市政地下環(huán)路低矮結構XPS支撐板施工技術研究

摘 要：本文提出采用XPS材料作為支撐，抗受混凝土結構澆筑等上部荷載的技術方法，根據試驗數(shù)據對比荷載-變形曲線，以探索XPS板材各因素對支撐受力的影響。結果表明：在7組試件中，隨著XPS板材厚度增加，對整體界面黏結性能、穩(wěn)定性能均有提高，60°的連接角度對工程施工最為有利。在評估XPS支撐體系的受載耗能過程中，發(fā)現(xiàn)選用厚度較大的XPS板有助于保證體系整體的穩(wěn)定性，本文研究結論可以對地下環(huán)路中低矮夾層建筑的支撐施工提供應用基礎。

關鍵詞：XPS板材；支撐體系；市政地下環(huán)路；低矮混凝土結構

中圖分類號：TU 761 " 文獻標志碼：A

隨著我國城市的發(fā)展，立體式交通組織模式的市政地下道路工程的建設項目越來越多。在市政交通工程基礎設施快速發(fā)展的同時，功能多元化、復雜化的結構也給施工帶來了新挑戰(zhàn)，在重要的施工過程中存在低矮夾層結構施工的問題，而低矮夾層結構支撐體系作業(yè)效率低、難度高、危險性大[1]。針對此問題，結合現(xiàn)有施工經驗和施工技術，采用技術攻關，積極探索新的材料及其應用方法。

1 技術背景分析

XPS板材作為一種建筑節(jié)能的主要材料，多用于建筑外墻保溫及隔熱。與傳統(tǒng)的EPS材料、PU材料等相比，通過擠塑式聚苯烯將XPS合成一種板材，其工程價值更全面[2]，內部極其穩(wěn)定的分子結構和較扁平的尺寸優(yōu)勢可以在相對低矮的結構空間中發(fā)揮特定價值，與傳統(tǒng)的支撐架體的設計思路相比，使用XPS板材能夠克服支撐無法在有限的低矮空間中架設的困難，例如在建筑夾層結構中施工[3]。XPS板輕便，拆剪方便。因此，運用工況較多，需要對支撐體系進行研究。

2 XPS板界面黏結性能研究

2.1 XPS板設計與制作

為研究XPS板作為支撐材料的整體界面的黏結性，須對其進行定制化生產，按照圖1的方式生產XPS板材樣品，并進行試驗，其詳細的性能參數(shù)見表3。同時考慮試驗方便和計算便捷，用作支撐的XPS板高（厚度）為0.4～0.8m，在一個平面上累接3塊板材，每層之間用膠結材料連接，其材料力學性能[4]見表1和表2。

為了反映整體的黏結性能，考慮制作7種工況來說明XPS板的界面黏結度。由于支撐體系上需要綁扎鋼筋，因此設置傳遞受力路徑的X和Y兩個不同方向，設定基礎墊層的不同厚度、連接角度以及不同厚度XPS板，考慮設置兩組對照組，即設置XPS板材之間的膠結材料連接和不設置XPS板材之間的膠結材料連接兩組。最終得到7組試驗組，具體數(shù)據見表4。

2.2 試驗加載方法

考察其黏結性能，須采用單向擠壓逐漸加壓的方式進行剪切試驗[5]。為防止單向擠壓力過大造成應力集中破壞XPS板材的情況，當試驗時需要在XPS試驗組試塊上放置鋼片墊塊，以消散壓力，使試塊均勻受壓，墊塊尺寸為150mm×50mm×20mm。壓力機設有力傳感器，記錄施加壓力具體值，試驗儀器選用GH-20龍門壓力機，加載過程使用位移進行控制，將速度控制為0.2mm/min，為便于讀數(shù)，在三層XPS板交界的兩處分別放置兩個位移計，量程均為100mm，再將位移計讀數(shù)與dh3816程控動態(tài)數(shù)據采集儀連接，方便準確采集試驗數(shù)據，將數(shù)據采集頻率設置為0.25Hz。

2.3 試驗結果分析

對承載能力以及破壞模式進行分析，可用臨界面抗剪強度公式[6]計算抗剪強度。計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：τm為臨界面的抗剪強度，MPa；P為試驗的極限擠壓力，kN；A為黏結界面的面積，mm2。利用公式（1）對7組試驗進行單向擠壓剪切試驗，整理采集數(shù)據見表5。

表中數(shù)據為7組試驗組試驗實時結果輸出，通過數(shù)據顯示以及具體破壞形式可以分別對其進行分析。在考慮400mm、500mm、600mm、700mm和800mm的5種XPS板厚情況下，試驗結果顯示，隨著板厚增加，其抗剪強度也增加。在有無設置膠結材料情況下，相對滑移差異極大，表明膠結材料在豎向承載過程中，具有足夠的抗剪切強度抵抗XPS板材支撐體系，其界面黏結度較高。此外，考察了X向和Y向兩個不同方向的力學變化特性，隨著加載的變化，板厚的變化不會受到加載干擾。

2.4 荷載-變形分析

分別對上述試驗組進行不同要素變化情況下的荷載-變形曲線作分析。圖2為墊層厚度為50mm、60mm的兩種不同情況下的XPS板材的荷載-變形曲線。將數(shù)據進行對比發(fā)現(xiàn)：基礎墊層厚度與峰值荷載之間存在正相關關系。兩條曲線基本變化趨勢均為先上升后下降的變化狀態(tài)，但峰值荷載差異較大，在實際施工過程中應當考慮將墊層適當加厚，有利于最大化XPS板材支撐受力時的受載變形。

圖3為5種厚度的XPS板材荷載-變形曲線。對400mm、500mm、600mm、700mm和800mm這5種厚度進行分析，由圖3可知，隨著厚度增加，整體荷載-變形曲線趨勢在前段更為陡峭，而后逐漸拉平。荷載最大在12kN，變形存在一定的平臺效應，即承載不變，變形繼續(xù)增加，連續(xù)變形均為3mm左右。在實際施工中，該變形絕對安全可靠，可忽略不計。同時說明將XPS板材用作支撐材料具有優(yōu)勢，與傳統(tǒng)鋼管、盤扣等支撐體系不同，其黏結滑移性能穩(wěn)健。是工程上作為支撐材料的一項安全可靠的工具。

圖4對比了是否設置膠結材料對XPS板材試件受力后的變形響應。在不設置膠結材料工況下，整體能夠抗受的荷載值非常小，僅能承受5kN內的荷載。當膠結角度為30°時，其荷載-變形曲線整體較短，相對位移在5mm左右，而峰值荷載在9kN左右。相關關系大體符合先線性上升，而后線性下降的趨勢。當交接角度在60°時，其荷載-變形范圍相對更大，整體曲線也呈現(xiàn)非線性變化，峰值荷載在14kN左右，并且存在一個變形臺階。在膠結角度最為嚴苛，在粘接效果最顯著的90°的情況下，荷載與變形反復變化，出現(xiàn)多次波峰與多次波谷的情形，因此，應當優(yōu)先考慮60°的膠結角度是工程支撐受載的材料理想變形角度。

3 XPS板穩(wěn)定性能研究

將XPS板材用作支撐材料，需要對其耗能性進行分析，以確定在受荷后能量轉換的情況，從而確定材料自身的穩(wěn)定性能。借助前述試驗工況，在材料受力達到峰值后，可以通過韌性反映耗能的度量指標，基于Kanda等人[7]提出的耗能理論，引入韌性指數(shù)來刻畫XPS板材在支撐受力過程中的耗能表現(xiàn)。如公式（2）所示。

（2）

式中：Tl為韌性指數(shù)；Epost為XPS板材在峰值荷載時對應的能量值，kN·mm，該能量度量即為上述荷載-位移曲線中對應變形所在的包絡面積，表征為荷載在某段位移區(qū)間上的定積分。δpeak為極限荷載所對應的相對滑移量，試驗中取前后兩端位移的平均值，mm；Ppeak為極限荷載值，kN。利用韌性指數(shù)公式，計算7組試驗組的耗能值，數(shù)據見表6。

由表6可知，XPS板材中耗能韌性指數(shù)最高為第七組試塊XPS（800），該組XPS板厚為800mm，采用該尺寸的XPS板材其耗能指數(shù)是XPS（400）的4倍。這表明在實際工程支撐中，隨著上部荷載的逐漸增加，XPS板的穩(wěn)定性能會發(fā)生改變，板材相對較厚的韌性指數(shù)高，即受力后表現(xiàn)出的穩(wěn)定性更好。同時，在板材厚度相同的情況下，X向與Y向的耗能韌性指數(shù)也不相同，對低矮空間受力來說，需要優(yōu)先考慮在韌性指數(shù)較大的方向上進行現(xiàn)澆混凝土施工，這樣能夠利用其足夠的韌性達到抗失穩(wěn)、支撐效果。但不同連接角度的耗能情況區(qū)域一致，沒有顯著差異，說明膠結材料的連接角度對XPS板材受荷后的耗能并無影響。

4 施工案例技術應用

在西安西咸新區(qū)空港新城T5站前商務區(qū)市政基礎設施項目地下環(huán)路工程中，存在部分夾層結構的低矮空間結構，在工程施工中，通過利用XPS材料的輕質高強特性，代替鋼管、盤扣支架作為臨時支撐澆筑混凝土結構，進行工程實踐。

本文采用的XPS板材尺寸為標準單元尺寸為1200mm×

600mm×100mm，腋角異形塊3種，分別為900mm×600mm×

100mm，600mm×600mm×100mm，300mm×600mm×100mm。砂墊層粗砂20m3。使用效果顯著，為地下環(huán)路施工降低了成本，提高了管理效率，縮短了建設工期。最終完工后沒有出現(xiàn)支撐穩(wěn)定性問題，同時沒有出現(xiàn)結構變形或其他安全隱患，經測算，使用XPS板材共節(jié)省成本約3.7萬元。整個地下環(huán)路工程共節(jié)省成本約60萬元。

5 結論

XPS材料是重要的工程建筑材料，在地下環(huán)路施工中可用于支撐低矮空間結構，其界面黏結性能、整體穩(wěn)定性能優(yōu)越，與傳統(tǒng)鋼管、盤扣支架相比，效果更輕便、安全、環(huán)保和耐久，本文通過7組試驗論證了其實際力學性能，并對比得到有利于地下環(huán)路工程低矮空間的支撐施工技術要點，在實際施工實踐中，應特別考慮其材料特性并加以應用，從而為工程節(jié)約成本和提高施工效率。

參考文獻

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