框架橋結(jié)構(gòu)施工中采用不同模版對(duì)減少裂縫的效果及機(jī)理分析

摘 要：該文通過(guò)不同工況下對(duì)鋼模板和木模板進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果分析，在不同的時(shí)間段內(nèi)采用鋼模板澆筑時(shí)，整體溫度變化較小，較快使混凝土溫度降低，而木模板具有一定保溫作用，降溫時(shí)間長(zhǎng)，周期大；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，B箱涵裂縫寬度為0.2～0.3 mm，C箱涵裂縫寬度為0.3～0.4 mm，從裂縫總體來(lái)看，C箱涵采用木模版裂縫寬度比B箱涵采用鋼模板裂縫寬度略寬；通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，框架橋結(jié)構(gòu)施工中采用鋼模版較木模板對(duì)抑制裂縫效果更好。

關(guān)鍵詞：框架橋；裂縫；數(shù)值模擬；鋼模版；木模版

中圖分類(lèi)號(hào)：TU755.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）27-0074-04

Abstract： In this paper， steel formwork and wood formwork are numerically simulated under different working conditions. The results show that when steel formwork is used in different periods of time， the overall temperature change is small， and the concrete temperature decreases rapidly， while wood formwork has a certain heat preservation effect， long cooling time and long period. Through the analysis of the field test data， the crack width of B box culvert is 0.2～0.3 mm and the crack width of C box culvert is 0.3～0.4 mm. Generally speaking， the crack width of wooden template in C box culvert is slightly wider than that of steel formwork in B box culvert. Through the comparison of numerical simulation and field test data， steel formwork is more effective in restraining cracks than wooden formwork in frame bridge construction.

Keywords： frame bridge; crack; numerical simulation; steel formwork; plank sheathing

在土木工程項(xiàng)目施工過(guò)程中需要采用模版，選用哪種模版對(duì)混凝土的熱量消散起到?jīng)Q定作用，混凝土中裂縫產(chǎn)生的主要原因是混凝土在受到內(nèi)外因素破壞情況下發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，混凝土中一旦有裂縫的產(chǎn)生就直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)主要性能降低，包括承載力、防水性等[1-3]。劉艷君等[4]在不同模版類(lèi)型對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響及機(jī)理分析中指出，鋁膜板及木模版在施工過(guò)程中，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)，鋁膜板可以降低混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)過(guò)程中的碳化程度、進(jìn)而提高混凝土的強(qiáng)度，保證現(xiàn)場(chǎng)混凝土施工質(zhì)量。張瑋[5]從材料、設(shè)計(jì)、施工3個(gè)方面分析了框架橋受力和出現(xiàn)裂縫的原因，但最終沒(méi)有提出相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)方案。

國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土裂縫成因研究較多，同時(shí)根據(jù)不同的工程特性對(duì)控制混凝土裂縫提出相應(yīng)治理措施，但對(duì)框架箱涵研究很少[6]；鹿子鳴[7]提出了大體積混凝土凝結(jié)時(shí)間的判別標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)Ansys數(shù)值模擬大體積混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，并未對(duì)框架橋裂縫的產(chǎn)生緣由及抑制裂縫效果提出相關(guān)見(jiàn)解。孫龍[8]從施工工藝出發(fā)，通過(guò)支架施工工藝從現(xiàn)澆梁出發(fā)，分析并總結(jié)相關(guān)注意事項(xiàng)及安全措施，并從材料進(jìn)場(chǎng)、基礎(chǔ)驗(yàn)收和支座驗(yàn)收等方面提出相關(guān)要求。喬瑜[9]從不同計(jì)算方法下框架橋配筋角度出發(fā)，分析2種不同設(shè)計(jì)規(guī)范在材料和荷載取值上的差異，并對(duì)框架橋頂，底板配筋設(shè)計(jì)，比較不同理論值框架橋配筋差異化，從而給出相應(yīng)理論參考。由于混凝土裂縫成因復(fù)雜，針對(duì)框架箱涵的的相關(guān)研究還比較欠缺，尤其從框架箱涵施工工藝對(duì)溫度及應(yīng)力研究分析較少，給施工控制方案的制定帶來(lái)不便。本文根據(jù)蘭州地區(qū)某工程項(xiàng)目，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)，從不同施工工藝導(dǎo)致混凝土溫度及應(yīng)力角度出發(fā)，研究最佳抑制裂縫效果，為相關(guān)工程項(xiàng)目提供參考。

1 數(shù)值模擬及有限元分析

1.1 數(shù)值模擬

針對(duì)蘭州市某項(xiàng)目，采用2種不同材料類(lèi)型的模板進(jìn)行數(shù)值模擬分析，給予模板賦予鋼和木的2種材料參數(shù)（表1）根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際建立Ansys模型并對(duì)不同模版輸入相應(yīng)參數(shù)（圖1），對(duì)單元進(jìn)行熱分析時(shí)采用澆筑后，同時(shí)單元具有熱導(dǎo)性能。所有對(duì)單元在分析時(shí)首先分析其熱導(dǎo)性能，其次，在對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)果分析，所以需要采用solid45將整個(gè)單元進(jìn)行代替并用于三維狀態(tài)下。模型的計(jì)算首先由溫度場(chǎng)出發(fā)，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，最終將分類(lèi)計(jì)算轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)計(jì)算，改變相關(guān)單元荷載并將荷載施加到單元中，因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)中配筋也是單元計(jì)算的影響因素，所以需要將配筋考慮到結(jié)構(gòu)計(jì)算單元中去以此來(lái)更加精確反映實(shí)際情況。

表1 不同模版參數(shù)

從表1可以看出，對(duì)比鋼模板和木模板的參數(shù)，鋼模板密度為7 790 kg/m3，木模板密度為500 kg/m3，鋼模板密度為木模板的15倍以上；從比熱容來(lái)看鋼模版比熱容為0.46 kJ/（kg·℃），木模板比熱容為1.72 kJ/（kg·℃），木模板為鋼模板的3.7倍以上；導(dǎo)熱系數(shù)方面鋼模板的導(dǎo)熱系數(shù)為130 kJ/（m·h·℃），木模板導(dǎo)熱系數(shù)為10 kJ/（m.h.℃），鋼模板導(dǎo)熱系數(shù)為木模版導(dǎo)熱系數(shù)的13倍。對(duì)比2種模版不同參數(shù)，鋼模版和木模板有著本質(zhì)的區(qū)別。

1.2 有限元分析不同工況下對(duì)混凝土溫度裂縫影響

通過(guò)不同模版輸入不同參數(shù)，并將結(jié)果進(jìn)行分析（圖2—圖3），根據(jù)澆筑時(shí)間推移，并以24 h澆筑為節(jié)點(diǎn)，鋼模板中底板最高溫度為60 ℃左右，木模板中最高溫度為80 ℃左右；說(shuō)明在模型中加入鋼模板對(duì)溫度控制效果較好，同時(shí)根據(jù)Ansys數(shù)據(jù)反饋結(jié)果，在加入鋼模板后模型內(nèi)部溫度消散更快，可以達(dá)到較好抑制裂縫效果。

如圖4—圖7為澆筑時(shí)間72～96 h溫度變化，在澆筑時(shí)間為96 h后混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到最高值，但分析不同工況下溫度峰值，鋼模板最高溫度峰值為61.3 ℃，木模板中最高溫度峰值為77.8 ℃。鋼模板中混凝土內(nèi)部溫度明顯低于木模板中混凝土內(nèi)部溫度。

通過(guò)對(duì)鋼模板及木模板混凝土進(jìn)行澆筑，2種工況下混凝土內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化有明顯不同（圖8—圖9），當(dāng)澆筑開(kāi)始時(shí)，隨著時(shí)間推移，鋼模板比木模板溫度達(dá)到最高時(shí)所需要的時(shí)間更快，通過(guò)觀(guān)測(cè)可以得到，2種模版在彼此達(dá)到最高溫度時(shí)，鋼膜所需要的時(shí)間為40 h而木模板所需要的時(shí)間為60 h，鋼模版所需時(shí)間較木模板少20 h。在同時(shí)對(duì)比底板溫度，鋼模板底板與木模板底板溫度相差較大，采用鋼模板澆筑時(shí)，當(dāng)時(shí)間為24 h時(shí)底板溫度最高，達(dá)到的溫度極值為24 ℃；而對(duì)比采用木模板澆筑時(shí)，當(dāng)時(shí)間為48 h時(shí)內(nèi)部混凝土溫度達(dá)到最高，達(dá)到的溫度極值為60 ℃。同時(shí)通過(guò)時(shí)間遞增2種工況下混凝土溫度達(dá)到最高值，鋼模板澆筑時(shí)最高溫度為68 ℃，而木模板澆筑時(shí)最高溫度為81 ℃。同時(shí)鋼模板在澆筑過(guò)程中整體降溫較木模板更快，因此通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析得到，采用鋼模板澆筑時(shí)最高溫度較木模板溫度更低。對(duì)比2種工況下，鋼模版散文效果較木模板更快，同時(shí)反饋木模版具有一定的保溫效果。

通過(guò)圖2—圖9中不同工況下采用模版進(jìn)行澆筑，混凝土內(nèi)部不同溫度反饋結(jié)果可知，木模板在混凝土進(jìn)行澆筑時(shí)，具有一定保溫效果，降溫時(shí)間更長(zhǎng)，周期更大；鋼模板在混凝土澆筑時(shí)，混凝土最高溫度較木模板更低，同時(shí)對(duì)比木模板來(lái)說(shuō)達(dá)到內(nèi)部最高溫度所需要的時(shí)間更短，混凝土內(nèi)部溫度消散所需時(shí)間更少，反映在抑制裂縫方面，采用鋼模板進(jìn)行澆筑對(duì)抑制裂縫效果較木模板效果更好。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

結(jié)合有限元模擬分析結(jié)果，通過(guò)在混凝土內(nèi)部一定的測(cè)點(diǎn)埋設(shè)溫度傳感器，測(cè)得試驗(yàn)點(diǎn)位溫度隨時(shí)間變化過(guò)程。在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)選取B箱涵與C箱涵進(jìn)行測(cè)量溫度與應(yīng)力情況，C箱涵采用木模板澆筑，B箱涵采用鋼模板澆筑，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。由于底板混凝土先澆筑，側(cè)墻及頂板混凝土后期一次澆筑成型，故在底板澆筑時(shí)提前先測(cè)量底板溫度變化，上部混凝土在其澆筑前開(kāi)始測(cè)量記錄。

3 不同工況下裂縫檢測(cè)分析

通過(guò)混凝土裂縫綜合檢測(cè)儀對(duì)裂縫寬度進(jìn)行逐條測(cè)量，選擇不同箱涵中具有代表性的裂縫進(jìn)行分析，其中C箱涵和B箱涵的裂縫如圖10、圖11所示。

如圖10所示，在C箱涵中選取具有代表性裂縫進(jìn)行分析，C箱涵中最大平均裂縫寬度為0.309 mm。裂縫寬度貫穿整個(gè)箱涵并聯(lián)通側(cè)墻。中間較長(zhǎng)均為0.3～0.4 mm寬度。

如圖11所示，B箱涵中裂縫方向整體上呈豎直，裂縫寬度較小，最寬處為0.3 mm左右，在裂縫延伸至一定距離后，寬度逐漸減小，裂縫消失，但在距離裂縫消失位置左右1 mm處錯(cuò)節(jié)重新出現(xiàn)并開(kāi)始延伸，寬度逐漸變大后又減小至消失。

對(duì)比不同工況下裂縫情況，B箱涵裂縫寬度為0.2～0.3 mm，C箱涵裂縫寬度為0.3～0.4 mm，從裂縫總體來(lái)看，C箱涵裂縫寬度比B箱涵裂縫寬度略寬；在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，采用鋼模板較采用木模板對(duì)抑制裂縫效果更好。

4 結(jié)論

1）通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果分析，在不同的時(shí)間段內(nèi)采用鋼模板澆筑時(shí)，整體溫度變化較小，較快使混凝土溫度降低，而木模板具有一定保溫作用，降溫時(shí)間長(zhǎng)，周期大。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，B箱涵裂縫寬度為0.2～0.3 mm，C箱涵裂縫寬度為0.3～0.4 mm，從裂縫總體來(lái)看，C箱涵裂縫寬度比B箱涵裂縫寬度略寬。

3）通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，框架橋結(jié)構(gòu)施工中采用鋼模版較木模板對(duì)抑制裂縫效果更好。

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