免拆卸水泥复合模板-结构混凝土梁的抗弯性能研究

2011-02-15陈鹏飞

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2011年2期

陈鹏飞

( 中铁十一局集团有限公司，湖北武昌 430071)

0 引言

目前，在各类现浇混凝土工程中，广泛应用木胶合板模板、竹胶合板模板、塑料模板和钢模板等［1-4］。其中木胶合板模板和竹胶合板模板的使用最为普遍，这二种模板具有易于在现场加工等优点，但容易被腐蚀，使用寿命不长，资源消耗大。国内使用塑料模板在强度和刚度方面比竹( 木) 模板还低，另外，塑料模板的热胀冷缩系数大。钢模板虽然使用寿命长，但很难满足复杂混凝土构件对模板的要求，且自重较大，使用时占用大量工程机械，施工周期长，施工成本较高。

本课题在建筑结构范围内，研制一种新型免拆卸的水泥复合模板，通过专用设计的多功能钢构件与YJ 型支撑体系固定，当结构混凝土浇筑时起模板作用，同时与结构混凝土形成牢固的咬合连接，待混凝土硬化后，成为结构混凝土永久的保护层，当结构混凝土达到拆模龄期，仅需拆除多功能钢构件，而不需拆除水泥复合模板，所以使用这种混凝土结构新型免拆卸水泥复合模板，既节省了木材和钢材，又降低了劳动强度，提高了工作效率。该新型免拆卸水泥复合模板已在多项工程实际中得到应用，效果明显。

新型免拆复合模板构造:新型免拆卸模板的主要材料有玻璃网格布、水泥、砂子、增强剂和水，属于水泥基复合材料。图1 为免拆卸水泥复合模板梁侧模及底模的构造图。

新型免拆卸模板的支撑:新型免拆卸模板支撑构件包括横楞模、竖楞模、角钢模、定位板、加强肋、斜撑、拉杆等组成，施工简便，组装牢固，拆除安全，且使用周期长，较原钢模使用周期提高20 倍以上，大大降低工程造价。支模构件采用树脂防锈漆或塑料喷涂技术，按类分颜色，因此组装、拆卸不易混淆，便于堆放、运输、储存。

新型免拆卸模板的物理性能:经江西省建筑工程质量检测中心检验，免拆卸模板的物理性能如下:抗折强度支距355 mm ≥8．0 MPa;吸水率≤12%;抗冻性强度损失≤20%( 抗冻性试验-15 ℃冻融25 次) 。

通过一根免拆卸模板-结构混凝土梁与一根普通混凝土梁的受弯试验结果的对比分析，研究免拆卸模板-结构混凝土梁的受弯力学性能及其与普通混凝土梁的异同。

1 试验

1．1 试验设计

图1 混凝土梁免拆卸水泥复合模板的构造图(单位:mm)

试验设计两根矩形截面梁试件，一根为免拆卸模板混凝土梁，一根为用以对比的普通混凝土梁，各梁的设计参数如下:

(1) 试件尺寸及配筋。2 根试验梁采用相同的截面形式及配筋，具体截面尺寸如图2 所示，受拉钢筋采用HRB335 级钢筋，箍筋采用HPB235 钢筋，直径8 mm; ( 2) 混凝土强度等级，混凝土强度等级均为C30;(3) 保护层厚度，试验梁保护层厚度为30 mm; (4) L-1 为普通混凝土梁，L-2 为免拆卸水泥复合模板-结构混凝土梁。

图2 试验梁截面尺寸及配筋(单位:mm)

1．2 加载及仪表布置

2 根试验梁均采用三分点对称加载方式，中间形成纯弯段。集中力作用点到相邻支座距离为1 300 mm，中间纯弯段长1 300 mm，梁支座段各留出150 mm。试验梁采用液压千斤顶进行加载，千斤顶产生的荷载通过简支分配梁分成对称的两点作用于试验梁上。试验过程中量测跨中不同高度处的混凝土应变、下部受拉钢筋应变、跨中挠度等。竖向油压千斤顶与分配梁之间设置力传感器。跨中及两支座处各设置一个百分表。正式加载前先预压10 kN，使加载系统各部分之间接触良好并检查各仪表是否工作正常。试验严格按照《混凝土结构试验标准》进行［5-7］。具体加载方式如图3 所示。

2 试验结果及分析

2．1 试验过程及承载力分析

试验梁的试验过程可分为以下三个过程［8］:第一阶段为开裂前阶段，此时试件处于弹性阶段，钢筋和混凝土的应力、曲率等都随着荷载成比例增大;第二阶段为带裂缝工作阶段，跨中弯矩超过开裂弯矩后，最薄弱截面首先出现肉眼可见裂缝，裂缝细而短，靠近截面下部，与钢筋的轴线垂直相交，随着弯矩的增大，已有裂缝缓慢的增宽，并往上延伸，隔一定间距相继出现新的裂缝，梁呈现出弹塑性特征;第三阶段为钢筋屈服后的阶段，梁呈现出明显的塑性特征。模板与混凝土连结牢固，未有模板脱落现象。

图3 试验梁加载装置及测点位置(单位:mm)

对比表1 中的试验结果，免拆卸模板混凝土梁的开裂荷载(35 kN) 与破坏荷载(164 kN) 均接近于普通混凝土梁的试验结果。表1 中M 为承载力设计值;Mk为使用弯矩;Pk为使用荷载;Pcr为开裂荷载;Pu为破坏荷载。

表1 试验梁的承载力试验结果

2．2 挠度分析

(1) 荷载-挠度关系曲线。从图4 可以看出，免拆卸模板-结构混凝土梁与普通混凝土梁的荷载-挠度曲线相似，从开始加载至破坏标志，基本经历以下几个阶段:①未裂阶段:从试验加载开始到第一条裂缝出现前，试验梁全截面工作，基本处于弹性受力阶段，表现在荷载-挠度关系曲线上为跨中挠度随荷载增加保持线性增长，斜率较大。②带裂缝工作阶段:跨中受拉区混凝土出现第一条裂缝后，部分受拉混凝土退出工作，拉力基本上由受拉纵筋承担，试验梁刚度突然降低，表现在荷载-挠度关系曲线出现一个明显转折点，转折后的曲线斜率明显减小，此后，荷载-挠度关系曲线基本保持线性增长。③破坏阶段:裂缝宽度及高度增加，截面刚度急剧降低，试验梁达到破坏标志而宣告破坏。

(2) 使用荷载下挠度限值讨论。试验梁使用阶段的弯矩值MK与使用荷载PK如表1 所示。由《混凝土结构设计规范》规定［9-10］:当计算跨度小于7 m 时，受弯构件的最大挠度不应超过其计算跨度的1/200。试验梁的跨度为3．9 m，所以规范允许的最大挠度限值为19．5 mm，考虑短期荷载作用下的挠度折减系数0．6，故挠度限值应为11．7 mm。根据各试验梁的荷载-挠度曲线可知，在使用荷载情况下，L-1、L-2 的挠度分别为6．58 mm，6．51 mm，二者都小于限值11．7 mm。结果表明，在使用荷载下，两根梁均能满足挠度限值的要求。

2．3 钢筋应变

两根试验梁的荷载-跨中钢筋应变如图5 所示。从图5 可以看出，钢筋应力在混凝土开裂之前，增长缓慢。开裂之后，受拉区的混凝土退出工作，截面的拉应力由钢筋全部承担，钢筋应力的增长明显加快，在荷载-跨中钢筋应变图上表现为曲线出现转折，斜率减小。钢筋达到屈服点后，钢筋应力保持屈服强度不变，而应变急速增加，直至受压区混凝土被压碎破坏。由于L-2 的开裂荷载略小于L-1 ，在带裂缝工作阶段，相同的荷载下，L-2 的裂缝更多，受拉区参加工作的混凝土少于L-1，钢筋应变相对大一些。

2．4 裂缝分析

免拆卸模板-结构混凝土梁在荷载作用下，其裂缝发展过程及裂缝形态和普通混凝土梁相同。当弯矩超过开裂弯矩后，首先在纯弯段出现第一条垂直裂缝，随着荷载的不断加大，垂直裂缝的数量不断增多，裂缝分布较为均匀，宽度不断增大，裂缝继续向上发展，在支座与加载点之间出现弯剪斜裂缝。临近破坏时，裂缝宽度迅速发展，有明显的破坏征兆。由表2 知，试验梁的裂缝间距离散性很大，裂缝最大间距/裂缝最小间距达到2．76，裂缝分布具有一定的随机性。免拆卸模板-结构混凝土梁的裂缝平均间距略大于普通混凝土梁。