玻璃钢模板在圆柱施工应用中的探讨

扶晓林

(中交三航局第二工程有限公司 上海200122)

玻璃钢模板在圆柱施工应用中的探讨

扶晓林

(中交三航局第二工程有限公司 上海200122)

传统的圆柱定型钢模和木模板拼缝多、造价高、自重大、耗时长、人工移动安装不方便，需要用垂直运输辅助机器进行安装。随着工程建设的需要，急需一种能解决此类难题的新型模板，以加快工程进度、保证工程质量、降低工程造价。玻璃钢模板是目前发展较好的一种新型模板，以世博工程，新加坡大士南一期、二期船坞为例，介绍了玻璃钢模板在圆柱施工中的应用，阐述玻璃钢模板的材料、设计、施工技术、应用与成效。

玻璃钢模板 计算原理 设计与施工 效益比较

0 引 言

传统的圆柱定型钢模和模板拼缝多、造价高、自重大、耗时长、人工移动安装不方便，需要用垂直运输辅助机器进行安装。随着工程建设的需要，急需一种能解决此类困难的新型模板，以加快工程进度、保证工程质量、降低工程造价。

玻璃钢模板以轻质高强、耐化学腐蚀、耐热透光等优良特性著称。本文以世博工程，新加坡大士南一期、二期船坞为例，介绍玻璃钢模板在圆柱施工中的应用，阐述玻璃钢模板的材料、设计、施工技术、应用与成效。

1 模板的发展

1.1 模板形式上的发展

在我国建筑行业中，模板形式从最初的木质模板和定型木模板开始，经历了木模板→钢模板→组合钢模板→胶合板模板→钢框胶合板→塑料平面模板→竹胶合板→中密度纤维板模板的转化历程。近十几年来，玻璃钢模板逐渐被许多建筑企业所采用。目前，玻璃钢模板主要有玻璃钢模壳和小曲率圆柱模板两种主要应用形式。

1.2 模板材料上的发展

就模板材料而言，传统的模板材料是木材，就地取材就地加工，后续发展了人造材料的模板、人造胶合板、钢模板、钢框模板、人造树脂玻璃钢模板。

1.3 玻璃钢模板

1.3.1 玻璃钢材料的特点

玻璃钢，俗称玻璃纤维增强塑料，或者纤维强化塑料，是以玻璃纤维或其制品(玻璃布、带、毡、纱)作增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。由于其强度相当于钢材，又含有玻璃组分，同时具有玻璃的色泽、形体、耐腐蚀、电绝缘、隔热等性能，故得名“玻璃钢”。其特点如下：

1.3.1.1 轻质高强

玻璃钢模板是一种轻质材料，其密度在1.5～2.0,g/cm3之间，只有碳素钢的1/4～1/5，但其拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢。部分高强环氧玻璃钢的拉伸强度、完全强度和压缩强度均能达到400,MPa以上。

1.3.1.2 耐腐蚀性能

具有良好的耐腐蚀性能，对大气、水和一般浓度的盐、酸碱及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。

1.3.1.3 减振性、抗疲劳性能好

玻璃钢模板基体界面吸震能力、减振性好。其破坏程度是逐渐发展的，破坏前有明显征兆。

1.3.1.4 热性能良好

玻璃钢的热导率低，只有金属的1/100～1/1,000，是优良的绝热材料。

1.3.1.5 设计性、工艺性好

由树脂和纤维等增强材料按照一定比例调和，采用合适的铺设方法加工而成。其成型工艺简单，可根据产品的形状、技术要求、用途等选择成型工艺。

1.3.2 玻璃钢模板的特点

1.3.2.1 平整度高、接缝少

玻璃钢模板可以一次性满足圆柱施工要求，仅在竖向有一道拼接缝，与混凝土不易粘结，浇筑出来的混凝土无横向接缝，圆度准确，表面光滑平整，垂直误差小。

1.3.2.2 简易支撑

模板只需要在接口处用角钢、螺栓固定好，以钢丝缆绳一端拉住圆柱的顶部，一端固定在已经浇筑好的底板上，即可保证圆柱的垂直度。

1.3.2.3 施工方便、周转次数多

玻璃钢模板安装和拆除都比较方便，按照圆柱设计高度裁剪模板，一次性封模，可显著提高工效。模板拆除后的清理和维护相对方便，其耐磨性好，模板可重复使用。

1.4 玻璃钢模板的发展趋势

模板作为混凝土工程的模具材料，其性能直接影响工程的质量和造价。传统意义上的木模板、钢模板、钢框模板在不同程度上都存在缺陷，使得传统模板的应用和发展都在一定程度上受到了限制。玻璃钢模板是目前发展较好的一种新型模板，构造合理、平整度高、刚度大、安拆方便，浇筑好的混凝土外观质量好。但玻璃钢模板属于新型模板材料，目前尚用在模壳和小曲率圆柱中，其施工工艺、技术、控制要点还需进一步探索。

2 玻璃钢模板的力学特性

2.1 原材料及特性

2.1.1 玻璃纤维及其特性

玻璃纤维是玻璃钢的增强材料，其性能的好坏对玻璃钢制品的影响很大，根据碱金属氧化物含量的多少分为无碱纤维和有碱纤维，其参数如表1所示：

表1 玻璃纤维的技术参数Tab.1 Technical parameters of glass fiber

2.1.2 树脂及其特性

树脂根据可溶性分为热塑性和热固性树脂。树脂作为玻璃钢的基体材料，采用的是热固性树脂，其中以酚醛树脂、环氧树脂和不饱和树脂为主。

2.1.2.1 酚醛树脂

酚醛是首次人工合成的树脂，由苯酚加甲醛在催化剂存在下经过缩合而成，大量用于玻璃钢复合材料方面。

2.1.2.2 环氧树脂

环氧树脂是含有两个或者多个环氧基团的树脂的统称，其固化后具有优良的耐化学稳定性，如耐碱性、耐酸性、机械强度高，其铸件的机械性能如表2所示。

表2 环氧树脂铸体机械性能表Tab.2 Mechanical properties of epoxy resin casting

2.1.3 固化剂与促进剂

固化剂是树脂固化的促进剂，其用量对固体影响极大，表3中的固化剂M是液态，容易分散，便于喷涂与混合，是目前玻璃钢生产单位用得最多的一种固化剂。

表3 常用固化剂的主要性能Tab.3 Main properties of commonly used curing agents

2.2 玻璃钢的力学特性

玻璃钢具有以下几个力学特性：抗拉强度、抗弯强度、冲击试验、硬度试验，此处不展开叙述。玻璃钢模板的设计、材料的选用和施工必须以充分准确的数据为前提。

3 玻璃钢圆柱模板的设计

3.1 玻璃钢圆柱模板的基本原理

玻璃钢模板是以无碱玻璃纤维作骨架增强材料，不饱和聚酯树脂作粘结材料，逐层粘裹而成，具有一定柔性的平板材料。采用玻璃钢作圆柱模板有两种状态：自然存放时展开为平板状态及其使用连接件的圆筒状态。

3.1.1 基本原理

应用流体力学原理——同一深度处各点压力相等，将具有一定柔性的玻璃钢平板模板臌胀成圆形，由于等高(等深)度的各点各方向法向应力相等，自身都受力平衡，不需要复杂的外架做支撑体系，便可形成形状准确的高精度圆柱体。

利用流体力学原理需要满足两个基本条件：

①玻璃钢模板是具有合适韧性的薄壁质体，受内部液态压力能够胀成圆形；②混凝土在浇筑时呈流塑状态，具有合适的坍落度，在振捣的作用下侧压力使不受约束的玻璃钢模板胀成圆形。

3.1.2 设计计算原理

玻璃钢模板的设计应满足结构可靠度理论，即：

式中，S——结构荷载效应，R——结构抗力。

已知混凝土柱高为H，圆柱直径为φ，采用平板玻璃模板，玻璃钢的抗拉强度允许应力为σ，利用螺栓连接，螺栓个数假设为n，螺栓间距为l，最低一根螺栓距离柱底为l1，计算玻璃钢模板厚度h。

3.1.2.1 荷载计算

根据规范，混凝土侧向压力F有两种计算方式，取二者的较小值：

式中：1F——充分考虑混凝土浇筑速度及初凝对模板侧压力影响的最大侧向压应力值，2kN/m；F2——不考虑浇筑及混凝土初凝对模板侧向压力影响的最大侧向压应力值，2kN/m；cγ——混凝土的重度，——浇筑混凝土的初凝时间；h——可实测确定；T——混凝土的入模温度，℃；V——混凝土浇筑速度，m/h；H——混凝土侧压力计算位置处至新浇筑混凝土顶面的总高度，m；1β——外加剂影响休整参数，不掺外加剂时取1.0，掺具有缓凝作用的外加剂取1.2；2β——混凝土坍落度影响修正参数，当坍落度小于30,mm时取0.85，50～90,mm时取1.0，110～150,mm时取1.15。

混凝土产生的荷载组合值(最低的1颗螺栓受力范围)计算：

式中：Qγ——可变荷载分项系数，取Qγ＝1.4，对于大于倾倒混凝土产生的水平荷载，取的楼面均布可变荷载，——永久荷载分项系数，取Gγ=1.2，当永久荷载效应起控制作用时，Gγ=1.35。

3.1.2.2 每颗螺栓受环向拉力Fc计算

3.1.2.3 螺栓直径D(mm)计算

3.2 玻璃钢圆柱模板的设计

3.2.1 模板厚度

玻璃钢模板的厚度应根据混凝土侧压力的大小，通过计算确定，根据玻璃钢模板的设计计算原理、计算方法可计算出模板厚度范围，如表4所示。

3.2.2 模板高度

模板的高度按照设计图纸的高度进行选取，按照常规施工方法，在柱高4,m以下时，一次性成型浇筑；超过4 m时，根据现场实际情况进行分段浇筑，其分段高度宜控制在2.5～3,m左右。

3.2.3 模板直径

由于模板在加工时存在加工误差，宜控制在±2.5,mm，同时玻璃钢模板具有一定的膨胀率，一般为0.6%,，结合表4数据，综合考虑脱模后直径误差率为1‰。

表4 圆柱玻璃钢模板厚度规格Tab.4 Cylindrical glass thickness specifications of steel formwork

3.2.4 模板封口位置角钢设计

利用角钢作为玻璃钢圆柱模板的等边材料，常用尺寸为L40× 4，由于角钢为直角，直接封边必定会产生缝隙，对接缝处的外观质量不利。根据三角函数之间关系，可求得角钢需要放大的夹角α(见图1)。

图1 角度放大计算简图Fig.1 Angle calculation diagram to enlarge

式中，α——角钢需要放大的夹角，R——圆柱的半径，mm。

玻璃钢模板接口处连接及角钢角度调整如图2所示。

图2 玻璃钢模板接口处连接及角钢角度调整示意图Fig.2 Schematic of the connection and angle adjustment of the angle of FRP template interface

4 玻璃钢模板的施工技术

4.1 玻璃钢模板圆柱施工的流程

玻璃钢模板施工工序主要有：圆柱钢筋绑扎、玻璃钢模板安装、浇筑混凝土、玻璃钢模板拆除、混凝土养护等，施工流程如图3所示。

4.1.1 圆柱钢筋绑扎

按照设计图纸进行圆柱钢筋的下料，并注意预留钢筋的搭接长度(单面焊接、双面焊接或者锚固搭接)，并按照设计图纸进行钢筋的绑扎，注意预留预埋件或者管道穿孔位置。

4.1.2 玻璃钢模板安装

按照设计图纸圆柱的高度和直径折算成平板玻璃钢模板的长度和高度，如前所述，玻璃钢模板在混凝土的充盈下会产生体积膨胀(经验取值0.6%,)。所以裁剪的玻璃钢模板的长度等于圆柱的高度，宽度等于圆柱的周长×99.4%,。同时，按照要求在厂里进行定型加工。用螺栓将模板闭合，利用垂线调整模板垂直度，并予以加固。

4.1.3 浇筑混凝土

取混凝土坍落度最大值，保证其混凝土的流动性。控制混凝土浇筑速度，并注意混凝土的振捣。

4.1.4 玻璃钢模板的拆除

根据规范要求，待混凝土强度达到1,MPa以上便可进行模板拆除，拆除时注意模板封口处混凝土的保护，拆除完毕后随即清理、修复、存放模板。

4.1.5 混凝土养护

拆模先修复缺陷，随即进行保护保湿养护。

4.2 玻璃钢模板圆柱施工的控制要点

4.2.1 圆柱钢筋绑扎控制要点

①按照设计图纸进行下料，注意钢筋规格、型号、图纸间距、搭接要求。②合理设置混凝土保护层垫块，根据相关规范规定进行布置，圆柱高度超过4,m时，垫块布置上、中、下3层；低于4,m时，垫块布置两层；垫块形式可选择砂浆垫块或者定型塑料垫块。③钢筋绑扎严格按照设计尺寸进行，确保圆柱钢筋直径尺寸。根据圆柱高度情况设置构造骨架钢筋，防止钢筋移位。

图3 玻璃钢模板圆柱施工流程图Fig.3 Cylindrical glass construction steel template flowchart

4.2.2 玻璃钢模板安装控制要点

①安装前进行测量定位，标出十字线及缆风绳位置线；②模板清理、修复及涂刷脱模剂；③紧固封口段螺栓，逐个拧紧；④设置缆风绳，用花篮螺栓进行圆柱垂直度调节，固定模板。控制圆柱垂直度在规范允许范围之内(见图4、表5)。

图4 模板垂直度调整示意图Fig.4 Schematic of the template’s vertical adjustment

4.2.3 浇筑混凝土控制要点

①确保浇筑混凝土规格、等级符合设计要求；②控制混凝土的入模温度及浇筑速度；③防止混凝土离析，圆柱高度超过3,m，必须将浇筑管深入到圆柱底部(一般离开地面50,mm)进行逐层浇筑，逐层振捣，必要时采取二次复振；④必须注意新老混凝土浇筑交界面处理措施，确保新老混凝土结合密实。

表5 允许偏差值Tab.5 The tolerance range

4.2.4 玻璃钢模板的拆除控制要点

①注意闭合口部位螺栓、角钢及模板的拆除；②模板拆除后及时清理、修复及保存；③周次数超过5次后，应对其模板表面涂刷环氧树脂进行修复。

4.2.5 混凝土养护控制措施

①拆模后及时清理、修补；②立即进行保温、保湿养护，保证养护时间。

5 玻璃钢模板在圆柱施工建造中的应用

5.1 工程概况

5.1.1 实例1——上海世博会世博轴工程

本工程地下室结构采用半逆作或全逆作，有地下2层。地面层、地下1层板采用多跨有梁楼盖形式，纵向轴线有梁，中间主通道跨度22,m，采用组合梁板结构，在地下1层板大开孔四周设置边梁加强；底板为整体筏板。地面层标高为＋4.42,m(绝对标高)，地下1层标高为-1.08,m(-0.58,m)，地下2层标高为-6.8,m(-6.5,m)。根据设计施工图纸，本标段共分划为A、B两个单元。其主要清水混凝土构件概况如下：

结构柱：主要为直径φ1,200，部分为直径φ1,500，结构柱主筋为φ32、φ40，混凝土标号为C40、C60。我标段－6.8,m结构部分柱子277根，-1.08,m(-0.58,m)结构部分柱子233根，共计10,710,m2。根据前述计算方法，得出圆柱直径φ1,200的模板厚度采用3.5,mm的玻璃钢模板；直径φ1,500及以上采用4,mm厚的玻璃钢模板。

5.1.2 实例2——新加坡大士南一期船坞1、2#水泵房

新加坡大士南一期船坞1、2#水泵房流道层有φ800、φ1,200、φ1,600，共计12根，高度在3.5～4.0,m不等的圆柱。

5.1.3 实例3——新加坡大士南二期船坞3、4#水泵房

新加坡大士南1期船坞3、4#水泵房流道层有φ800、φ1,200、φ1,600，共计12根，高度在3.5～4.0,m不等的圆柱。

5.2 具体施工情况(见图5、6)

根据前面计算可知，玻璃钢模板采用两种厚度形式：3.5,mm和4,mm。

图5 施工现场图Fig.5 Photos of the construction site

图6 玻璃钢模板圆柱成品Fig.6 Finished steel cylindrical glass template

6 社会效益和经济效益

6.1 资源、环境效益

玻璃钢模板属于新型建筑材料，是一种可再生资源，对资源的利用以及环境的保护都起着至关重要的作用。

6.2 顾客满意度

玻璃钢模板生产出来的成品混凝土构件，外观色差均匀，表面无明显斑纹、砂线、修补程度小，完全符合清水混凝土模板的要求。

6.3 经济效益

6.3.1 原材料成本

就世博轴工程原材料成本共计需要10,710,2m的玻璃钢(或者钢模板)模板(按照10次周转计算)。按照现行市场价格，钢模板为450元/2m左右，需要49万元；玻璃钢模板为170元/2m，需要18万元，计算可节约30万元左右。

6.3.2 人工费

玻璃钢模板的施工工期要比钢模板节约3/4的工期，按照1根柱子4个人工计算，共计510根柱子，可节约人工1,530人，按照人工费160元/天/人计算的话，可节约人工费约24万。

6.3.3 工期

世博地下空间工程，原计划3.5个月结束，实际施工2个月，节约工期1.5个月。

6.4 展望未来

由于受玻璃钢模板刚度小的限制，目前仅用在模壳和小曲率圆柱模施工中，还不足以替代钢模板在方形柱或梁、板构件中使用。如果能大幅度提高玻璃钢模板的刚度，相信未来在梁、板构件的施工中将会大幅度提升使用比例，为建筑施工节省更大的人力、物力和财力。■

［1］ GB50204—2002. 混凝土结构工程施工质量验收规范[S].

［2］ 谢莉. 新型玻璃钢蜂窝夹层结构模板研究[D]. 南京：南京工业大学，2004.

［3］ 王禹阶，崔鹏. 玻璃钢与复合材料的生产及应用[M].合肥：合肥工业大学出版社，2005.

［4］ 饶久平，曾钦志，谢拥群. 薄型硬质板作表板制新型混凝土模板的研究[J]. 林产工业，2001，28(3)：26-28.

［5］ 朱张慧. 广东省韶关电力调度通信中心土建工程圆柱玻璃钢模板的设计施工[J]. 科技咨询，2007(7)：65-66.

Application of Glass Fiber Reinforced Plastic in Construction Based on Cylindrical Templates

FU Xiaolin

(No.2 Engineering Co.，Ltd．of CCCC Third Harbor Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200122，China)

Traditional cylindrical shaped steel and wood templates have the disadvantages of more patchwork，high cost，large dead load，time-consuming，inconvenient to install and move by manpower and require vertical transportation auxiliary machines for their installation．To solve these difficulties，a new template is required to speed up the progress to ensure project quality and reduce cost．This paper takes Expo project，Singapore Tuas South phase I & II docks as examples，to describe the application of FRP templates in cylinder construction and elaborate their materials，design，construction technology，application and effectiveness.

FRP template；calculation principle；design and construction；benefit comparison

TB21

A

1006-8945(2016)06-0054-06

2016-05-07