鋼木組合模板側(cè)壓力及表面溫度在薄壁空心墩柱施工過程中的變化分析

曹月貴，呂 爽，譚旭東，黃 煥，胡小磊

（1.中交四公局第九工程有限公司，北京 朝陽 100102；2.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870）

2020年是全面脫貧建成小康社會的關(guān)鍵一年，為提升山嶺重丘區(qū)GDP指數(shù)，一條條高速公路成為山嶺重丘區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的連接樞紐，一架架跨山大橋成為經(jīng)濟貫通的主要連接線。復(fù)雜的地勢環(huán)境、惡劣的氣候?qū)е律綆X重丘區(qū)常年晝夜溫差大，對建筑施工造成了很大的影響。在橋梁工程中，薄壁空心墩在滿足承載力的基礎(chǔ)上采用空心設(shè)計，因其減輕自重、節(jié)省材料、施工簡單快捷而成為山區(qū)橋梁工程的首選[1-2]。

1 工程概況

貴州江玉高速公路連接線工程全長11.8km，其中某段施工中，涉及橋梁墩柱12根，均為矩形薄壁空心墩?，F(xiàn)場結(jié)合當(dāng)?shù)厥┕きh(huán)境決定采用懸臂爬升模板結(jié)構(gòu)進行高墩施工。16#墩柱等截面薄壁空心墩：墩身尺寸6.5 m×3 m，左福高50 m，右福高53 m（不含蓋梁高2 m），壁厚0.50 m，采用C40混凝土進行澆筑。坍落度188 mm、初凝時間6 h 5 min、終凝時間8 h 55 min、容重2 500 kg/m3，無緩凝劑。懸臂爬升模板采用新型鋼木組合模板，面板采用厚度18 mm維薩板；豎肋采用200 mm×80 mm木工字梁，最大間距300 mm；橫肋為雙14a槽鋼，最大間距1 350 mm；爬模結(jié)構(gòu)為PJ200懸臂模板結(jié)構(gòu)[3]。

2 現(xiàn)場測試方案

在確定薄壁空心墩的模板結(jié)構(gòu)設(shè)計后，選擇“回”形墩斷面的1/4、墩柱澆筑標(biāo)準(zhǔn)段高4.5 m處作為測試研究對象。本文旨在研究混凝土澆筑、振搗、水化凝結(jié)等過程，薄壁空心墩柱鋼木組合模板所受混凝土側(cè)向壓力作用隨澆筑高度的變化情況及模板表面溫度變化與側(cè)壓力之間的關(guān)系。

2.1 測點布置

取橋墩墩柱截面的1/4部分作為試驗研究對象，采用智能弦式數(shù)碼土壓力盒測試混凝土對模板側(cè)壓力和外層混凝土溫度變化。

壓力盒在6.5 m×4.5 m模板面1/2、右側(cè)1/4處布設(shè)兩列，在3 m×4.5 m模板面上左側(cè)1/4、1/2處布設(shè)兩列，每列布設(shè)7個壓力盒，共28個測點，見第106頁表1、圖1。

圖1 壓力盒測點布置圖

表1 鋼木組合模板壓力盒位置 （m）

2.2 測試方案

混凝土澆筑伊始，直至混凝土初凝、終凝、水化基本穩(wěn)定，對鋼木組合模板進行測試，取得模板受澆筑混凝土的側(cè)壓力變化、模板表面溫度變化和對拉螺桿應(yīng)力、應(yīng)變等的測試數(shù)據(jù)。

混凝土澆筑于2019年9月20日15：25開始，當(dāng)日19：34結(jié)束，標(biāo)準(zhǔn)段澆筑共進行4 h 9 min，2019年9月21日07：04為測試完畢時間，測試共持續(xù)16 h。測試開始當(dāng)?shù)販囟燃s23～30℃，測試結(jié)束最高溫度近70℃，溫差最大達45℃，為大溫差情況[4-6]。

3 測試結(jié)果分析

為了準(zhǔn)確分析鋼木組合模板在混凝土澆筑、振搗、水化施工過程中的混凝土側(cè)壓力及鋼木模板表面溫度變化情況，本文測試了正面、側(cè)面模板1/2、1/4不同高度側(cè)壓力、溫度隨時間的變化情況。對正面處壓力變化進行分析，變化曲線見圖2、圖3。

圖2 長邊模板1/2處側(cè)壓力變化

圖3 長邊模板1/2處溫度變化

從圖2可以看出，整個測試過程可分為3個階段，分別為混凝土澆筑階段（0～5 h）、混凝土沉實階段（5～8 h）、混凝土水化（凝結(jié)）階段（8～14 h）。

第一階段為混凝土澆筑階段——側(cè)壓力、溫度線性增大。混凝土澆筑共進行4 h 9 min，此階段測試5 h，即0.5～5.5 h。分析混凝土側(cè)壓力隨測試時間變化曲線可得：此過程中鋼木組合模板側(cè)壓力呈線性增加，主要因為新澆筑混凝土對模板產(chǎn)生的沖擊力使模板產(chǎn)生力的作用，隨著澆筑高度的增加，側(cè)壓力值呈線性增大，增速在1.2～7.2 kPa/h之間；分析鋼木模板表面溫度隨測試時間變化曲線可得：鋼木模板表面溫度在此過程中呈線性增大，增速在1～8℃/h之間，此階段側(cè)壓力最大值出現(xiàn)在長邊模板1/2處第二層（距離模板底面高度1.5 m處），最大壓力值可達0.043 MPa，此時對應(yīng)的模板表面溫度變化量為12.1℃；根據(jù)侯新宇[4]提到的鋼模板在此過程中混凝土側(cè)壓力最大值可達0.009 MPa，溫度變化量為14.8℃，可以看出在此階段鋼木組合模板側(cè)壓力值、表面溫度均小于鋼模板對應(yīng)值。

第二階段為混凝土沉實階段——側(cè)壓力不變、溫度緩慢增加?；炷脸翆嶋A段在澆筑完成后約進行2 h，測試時間約2.5 h，即5.5～8 h。從側(cè)壓力和溫度變化圖可得：此階段混凝土側(cè)壓力值變化不大，基本不變；鋼木模板表面溫度呈緩慢上升階段，最大溫度出現(xiàn)在短邊模板1/4處，可達62.8℃，相比澆筑完成后（51.5℃）變化量為11.3℃。

第三階段為混凝土水化（凝固）階段——混凝土側(cè)壓力、溫度急劇上升階段。混凝土沉實結(jié)束，混凝土慢慢凝結(jié)，從澆筑時的“液態(tài)”經(jīng)過初凝、終凝變成“固態(tài)”，共8～14 h。在此過程中混凝土水化反應(yīng)會釋放出大量的熱量，產(chǎn)生溫度應(yīng)力作用在面板上。從側(cè)壓力、溫度隨測試時間變化曲線可以看出，混凝土作用在鋼木模板上的壓力值隨著模板表面溫度急劇上升，側(cè)壓力值也快速增大，增速為1.5～8.2 kPa/h，相比澆筑階段側(cè)壓力增速明顯提升。此階段溫度增速也增大到2～10℃/h，相比前階段也有所提升。最大壓力值為0.007 6 MPa，相比沉實階段增大0.03 MPa，出現(xiàn)在有效壓頭附近[7-8]。

從圖2、圖3中可以看出，混凝土凝固完成后，混凝土側(cè)壓力值和鋼木模板表面溫度開始出現(xiàn)緩慢下降，這主要是因為混凝土水化放完熱量，溫度開始隨著外部環(huán)境溫度緩慢下降。從而可以得出，溫度是影響側(cè)壓力變化的重要因素。第107頁圖4為長邊模板1/2處第二層（距離模板下端1.5 m處）溫度增加引起壓力變化的規(guī)律擬合曲線圖。

圖4 溫度增加引起壓力變化的規(guī)律擬合

壓力變化最大值出現(xiàn)在長邊模板1/2第二層（距離模板下端1.5 m處），得到溫度（T）-壓力（Pt）變化曲線擬合公式Pt=0.002 8 T-0.075。分析擬合曲線可得：整個施工過程中鋼木模板側(cè)壓力一直隨溫度上升，尤其在水化階段，溫度更是影響側(cè)壓力變化的主要因素。鋼木模板內(nèi)外溫差過大，導(dǎo)致壓力盒溫度驟然升高，壓力也突然增大，造成鋼木模板變形變大，導(dǎo)致施工安全性不穩(wěn)定性增高。

4 結(jié)論

本文通過對薄壁空心墩混凝土澆筑過程中鋼木組合模板所受側(cè)壓力、表面溫度的測試結(jié)果分析，得出以下3點結(jié)論。

1）薄壁空心墩鋼木組合模板最大壓力值出現(xiàn)在長邊1/2距離模板下端1.5 m處，最大壓力值為0.076 MPa，是鋼木組合模板其余位置的112%～134%。說明鋼木組合模板在薄壁空心墩的施工過程中有效壓頭附近受力最大，且受力、變形均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。

2）鋼木組合模板表面溫度變化影響側(cè)壓力變化，整個過程中模板表面溫度呈線性增加，得到溫度（T）-壓力（Pt）變化曲線擬合公式Pt=0.002 8 T-0.075。

3）為了避免混凝土結(jié)構(gòu)整體性，建議不要選擇室外溫度較高時或者太陽直射薄壁空心墩柱模板時施工，避免模板內(nèi)部產(chǎn)生巨大溫差效應(yīng)，影響施工安全。