综合管廊模板位移及混凝土浇筑步序优化研究*

2022-03-21宋昌隆巩泽楠

施工技术(中英文) 2022年2期

刘勇，宋昌隆，杨硕，巩泽楠

(1.北京市政路桥股份有限公司，北京 100045；2.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083)

0 引言

模板工程是现浇混凝土工程的主要工序之一，重要性不言自明。近些年随着工程建设脚步的加快，大体积混凝土在工程中运用越来越多，胀模现象甚至“爆模”事故日显突出[1]。因此，有必要深入研究现浇混凝土支模方式及模板侧压力和位移特征。

近年来，有学者[2-5]基于实际工程，深入研究了不同施工条件下的混凝土模板侧压力，普遍认为模板侧压力值与浇筑结构的几何形状、浇筑速度、浇筑温度、混凝土初凝时间及配合比等因素密切相关，并建议修改规范计算公式。还有学者[6-7]通过对比大尺寸模型试验的实测值和规范的计算值，认为现行规范的模板侧压力计算值与实测值存在偏差，需进一步研究模板侧压力。在混凝土模板支撑体系的研究方面，有文献[8-10]采用有限元方法，分析了混凝土浇筑过程中支撑体系内力变化，认为立杆轴力最大值出现在浇筑过程中，而非浇筑结束后，并验证了有限元软件在支撑体系受力问题中的适用性。还有文献[11]研究了对称结构下混凝土浇筑路径对立杆轴力的影响，提出了尽量采用对称路径浇筑的建议。

目前，针对混凝土模板侧压力和模板支撑体系受力的研究，均在双侧、对称支模的情况下针对立杆开展，而且普遍集中在桥梁、楼房等建筑方面，鲜少涉及综合管廊的文献。而近些年我国城市综合管廊建设进入了高速发展阶段，综合管廊直接服务于重要的市政管线，因此，深入研究现浇综合管廊模板的受力和变形情况就变得尤为重要。本文基于北京世园会园区外围综合管廊工程，通过采集现场监测数据和建立三维数值模型，研究了单侧支模形式下对称、非对称结构综合管廊模板的位移特征，认为该模型能实际预测混凝土模板位移，又进一步提出了优化的支模形式和混凝土浇筑步序，能有效控制模板位移，为同类工程提供参考。

1 工程概况

世园会园区外围综合管廊工程位于北京市延庆区，承担着重要的市政管线、干线输送任务。其中百康路管廊包含综合舱、燃气舱和电信舱，为对称的三舱形式，断面尺寸为(2.0+3.4+2.0)m×3.2m；延康路管廊包含综合舱和燃气舱，为非对称的双舱形式，断面尺寸主要为(3.4+2.0)m×3.2 m。管廊结构的混凝土浇筑分2步完成：第1步先浇筑管廊底板及60cm高墙体，第2步初步按先侧墙后中间墙和顶板的顺序浇筑。综合管廊平面位置和结构断面如图1所示。

图1 综合管廊平面位置和结构断面

由于百康路西段管廊结构紧贴现况道路，距离不足1 m，而百康路东段和延康路管廊均位于现况道路下方，综合管廊的施工面临着空间严重不足的制约。因此，管廊侧墙采用单侧支模的形式，即在管廊结构外侧紧贴基坑左右侧壁位置分别砌筑1道厚240mm、高度至管廊顶板的砖墙，利用混凝土抹面，既可作为混凝土结构外支撑体系，也可作为防水保护层。管廊内支撑体系主要由竹胶板、木方、横撑架子管、立杆、剪刀撑、斜撑、对拉螺栓、T形螺栓等组成。百康路和延康路管廊内支撑体系如图2所示，其中剪刀撑为2根相互连接的架子管，斜撑为彼此独立的单根架子管。管廊结构支模体系材料如表1所示。

表1 管廊结构支模材料

图2 综合管廊内支撑布置

2 现场测试

2.1 测试仪器及方案

现场测试主要采用莱卡TCR1201+全站仪。莱卡TCR1201+全站仪具有易于使用、精度较高的优点，可直接对测量范围内均匀分布的各点三维坐标进行测量。由于施工阶段架子管密集，测试无法开展，故待最先施工的一段管廊拆模后再进行测试。针对百康路管廊，选取燃气舱左侧墙、综合舱右侧墙；对延康路管廊，选取综合舱左侧墙、综合舱右侧墙、燃气舱右侧墙，测试位置均为第2次浇筑的墙体部分(即60cm高度至顶部腋角处)，并在所选各测量位置均匀布设240个反光贴。

2.2 测试结果

将全站仪获得的测点三维坐标值处理后，按纵列绘制位移曲线(出于简洁考虑，选取其中8列)。为使浇筑混凝土后模板的最终位移情况更加直观体现，将墙壁高度方向设为z坐标(z=0处为纵墙60cm高度处)，墙壁面法向方向设为x坐标。百康路、延康路管廊测试位置位移曲线分别如图3，4所示。

图3 百康路管廊测试位置位移曲线

根据测试结果可知，除图4b中第7，8列测点因位于另一块竹胶板上而位移走势不同以外，其他各测试位置的位移走势均一致，且模板中下部位移最大。由于百康路管廊燃气舱左侧墙选用单侧支模形式，缺失对拉螺栓作用，而横撑架子管约束作用有限，故其位移差值可达1.4cm，而综合舱右侧墙位移较小，位移差值约0.6cm，这不仅因为综合舱右侧墙存在对拉螺栓作用，还因为该部位浇筑顺序靠后，先浇筑墙体(电信舱右侧墙)模板将侧压力通过横撑架子管以类似“预应力”的形式预先作用在该处模板上，显著地约束了其位移。延康路管廊综合舱左侧墙和燃气舱右侧墙也同为单侧支模形式，故最大位移差值分别达1.6，1.4cm，综合舱右侧墙位移差值约0.9cm。根据 GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》的规定，百康路管廊燃气舱左侧墙、延康路管廊综合舱左侧墙、燃气舱右侧墙均出现了明显的胀模现象。因此，有必要对管廊结构支模方式和混凝土浇筑步序进行研究和优化。

图4 延康路管廊测试位置位移曲线

3 数值分析

3.1 模型建立

针对管廊模板位移情况，采用MIDAS GTS NX有限元软件进行模拟计算。由于实际施工过程中管廊一次浇筑长度30m，本文选取15m长管廊模型进行模拟，在不影响计算结果的前提下可有效缩短计算时长。模型材料参数如表2所示。

表2 数值模型材料参数

为简化数值模型，按等效刚度原理，将15mm厚竹胶板与主龙骨简化为45mm厚竹胶板，纵墙次龙骨简化为1根外径48mm、壁厚18mm的架子管。由于第1道横撑架子管支撑在第1次浇筑的60cm高墙壁模板上，而胀模主要发生在第2次浇筑混凝土阶段，故在建模时未考虑第1道横撑架子管。

以延康路管廊为例，建立的数值模型如图5所示。

图5 延康路管廊数值模型

根据JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技术规范》，新浇筑的混凝土作用于模板的侧压力标准值，可按式(1)，(2)计算，取二者中的小值：

(1)

F=γcH

(2)

式中：F为模板侧压力值(kN/m2)；γc为混凝土重度(kN/m3)；t0为混凝土初凝时间(h)；V为浇筑速度(m/h)；β1，β2分别为外加剂和坍落度影响修正系数；H为计算位置至混凝土顶面的高度差(m)。

根据现场实际情况，计算得模型输入的侧压力F值为25.24kN/m2。

3.2 结果分析

数值计算后，选取和现场测试相同的5处位置进行分析，得到模板位移云图。百康路管廊中，燃气舱左侧墙模板位移差值约1.2cm，与实际测量值1.4cm基本一致；综合舱右侧墙模板位移差值约0.6cm，与实际测量值完全吻合(见图6)。最大位移均位于模板中下部，与现场实测一致。此外，燃气舱左侧墙模板最小位移出现在横撑架子管的支撑点处，体现出横撑架子管对于模板明显的约束作用；而综合舱右侧墙由于浇筑顺序靠后，其模板受到了横撑架子管传递来的 “预应力”作用，最大位移则出现在横撑支撑点处，可见浇筑顺序也显著影响模板位移特征。

图6 百康路管廊模板位移云图

延康路管廊模板位移云图如图7所示。其中，综合舱左侧墙模板位移差值约1.5cm，燃气舱右侧墙模板位移差值约1.4cm，均与实际测量结果一致。综合舱右侧墙模板位移差值约0.5cm，比实际测量差值小约0.4cm，模拟结果与实测结果不一致，主要与实际施工中竹胶板拼接、螺栓松紧程度及数值模拟对参数的简化等因素有关。此外，管廊两侧的砖墙由于刚度较大，在模拟过程中未见明显变形，也与实际情形符合。可见该数值模型是合理的，适用于实际工程。

图7 延康路管廊模板位移云图和曲线

由计算可知，单侧支模形式下，模板位移特征与存在对拉螺栓的双侧支模形式有很大不同，而且模板支撑形式和混凝土浇筑步序也需要研究，存在优化空间。

4 支模体系与混凝土浇筑步序优化

4.1 优化方案

为克服对拉螺栓缺失引起的胀模问题，考虑在管廊模板支撑体系中加入短斜撑，并加密横撑架子管。短斜撑采用与剪刀撑、斜撑相同的架子管，一端顶在第3道横向支撑连接的纵墙次龙骨上，另一端顶在管廊底板上。经多次筛选，最终确定延康路管廊支模的优化方案为：将所有剪刀撑、斜撑的间距由3m缩小为2m，第5，6道横撑架子管水平间距调整为1.5m，第2，3，4道水平间距调整为1.2m，此外，在左、右两处侧墙分别添加短斜撑，短斜撑水平间距1.2m，其余支模形式不变。原混凝土浇筑步序为先侧墙、后中间墙和顶板，调整后的混凝土浇筑步序为：①中间墙→②同时浇筑双侧侧墙→③管廊顶部。优化前后的浇筑顺序如图8所示。