剪力墻結(jié)構(gòu)中新型復(fù)合保溫模板一體化施工體系力學(xué)性能研究*

于敬海,胡彥明,吳曉萌,楊洪勝

(1.天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司,天津 300073; 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072;3.天津速珀瑞節(jié)能建材科技有限公司,天津 301906)

0 引言

國(guó)家自1986年實(shí)行建筑節(jié)能以來(lái),外墻外保溫系統(tǒng)逐漸應(yīng)用廣泛。但近年來(lái),傳統(tǒng)外墻外保溫技術(shù)(薄抹灰體系)施工及后期使用中火災(zāi)、起鼓、開(kāi)裂、漏水、脫落傷人等事件時(shí)有發(fā)生[1-3],外墻復(fù)合保溫板與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)逐步得到應(yīng)用。

但通過(guò)實(shí)地調(diào)研,外保溫模板一體化技術(shù)也存在一些問(wèn)題,如:拆除模板支承后,上下復(fù)合板對(duì)位處錯(cuò)位較為嚴(yán)重,造成后期找平層厚度偏大,存在脫落風(fēng)險(xiǎn)。究其原因主要是對(duì)復(fù)合保溫模板一體化施工技術(shù)缺乏系統(tǒng)深入的監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)及力學(xué)性能研究。

有關(guān)學(xué)者對(duì)現(xiàn)澆混凝土模板側(cè)壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。2013年,沈陽(yáng)建筑大學(xué)孫喜峰進(jìn)行了國(guó)內(nèi)外規(guī)范計(jì)算對(duì)比以及現(xiàn)場(chǎng)模板側(cè)壓力試驗(yàn)。通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線(xiàn)得出混凝土初凝時(shí)間約為1h,在初凝時(shí)間段內(nèi),模板側(cè)壓力迅速增加,隨后不斷減小,之后出現(xiàn)小幅度增加現(xiàn)象[4]。2015年,北京工業(yè)大學(xué)李增銀進(jìn)行了混凝土模板側(cè)壓力試驗(yàn)研究。在澆筑初期階段,隨著澆筑的進(jìn)行,模板側(cè)壓力逐漸增加,當(dāng)混凝土澆筑到一定高度時(shí)模板側(cè)壓力達(dá)到最大值,繼續(xù)澆筑模板側(cè)壓力開(kāi)始下降[5-6]。2019年,中鐵十八局集團(tuán)有限公司李文廣設(shè)計(jì)了16個(gè)混凝土鋼模板側(cè)壓力試驗(yàn)試件,測(cè)試模板側(cè)壓力。試驗(yàn)結(jié)果表明:模板側(cè)壓力規(guī)范設(shè)計(jì)值與實(shí)測(cè)值均有較大區(qū)別[7]。

以上研究均針對(duì)常用模板系統(tǒng)開(kāi)展的混凝土澆筑時(shí)側(cè)壓力監(jiān)測(cè),針對(duì)采用復(fù)合模板一體化施工技術(shù)的模板承受側(cè)壓力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及研究尚未開(kāi)展。本文結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng),設(shè)計(jì)了混凝土澆筑時(shí)復(fù)合保溫模板承受側(cè)壓力及模板體系變形現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng),開(kāi)展了混凝土澆筑時(shí)模板側(cè)壓力及模板體系變形規(guī)律研究分析,以驗(yàn)證JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[8]中理論計(jì)算值的準(zhǔn)確性,為合理設(shè)計(jì)復(fù)合保溫模板體系提供依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》計(jì)算結(jié)果及參考文獻(xiàn)綜合分析,選定量程200kPa微型土壓力傳感器、pt100溫度計(jì)、量程為50mm位移計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。壓力傳感器、溫度傳感器及位移計(jì)安裝于既定位置后連接到WKD3814多功能靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。壓力傳感器及位移計(jì)布置分別如圖1,2所示(均為模板內(nèi)側(cè)視角)。

圖2 位移計(jì)布置

1.2 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)儀器安裝

測(cè)試地點(diǎn)為某高層住宅第8層剪力墻澆筑項(xiàng)目,層高2.95m,測(cè)試樓共15層。該項(xiàng)目采用SPR100mm厚石墨聚苯復(fù)合保溫板作為澆筑外模板,采用復(fù)合保溫模板一體化施工技術(shù)。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)壓力傳感器及位移計(jì)安裝分別如圖3,4所示。

圖3 模板內(nèi)側(cè)壓力傳感器安裝

圖4 位移計(jì)安裝完成效果(模板外側(cè))

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

2.1 模板側(cè)壓力沿高度變化分析

按照《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[8]、GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》[9]計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試模板側(cè)壓力,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行參數(shù)確定,并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,如表1所示。

表1 側(cè)壓力計(jì)算值及最大實(shí)測(cè)值

圖5是澆筑前1.5h各測(cè)點(diǎn)壓力變化情況。由圖1可知,Y1和Y8,Y2和Y9(Y9讀數(shù)錯(cuò)誤),Y3和Y10,Y5和Y12,Y6和Y13(Y6讀數(shù)錯(cuò)誤),Y7和Y14壓力傳感器處于同一高度,Y4比Y11高20mm(Y4預(yù)設(shè)位置與鋼筋籠沖突,上移20mm)。由圖5可知,隨著混凝土澆筑,壓力迅速增大,澆筑完成后(約3min時(shí)刻)達(dá)到第1個(gè)峰值點(diǎn)?？梢钥闯?各位置測(cè)點(diǎn)壓力變化趨勢(shì)大體相同,同一高度處壓力值峰值點(diǎn)數(shù)值接近。

圖5 澆筑前1.5h各測(cè)點(diǎn)壓力變化

表1中《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》計(jì)算值計(jì)算中將澆筑速度假設(shè)為3m/h,《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》計(jì)算值按公式F=γcH計(jì)算?？梢钥闯鲎畲髮?shí)測(cè)值往往出現(xiàn)在振搗過(guò)程中,比澆筑完成時(shí)出現(xiàn)的側(cè)壓力第1個(gè)峰值點(diǎn)要大,但增幅無(wú)明顯規(guī)律。

各壓力傳感器高度和壓力第1個(gè)峰值點(diǎn)間關(guān)系如圖6所示。可以看出,同一高度處的2個(gè)壓力盒澆筑完成時(shí)壓力接近,從樓面起0～1.0m高度處模板側(cè)壓力幾乎不隨高度變化,穩(wěn)定在30kPa左右;1.0～2.95m高度間側(cè)壓力隨位置升高而不斷減小,大體呈一次函數(shù)關(guān)系?？傮w上,壓力值隨高度變化呈梯形分布,與規(guī)范計(jì)算公式相符。

圖6 澆筑結(jié)束后側(cè)壓力值與傳感器高度關(guān)系

2.2 模板側(cè)壓力與溫度變化關(guān)系

各測(cè)點(diǎn)澆筑后32h側(cè)壓力監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)如圖7所示。由圖7可知,側(cè)壓力總體上呈迅速上升-迅速下降-迅速上升-迅速下降-緩慢上升-緩慢下降-穩(wěn)定的趨勢(shì),澆筑后17.5h后,模板側(cè)壓力值穩(wěn)定,變化較小?；炷翂w溫度整體呈先上升后下降趨勢(shì),如圖8所示。

圖7 混凝土澆筑后32h各測(cè)點(diǎn)側(cè)壓力監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

圖8 混凝土澆筑后32h溫度監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)

要分析模板側(cè)壓力變化原因,首先要了解其凝結(jié)硬化機(jī)理。根據(jù)凝結(jié)硬化過(guò)程特點(diǎn)可將其分成4個(gè)階段[10-11]:初始反應(yīng)期、潛伏期、凝結(jié)期、硬化期。①初始反應(yīng)期 水泥顆粒與水接觸在極短時(shí)間內(nèi)放出大量熱;②潛伏期(誘導(dǎo)期) 放熱量小,在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)(0.5～2h),水泥漿可塑性幾乎無(wú)變化,水泥水化速度變慢;③凝結(jié)期 持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),一般在6h;④硬化期 水泥漿體強(qiáng)度不斷發(fā)展,水泥硬化期較長(zhǎng)。

結(jié)合混凝土凝結(jié)硬化機(jī)理可知,測(cè)試混凝土墻在初凝時(shí)間4.52h,進(jìn)入第3階段——凝結(jié)期,放熱速率增大,溫度迅速升高。根據(jù)參考文獻(xiàn)結(jié)合溫度變化曲線(xiàn)推測(cè),該階段持續(xù)至11h左右。隨后進(jìn)入第4階段——硬化期,在此階段初期,混凝土溫度仍繼續(xù)升高,但升溫速度有所下降,溫度達(dá)到峰值后開(kāi)始下降。由測(cè)點(diǎn)側(cè)壓力變化曲線(xiàn)可知,模板側(cè)壓力在澆筑過(guò)程中隨澆筑高度迅速增長(zhǎng),并很快達(dá)到第1個(gè)峰值點(diǎn);隨后側(cè)壓力逐漸減小,在振搗(0.58～0.65h)結(jié)束后達(dá)到第2個(gè)峰值點(diǎn),然后側(cè)壓力值開(kāi)始下降。

結(jié)合混凝土凝結(jié)硬化規(guī)律,不考慮振搗過(guò)程中側(cè)壓力變化可以看出,側(cè)壓力先隨著澆筑高度迅速增加,而后逐漸減小;減小至某一值后由于混凝土凝結(jié)硬化進(jìn)入第3階段,放熱量增加,混凝土體積膨脹,模板側(cè)壓力逐漸增加,到達(dá)某一值后開(kāi)始減小。

2.3 模板側(cè)壓力變化規(guī)律分析

測(cè)點(diǎn)Y1,Y2,Y5壓力變化曲線(xiàn)如圖9,10所示,開(kāi)始澆筑后側(cè)壓力迅速增加,在0.05h出現(xiàn)第1個(gè)壓力峰值點(diǎn),壓力值為29.63kPa。之后模板側(cè)壓力迅速減小后緩慢上升,在振搗時(shí)刻達(dá)到側(cè)壓力最大值,為48kPa。振搗結(jié)束后側(cè)壓力迅速下降至10kPa左右,由于混凝土凝結(jié)硬化仍在進(jìn)行中,混凝土體積受熱膨脹,側(cè)壓力再次增大。凝結(jié)硬化結(jié)束后,混凝土溫度開(kāi)始降低,體積收縮,壓力值逐漸穩(wěn)定。

圖9 監(jiān)測(cè)前1.5h測(cè)點(diǎn)Y1,Y2,Y5壓力變化曲線(xiàn)

圖10 監(jiān)測(cè)前46h Y1,Y2,Y5測(cè)點(diǎn)壓力變化

1)從側(cè)壓力變化趨勢(shì)可以看出,模板承受側(cè)壓力主要在澆筑混凝土至混凝土終凝時(shí)間段內(nèi),待混凝土凝結(jié)硬化結(jié)束,其體積會(huì)有所減小,若外模板彈性模量大,后期可隨混凝土體積收縮,變形減小,有利于控制墻面平整度。

2)壓力測(cè)點(diǎn)Y2壓力變化曲線(xiàn)整體變化趨勢(shì)和測(cè)點(diǎn)Y1一致,均隨混凝土澆筑壓力迅速增大,然后逐漸降低至6kPa左右,之后由于混凝土凝結(jié)硬化,混凝土受熱體積膨脹,側(cè)壓力逐漸升高。凝結(jié)硬化速率減小后,模板側(cè)壓力也逐漸減小。然后因混凝土收縮,對(duì)壓力盒作用變?yōu)槔?出現(xiàn)負(fù)值。但由于壓力盒構(gòu)造的特殊性,僅能準(zhǔn)確測(cè)量壓力值,不能測(cè)量拉力值,因此負(fù)值無(wú)分析意義。其中,由于振搗混凝土,模板側(cè)壓力迅速增加,此時(shí)出現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中模板側(cè)壓力最大值,為35.12kPa。

側(cè)壓力最大值略大于澆筑完成時(shí)側(cè)壓力曲線(xiàn)出現(xiàn)的第1個(gè)峰值點(diǎn),由此可知,側(cè)壓力最大值很可能出現(xiàn)在振搗過(guò)程中,而且振搗過(guò)程中出現(xiàn)的側(cè)壓力最大值相比側(cè)壓力曲線(xiàn)出現(xiàn)的第1峰值點(diǎn)增長(zhǎng)幅度變化較大,在設(shè)計(jì)時(shí)要參考規(guī)范公式并乘以一定放大系數(shù)進(jìn)行考慮。

3)壓力測(cè)點(diǎn)Y5側(cè)壓力變化趨勢(shì)與Y1,Y2測(cè)點(diǎn)略有不同。主要區(qū)別為:①混凝土澆筑完成后,Y5測(cè)點(diǎn)側(cè)壓力呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),而Y1,Y2呈下降趨勢(shì);②側(cè)壓力曲線(xiàn)的第1個(gè)峰值點(diǎn)和壓力最大值與Y1,Y2相比都有明顯降低。

總之,現(xiàn)澆混凝土模板側(cè)壓力變化可分為3個(gè)階段:①第1階段 隨澆筑高度迅速增大,之后逐漸減小;②第2階段 振搗過(guò)程中側(cè)壓力迅速升高,大部分測(cè)點(diǎn)在此階段達(dá)到模板側(cè)壓力最大值,之后側(cè)壓力迅速減小;③第3階段 由于混凝土凝結(jié)硬化放熱,體積膨脹側(cè)壓力緩慢增大,隨后逐漸減小直至穩(wěn)定。側(cè)壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖11所示。

圖11 模板側(cè)壓力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

2.4 復(fù)合保溫外模板系統(tǒng)變形規(guī)律分析

外模板外側(cè)位移計(jì)實(shí)際安裝位置如圖2所示。紅色實(shí)線(xiàn)表示板縫位置,左側(cè)一列從低到高依次是L1～L5號(hào)測(cè)點(diǎn),右側(cè)一列從低到高依次是L8～L10測(cè)點(diǎn)。內(nèi)模板通過(guò)滿(mǎn)堂腳手架固定,外模板通過(guò)在主楞處安裝對(duì)拉螺栓固定。

圖12是外模板位移曲線(xiàn),圖13是次楞位移曲線(xiàn),圖14為同一組位移計(jì)模板位移與次楞位移差值,即模板變形值。位移沿高度方向整體呈先增大后減小趨勢(shì),在澆筑完成約2.5h后幾乎不再變化。其中L3處次楞位移最大,為2.81mm,B2處模板位移最大為7.11mm,B1處模板位移最大為4.43mm。由圖11,12可知,模板位移和次楞位移在2.5h后趨于穩(wěn)定,同一豎列位移值基本隨著高度增高而減小,越靠下位移越大。

圖12 外模板位移曲線(xiàn)

圖13 次楞位移曲線(xiàn)

圖14 外模板變形曲線(xiàn)

由圖14可知,外模板變形值也從2.5h后趨于穩(wěn)定,且同一列數(shù)據(jù)值滿(mǎn)足隨高度升高模板變形值減小的規(guī)律。測(cè)點(diǎn)B8,B9,B10在板中間,相當(dāng)于單向受力的簡(jiǎn)支板跨中部位;而測(cè)點(diǎn)B1,B2,B3位置板一側(cè)無(wú)次楞支承,受力情況相當(dāng)于懸挑結(jié)構(gòu)跨中位置,由于缺少次楞固定,發(fā)生較大位移,不滿(mǎn)足墻面平整度要求。因此,應(yīng)注意設(shè)置次楞固定復(fù)合保溫模板邊緣。

在監(jiān)測(cè)41h時(shí),人為松動(dòng)固定主、次楞的對(duì)拉螺栓,并繼續(xù)監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)位移變化?？梢钥闯?次楞位移均迅速增加,為0.52～1.79mm,而外模板位移無(wú)明顯變化。說(shuō)明此時(shí),混凝土對(duì)外保溫模板已經(jīng)無(wú)側(cè)壓力,而次楞位移增大是由于次楞擠壓外模板產(chǎn)生的變形在解除對(duì)拉螺栓約束后由于良好的彈性發(fā)生回彈變形。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)混凝土澆筑時(shí)復(fù)合保溫模板承受的側(cè)壓力及模板支撐系統(tǒng)變形,對(duì)比現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算結(jié)果,分析得出以下側(cè)壓力及位移變化規(guī)律。

1)現(xiàn)澆混凝土對(duì)復(fù)合保溫模板產(chǎn)生的側(cè)壓力可分為3個(gè)階段:①第1階段 隨澆筑高度迅速增大,之后逐漸減小;②第2階段 振搗過(guò)程中側(cè)壓力迅速升高,大部分測(cè)點(diǎn)在此階段達(dá)到模板側(cè)壓力最大值,之后側(cè)壓力迅速減小;③第3階段 由于混凝土凝結(jié)硬化放熱體積膨脹,側(cè)壓力緩慢增大,隨后逐漸減小直至穩(wěn)定。

2)由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試模板側(cè)壓力曲線(xiàn)可以看出,大部分測(cè)點(diǎn)側(cè)壓力最大值出現(xiàn)在振搗過(guò)程,最大值較第一峰值點(diǎn)的增大幅度無(wú)明顯規(guī)律,因此在設(shè)計(jì)模板及支撐系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分考慮振搗時(shí)間和振搗方式,重視振搗過(guò)程對(duì)模板側(cè)壓力的影響。

3)從位移圖中可以看出,模板位移和次楞位移在2.5h后趨于穩(wěn)定,同一側(cè)列的位移值基本隨著高度增高而減小,越靠下位移越大。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)下部模板的保護(hù)及對(duì)下部主次楞進(jìn)行適當(dāng)加密設(shè)計(jì)。

4)測(cè)點(diǎn)B8,B9,B10在板中間,相當(dāng)于單向受力的簡(jiǎn)支板跨中部位;而測(cè)點(diǎn)B1,B2,B3位置板一側(cè)無(wú)次楞支承,受力情況相當(dāng)于懸挑結(jié)構(gòu)跨中位置,由于缺少次楞固定,發(fā)生較大位移,不滿(mǎn)足墻面平整度要求。因此,應(yīng)注意設(shè)置次楞固定復(fù)合保溫模板邊緣。