钢木组合模板侧压力及表面温度在薄壁空心墩柱施工过程中的变化分析

2021-08-19曹月贵谭旭东胡小磊

科技创新与生产力 2021年7期

曹月贵，吕爽，谭旭东，黄焕，胡小磊

（1.中交四公局第九工程有限公司，北京朝阳 100102；2.沈阳工业大学，辽宁沈阳 110870）

2020年是全面脱贫建成小康社会的关键一年，为提升山岭重丘区GDP指数，一条条高速公路成为山岭重丘区经济发展的连接枢纽，一架架跨山大桥成为经济贯通的主要连接线。复杂的地势环境、恶劣的气候导致山岭重丘区常年昼夜温差大，对建筑施工造成了很大的影响。在桥梁工程中，薄壁空心墩在满足承载力的基础上采用空心设计，因其减轻自重、节省材料、施工简单快捷而成为山区桥梁工程的首选[1-2]。

1 工程概况

贵州江玉高速公路连接线工程全长11.8km，其中某段施工中，涉及桥梁墩柱12根，均为矩形薄壁空心墩。现场结合当地施工环境决定采用悬臂爬升模板结构进行高墩施工。16#墩柱等截面薄壁空心墩：墩身尺寸6.5 m×3 m，左福高50 m，右福高53 m（不含盖梁高2 m），壁厚0.50 m，采用C40混凝土进行浇筑。坍落度188 mm、初凝时间6 h 5 min、终凝时间8 h 55 min、容重2 500 kg/m3，无缓凝剂。悬臂爬升模板采用新型钢木组合模板，面板采用厚度18 mm维萨板；竖肋采用200 mm×80 mm木工字梁，最大间距300 mm；横肋为双14a槽钢，最大间距1 350 mm；爬模结构为PJ200悬臂模板结构[3]。

2 现场测试方案

在确定薄壁空心墩的模板结构设计后，选择“回”形墩断面的1/4、墩柱浇筑标准段高4.5 m处作为测试研究对象。本文旨在研究混凝土浇筑、振捣、水化凝结等过程，薄壁空心墩柱钢木组合模板所受混凝土侧向压力作用随浇筑高度的变化情况及模板表面温度变化与侧压力之间的关系。

2.1 测点布置

取桥墩墩柱截面的1/4部分作为试验研究对象，采用智能弦式数码土压力盒测试混凝土对模板侧压力和外层混凝土温度变化。

压力盒在6.5 m×4.5 m模板面1/2、右侧1/4处布设两列，在3 m×4.5 m模板面上左侧1/4、1/2处布设两列，每列布设7个压力盒，共28个测点，见第106页表1、图1。

图1 压力盒测点布置图

表1 钢木组合模板压力盒位置（m）

2.2 测试方案

混凝土浇筑伊始，直至混凝土初凝、终凝、水化基本稳定，对钢木组合模板进行测试，取得模板受浇筑混凝土的侧压力变化、模板表面温度变化和对拉螺杆应力、应变等的测试数据。

混凝土浇筑于2019年9月20日15：25开始，当日19：34结束，标准段浇筑共进行4 h 9 min，2019年9月21日07：04为测试完毕时间，测试共持续16 h。测试开始当地温度约23～30℃，测试结束最高温度近70℃，温差最大达45℃，为大温差情况[4-6]。

3 测试结果分析

为了准确分析钢木组合模板在混凝土浇筑、振捣、水化施工过程中的混凝土侧压力及钢木模板表面温度变化情况，本文测试了正面、侧面模板1/2、1/4不同高度侧压力、温度随时间的变化情况。对正面处压力变化进行分析，变化曲线见图2、图3。

图2 长边模板1/2处侧压力变化

图3 长边模板1/2处温度变化

从图2可以看出，整个测试过程可分为3个阶段，分别为混凝土浇筑阶段（0～5 h）、混凝土沉实阶段（5～8 h）、混凝土水化（凝结）阶段（8～14 h）。

第一阶段为混凝土浇筑阶段——侧压力、温度线性增大。混凝土浇筑共进行4 h 9 min，此阶段测试5 h，即0.5～5.5 h。分析混凝土侧压力随测试时间变化曲线可得：此过程中钢木组合模板侧压力呈线性增加，主要因为新浇筑混凝土对模板产生的冲击力使模板产生力的作用，随着浇筑高度的增加，侧压力值呈线性增大，增速在1.2～7.2 kPa/h之间；分析钢木模板表面温度随测试时间变化曲线可得：钢木模板表面温度在此过程中呈线性增大，增速在1～8℃/h之间，此阶段侧压力最大值出现在长边模板1/2处第二层（距离模板底面高度1.5 m处），最大压力值可达0.043 MPa，此时对应的模板表面温度变化量为12.1℃；根据侯新宇[4]提到的钢模板在此过程中混凝土侧压力最大值可达0.009 MPa，温度变化量为14.8℃，可以看出在此阶段钢木组合模板侧压力值、表面温度均小于钢模板对应值。

第二阶段为混凝土沉实阶段——侧压力不变、温度缓慢增加。混凝土沉实阶段在浇筑完成后约进行2 h，测试时间约2.5 h，即5.5～8 h。从侧压力和温度变化图可得：此阶段混凝土侧压力值变化不大，基本不变；钢木模板表面温度呈缓慢上升阶段，最大温度出现在短边模板1/4处，可达62.8℃，相比浇筑完成后（51.5℃）变化量为11.3℃。

第三阶段为混凝土水化（凝固）阶段——混凝土侧压力、温度急剧上升阶段。混凝土沉实结束，混凝土慢慢凝结，从浇筑时的“液态”经过初凝、终凝变成“固态”，共8～14 h。在此过程中混凝土水化反应会释放出大量的热量，产生温度应力作用在面板上。从侧压力、温度随测试时间变化曲线可以看出，混凝土作用在钢木模板上的压力值随着模板表面温度急剧上升，侧压力值也快速增大，增速为1.5～8.2 kPa/h，相比浇筑阶段侧压力增速明显提升。此阶段温度增速也增大到2～10℃/h，相比前阶段也有所提升。最大压力值为0.007 6 MPa，相比沉实阶段增大0.03 MPa，出现在有效压头附近[7-8]。

从图2、图3中可以看出，混凝土凝固完成后，混凝土侧压力值和钢木模板表面温度开始出现缓慢下降，这主要是因为混凝土水化放完热量，温度开始随着外部环境温度缓慢下降。从而可以得出，温度是影响侧压力变化的重要因素。第107页图4为长边模板1/2处第二层（距离模板下端1.5 m处）温度增加引起压力变化的规律拟合曲线图。

图4 温度增加引起压力变化的规律拟合

压力变化最大值出现在长边模板1/2第二层（距离模板下端1.5 m处），得到温度（T）-压力（Pt）变化曲线拟合公式Pt=0.002 8 T-0.075。分析拟合曲线可得：整个施工过程中钢木模板侧压力一直随温度上升，尤其在水化阶段，温度更是影响侧压力变化的主要因素。钢木模板内外温差过大，导致压力盒温度骤然升高，压力也突然增大，造成钢木模板变形变大，导致施工安全性不稳定性增高。