應(yīng)小于模板的屈服應(yīng)力，并應(yīng)有一些盈余，否則模板會產(chǎn)生較大的變形甚至發(fā)生爆模[3-5]。為避免此類安全事故的發(fā)生，鋼木模板中型鋼背楞及陽角處鋼模板在保證整體模板結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度上起到重要作用。目前學(xué)者對中型鋼背楞研究較多，對于陽角處鋼模板，特別是銜接鋼模板與鋼木模板之間的斜拉桿受力研究較少，特別是對于斜拉桿的材料、強(qiáng)度沒有具體說明，也沒有相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，僅是施工單位結(jié)合實(shí)際施工情況進(jìn)行臨時(shí)組裝，這樣不但會導(dǎo)致澆筑成型后的結(jié)構(gòu)棱角處不美觀、不平整，還不能保障施工過程中的安全性及結(jié)構(gòu)使用的耐久性。

本文結(jié)合貴州省某大橋薄壁空心墩墩身施工中，鋼木模板結(jié)構(gòu)陽角處斜拉桿在混凝土澆筑到拆模之間的受力變形情況，進(jìn)行現(xiàn)場檢測并對測試結(jié)果分析，得出在此類工程中采用普通Q235鋼斜拉桿的可行性，為此類工程模板設(shè)計(jì)及施工提供數(shù)據(jù)參考。

2??工程概況

貴州省某在建大橋薄壁空心墩，墩身尺寸6.5m×3.0m，選用懸臂爬升鋼木模板進(jìn)行施工，模板在現(xiàn)場拼裝完成。混凝土墩柱陽角處采用剛度較大、變形小的鋼模板，鋼模板的受力是整體結(jié)構(gòu)形狀完整、美觀的重要保障。為保障鋼木模板與陽角處鋼模板融為一體，采用D20普通Q235鋼斜拉桿將鋼模板與左右兩側(cè)鋼木模板固定，既可以保證施工安全，還可以使?jié)仓瓿傻亩罩饨欠置?，美觀整潔。斜拉桿示意圖如圖1所示。

為使鋼木組合模板在混凝土澆筑過程中不發(fā)生漏漿現(xiàn)象，模板陽角處的設(shè)計(jì)十分重要，鋼木模板陽角處采用鋼模板，并用斜拉高強(qiáng)螺桿固定。在施工過程中陽角處斜拉桿的受力變形，直接影響陽角處鋼模板及兩側(cè)模板整體受力情況。因此，在施工過程中對于模板陽角處斜拉高強(qiáng)螺桿的應(yīng)變測試是判斷模板變形的重要依據(jù)[6-7]。

圖1 陽角處斜拉桿示意圖

3??測點(diǎn)布置

測試開始時(shí)間2019年9月20日15時(shí)25分，測試完畢時(shí)間為2019年9月21日7時(shí)04分，共進(jìn)行16.5h。混凝土在澆筑開始6h左右達(dá)到初凝，有效壓頭高度在1.5m～2.5m。

由于墩身結(jié)構(gòu)為“回”字形結(jié)構(gòu)，故僅對1/4陽角進(jìn)行測試分析，沿墩身高度方向陽角處鋼模板共布置4根斜拉鋼桿，分別距離鋼模板底部0.3m、1.5m、2.7m、4.05m處，最大間距1350mm，與鋼木模板型鋼背楞保持一致高度。斜拉桿兩端采用安全扣固定在鋼木模板型鋼背楞上，混凝土澆筑前，在斜拉桿中間部位安裝電阻式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行非接觸測試，直接利用筆記本電腦進(jìn)行自動采集數(shù)據(jù)，觀察斜拉桿在混凝土澆筑到終凝整個(gè)施工過程中微應(yīng)變變化情況[8-10]。圖2所示為陽角處斜拉桿測點(diǎn)位置。

圖2 陽角處鋼模板斜拉桿位置圖

4??測試結(jié)果及分析

從混凝土澆筑一開始既進(jìn)行測試，應(yīng)變計(jì)每秒計(jì) 20個(gè)變化數(shù)據(jù)，記錄結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)。每30min取36000組數(shù)據(jù)整理得出平均值進(jìn)行曲線繪制，減小誤差。如圖3為模板陽角處不同高度斜拉螺桿隨測試時(shí)間的微應(yīng)變變化情況。

圖3 陽角處斜拉桿應(yīng)變變化曲線圖

從圖3中可以看出，距離模板頂端最近的斜拉桿1在混凝土澆筑階段始終受拉，在測試0h～6h之間由于混凝土澆筑對鋼木模板產(chǎn)生側(cè)壓力，導(dǎo)致模板發(fā)生微小變形，斜拉桿此時(shí)起到約束模板變形的作用，持續(xù)受拉，微應(yīng)變發(fā)生變化。測試開始6h～12h期間，由于混凝土水化放熱導(dǎo)致混凝土內(nèi)部體積膨脹，增大對鋼木模板的側(cè)壓力作用，斜拉桿變形增大，微應(yīng)變變化斜率相比澆筑階段有所增加。12h～16h混凝土已由“液態(tài)”轉(zhuǎn)化為“固態(tài)”，側(cè)壓力不再發(fā)生劇烈變化，基本保持穩(wěn)定，最大微應(yīng)變在測試開始14h左右達(dá)到，最大值為148.74με，對應(yīng)最大應(yīng)力值為31.24MPa。

斜拉桿2距離模板上端2m處，在混凝土澆筑、凝結(jié)硬化過程中始終受拉，測試開始0h～2h斜拉桿變形迅速增大，主要是由于在2h時(shí)斜拉桿2附近對混凝土進(jìn)行間歇性振搗，導(dǎo)致應(yīng)變儀微應(yīng)變變化量發(fā)生跳躍性增加，振搗結(jié)束數(shù)據(jù)趨于平緩，最大拉應(yīng)變同樣在測試開始14h左右達(dá)到，最大拉應(yīng)變?yōu)?96.54με，對應(yīng)最大拉應(yīng)力為41.27MPa，是斜拉桿1所受拉應(yīng)力的1.32倍。

斜拉桿3位于距離模板上端3.2m、下端1.5m處，此位置為混凝土澆筑產(chǎn)生側(cè)壓力的有效壓頭高度位置，所受模板側(cè)壓力最大，斜拉桿3起到約束作用相對較大。通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)中可以得出，在混凝土澆筑一開始，斜拉桿微應(yīng)變呈線性急劇增加，最大值在混凝土終凝后達(dá)到，斜拉桿3所受最大拉應(yīng)變?yōu)?17.82με，對應(yīng)最大拉應(yīng)力為45.72MPa，是斜拉桿1受力的1.46倍，斜拉桿2受力的1.11倍，變形增大10.8%～46.4%。

斜拉桿4位于距離模板下端0.3m處，澆筑首節(jié)，斜拉桿靠近實(shí)心墩，其余節(jié)段靠近已澆筑完成的混凝土結(jié)構(gòu)，故模板受力變形較小。此處斜拉桿位于模板最下端，混凝土最先澆筑完成，斜拉桿受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上面三根斜拉桿，最大拉應(yīng)變在測試開始10h～12h達(dá)到，微應(yīng)變變化量為55.18με，對應(yīng)拉應(yīng)力為11.59MPa，僅是有效壓頭高度處斜拉桿3應(yīng)力值的25.3%。

以上測試數(shù)據(jù)結(jié)果分析說明，鋼木模板陽角處鋼模板采用D20普通Q235鋼斜拉桿在整個(gè)模板體系中處于重要位置，在混凝土澆筑至凝結(jié)硬化整個(gè)過程中一直受拉應(yīng)力作用。經(jīng)數(shù)據(jù)分析得出斜拉桿3發(fā)生微應(yīng)變變化量最大，最大拉應(yīng)變變化量出現(xiàn)在有效壓頭高度附近，對于最大拉應(yīng)力為45.72MPa，小于Q235鋼材屈服應(yīng)力235MPa，安全系數(shù)為5，結(jié)構(gòu)安全。

5??數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果分析

結(jié)合現(xiàn)場施工測試結(jié)果利用有限元軟件ABAQUS對變形最大斜拉桿3進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算斜拉桿的受力情況。如圖4 所示為斜拉桿3應(yīng)力變化。

圖4 應(yīng)力變化數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬計(jì)算可發(fā)現(xiàn)在斜拉桿施工中，桿件中部受力最大，最大應(yīng)力為47.9MPa，其次斜拉鋼桿兩端由于固定扣固定桿件與模板之間作用，應(yīng)力可達(dá)到43.92MPa。

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果對比分析，二者相差4.7%，誤差率小于5% ，誤差在允許范圍內(nèi)，證明了該模型的合理性。說明 ABAQUS 有限元軟件模擬結(jié)構(gòu)受力是可行的，在工程實(shí)際中可以運(yùn)用該軟件進(jìn)行預(yù)測結(jié)構(gòu)隱在風(fēng)險(xiǎn)。

6??結(jié)論

本文通過對某在建大橋薄壁空心墩鋼木組合模板陽角處鋼模板斜拉桿在混凝土澆筑凝結(jié)過程中應(yīng)變變化測試結(jié)果分析，得出以下3點(diǎn)結(jié)論。

（1）陽角處鋼模板斜拉桿采用D20普通Q235鋼在施工過程中應(yīng)變變化滿足規(guī)范要求，施工安全。

（2）陽角處鋼模板斜拉桿受力變形在1.5m處最大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在有效壓頭高度附近，最大拉應(yīng)力為45.72MPa。

（3）數(shù)值模擬計(jì)算得出斜拉桿最大受力位于中間，最大應(yīng)力為47.9MPa，相對實(shí)測值大4.7%，滿足規(guī)范要求。