框架桥结构施工中采用不同模版对减少裂缝的效果及机理分析

摘 要：该文通过不同工况下对钢模板和木模板进行数值模拟，结果分析，在不同的时间段内采用钢模板浇筑时，整体温度变化较小，较快使混凝土温度降低，而木模板具有一定保温作用，降温时间长，周期大；通过现场试验数据分析，B箱涵裂缝宽度为0.2～0.3 mm，C箱涵裂缝宽度为0.3～0.4 mm，从裂缝总体来看，C箱涵采用木模版裂缝宽度比B箱涵采用钢模板裂缝宽度略宽；通过数值模拟和现场试验数据对比，框架桥结构施工中采用钢模版较木模板对抑制裂缝效果更好。

关键词：框架桥；裂缝；数值模拟；钢模版；木模版

中图分类号：TU755.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）27-0074-04

Abstract： In this paper， steel formwork and wood formwork are numerically simulated under different working conditions. The results show that when steel formwork is used in different periods of time， the overall temperature change is small， and the concrete temperature decreases rapidly， while wood formwork has a certain heat preservation effect， long cooling time and long period. Through the analysis of the field test data， the crack width of B box culvert is 0.2～0.3 mm and the crack width of C box culvert is 0.3～0.4 mm. Generally speaking， the crack width of wooden template in C box culvert is slightly wider than that of steel formwork in B box culvert. Through the comparison of numerical simulation and field test data， steel formwork is more effective in restraining cracks than wooden formwork in frame bridge construction.

Keywords： frame bridge; crack; numerical simulation; steel formwork; plank sheathing

在土木工程项目施工过程中需要采用模版，选用哪种模版对混凝土的热量消散起到决定作用，混凝土中裂缝产生的主要原因是混凝土在受到内外因素破坏情况下发生结构变化，混凝土中一旦有裂缝的产生就直接导致结构主要性能降低，包括承载力、防水性等[1-3]。刘艳君等[4]在不同模版类型对混凝土强度的影响及机理分析中指出，铝膜板及木模版在施工过程中，通过加强对混凝土养护，铝膜板可以降低混凝土强度增长过程中的碳化程度、进而提高混凝土的强度，保证现场混凝土施工质量。张玮[5]从材料、设计、施工3个方面分析了框架桥受力和出现裂缝的原因，但最终没有提出相应的养护方案。

国内外对混凝土裂缝成因研究较多，同时根据不同的工程特性对控制混凝土裂缝提出相应治理措施，但对框架箱涵研究很少[6]；鹿子鸣[7]提出了大体积混凝土凝结时间的判别标准，并通过Ansys数值模拟大体积混凝土温度场和应力场随时间的变化规律，并未对框架桥裂缝的产生缘由及抑制裂缝效果提出相关见解。孙龙[8]从施工工艺出发，通过支架施工工艺从现浇梁出发，分析并总结相关注意事项及安全措施，并从材料进场、基础验收和支座验收等方面提出相关要求。乔瑜[9]从不同计算方法下框架桥配筋角度出发，分析2种不同设计规范在材料和荷载取值上的差异，并对框架桥顶，底板配筋设计，比较不同理论值框架桥配筋差异化，从而给出相应理论参考。由于混凝土裂缝成因复杂，针对框架箱涵的的相关研究还比较欠缺，尤其从框架箱涵施工工艺对温度及应力研究分析较少，给施工控制方案的制定带来不便。本文根据兰州地区某工程项目，通过数值模拟结合试验，从不同施工工艺导致混凝土温度及应力角度出发，研究最佳抑制裂缝效果，为相关工程项目提供参考。

1 数值模拟及有限元分析

1.1 数值模拟

针对兰州市某项目，采用2种不同材料类型的模板进行数值模拟分析，给予模板赋予钢和木的2种材料参数（表1）根据施工现场实际建立Ansys模型并对不同模版输入相应参数（图1），对单元进行热分析时采用浇筑后，同时单元具有热导性能。所有对单元在分析时首先分析其热导性能，其次，在对整体结构进行结果分析，所以需要采用solid45将整个单元进行代替并用于三维状态下。模型的计算首先由温度场出发，并将结果转化为应力场计算数据进行结构计算，最终将分类计算转换为结构计算，改变相关单元荷载并将荷载施加到单元中，因为在结构中配筋也是单元计算的影响因素，所以需要将配筋考虑到结构计算单元中去以此来更加精确反映实际情况。

表1 不同模版参数

从表1可以看出，对比钢模板和木模板的参数，钢模板密度为7 790 kg/m3，木模板密度为500 kg/m3，钢模板密度为木模板的15倍以上；从比热容来看钢模版比热容为0.46 kJ/（kg·℃），木模板比热容为1.72 kJ/（kg·℃），木模板为钢模板的3.7倍以上；导热系数方面钢模板的导热系数为130 kJ/（m·h·℃），木模板导热系数为10 kJ/（m.h.℃），钢模板导热系数为木模版导热系数的13倍。对比2种模版不同参数，钢模版和木模板有着本质的区别。

1.2 有限元分析不同工况下对混凝土温度裂缝影响

通过不同模版输入不同参数，并将结果进行分析（图2—图3），根据浇筑时间推移，并以24 h浇筑为节点，钢模板中底板最高温度为60 ℃左右，木模板中最高温度为80 ℃左右；说明在模型中加入钢模板对温度控制效果较好，同时根据Ansys数据反馈结果，在加入钢模板后模型内部温度消散更快，可以达到较好抑制裂缝效果。

如图4—图7为浇筑时间72～96 h温度变化，在浇筑时间为96 h后混凝土内部温度达到最高值，但分析不同工况下温度峰值，钢模板最高温度峰值为61.3 ℃，木模板中最高温度峰值为77.8 ℃。钢模板中混凝土内部温度明显低于木模板中混凝土内部温度。

通过对钢模板及木模板混凝土进行浇筑，2种工况下混凝土内部温度随时间变化有明显不同（图8—图9），当浇筑开始时，随着时间推移，钢模板比木模板温度达到最高时所需要的时间更快，通过观测可以得到，2种模版在彼此达到最高温度时，钢膜所需要的时间为40 h而木模板所需要的时间为60 h，钢模版所需时间较木模板少20 h。在同时对比底板温度，钢模板底板与木模板底板温度相差较大，采用钢模板浇筑时，当时间为24 h时底板温度最高，达到的温度极值为24 ℃；而对比采用木模板浇筑时，当时间为48 h时内部混凝土温度达到最高，达到的温度极值为60 ℃。同时通过时间递增2种工况下混凝土温度达到最高值，钢模板浇筑时最高温度为68 ℃，而木模板浇筑时最高温度为81 ℃。同时钢模板在浇筑过程中整体降温较木模板更快，因此通过以上数据分析得到，采用钢模板浇筑时最高温度较木模板温度更低。对比2种工况下，钢模版散文效果较木模板更快，同时反馈木模版具有一定的保温效果。

通过图2—图9中不同工况下采用模版进行浇筑，混凝土内部不同温度反馈结果可知，木模板在混凝土进行浇筑时，具有一定保温效果，降温时间更长，周期更大；钢模板在混凝土浇筑时，混凝土最高温度较木模板更低，同时对比木模板来说达到内部最高温度所需要的时间更短，混凝土内部温度消散所需时间更少，反映在抑制裂缝方面，采用钢模板进行浇筑对抑制裂缝效果较木模板效果更好。

2 现场试验

结合有限元模拟分析结果，通过在混凝土内部一定的测点埋设温度传感器，测得试验点位温度随时间变化过程。在试验现场选取B箱涵与C箱涵进行测量温度与应力情况，C箱涵采用木模板浇筑，B箱涵采用钢模板浇筑，加强养护。由于底板混凝土先浇筑，侧墙及顶板混凝土后期一次浇筑成型，故在底板浇筑时提前先测量底板温度变化，上部混凝土在其浇筑前开始测量记录。

3 不同工况下裂缝检测分析

通过混凝土裂缝综合检测仪对裂缝宽度进行逐条测量，选择不同箱涵中具有代表性的裂缝进行分析，其中C箱涵和B箱涵的裂缝如图10、图11所示。

如图10所示，在C箱涵中选取具有代表性裂缝进行分析，C箱涵中最大平均裂缝宽度为0.309 mm。裂缝宽度贯穿整个箱涵并联通侧墙。中间较长均为0.3～0.4 mm宽度。

如图11所示，B箱涵中裂缝方向整体上呈竖直，裂缝宽度较小，最宽处为0.3 mm左右，在裂缝延伸至一定距离后，宽度逐渐减小，裂缝消失，但在距离裂缝消失位置左右1 mm处错节重新出现并开始延伸，宽度逐渐变大后又减小至消失。

对比不同工况下裂缝情况，B箱涵裂缝宽度为0.2～0.3 mm，C箱涵裂缝宽度为0.3～0.4 mm，从裂缝总体来看，C箱涵裂缝宽度比B箱涵裂缝宽度略宽；在现场施工过程中，采用钢模板较采用木模板对抑制裂缝效果更好。

4 结论

1）通过数值模拟结果分析，在不同的时间段内采用钢模板浇筑时，整体温度变化较小，较快使混凝土温度降低，而木模板具有一定保温作用，降温时间长，周期大。

2）通过现场试验数据分析，B箱涵裂缝宽度为0.2～0.3 mm，C箱涵裂缝宽度为0.3～0.4 mm，从裂缝总体来看，C箱涵裂缝宽度比B箱涵裂缝宽度略宽。

3）通过数值模拟和现场试验数据对比，框架桥结构施工中采用钢模版较木模板对抑制裂缝效果更好。

参考文献：

[1] 戴会超，王建.国内外水利水电工程混凝土裂缝及其防止技术研究[M].北京：黄河水利出版社，2005.

[2] 彭立海，阎士勤.大体积混凝土温控与防裂[M].北京：黄河水利出版设，2005.

[3] 粉煤灰混凝土应用技术规范：GBJ 146—90[S].北京：中国计划出版社，1991.

[4] 刘艳君，岳子笑.不同模板类型对混凝土强度的影响及机理分析[J].北方建筑，2022，7（6）：16-20.

[5] 张玮.铁路斜交框架桥混凝土裂缝成因及控制[J].四川建筑，2009，29（1）：203-204.

[6] 汪子博.下穿铁路箱涵砼裂缝产生的原因及预防措施[J].四川水泥，2015（1）：215.

[7] 鹿子鸣.超长大体积混凝土温度效应及施工方法研究[D].天津：天津大学，2022.

[8] 孙龙.满堂支架施工技术在框架桥施工中的应用研究[J].工程建设与设计，2023（21）：169-171.

[9] 乔瑜.不同计算方法下的框架桥配筋差异性分析[J].大众标准化，2023（4）：184-186.