市政地下环路低矮结构XPS支撑板施工技术研究

摘 要：本文提出采用XPS材料作为支撑，抗受混凝土结构浇筑等上部荷载的技术方法，根据试验数据对比荷载-变形曲线，以探索XPS板材各因素对支撑受力的影响。结果表明：在7组试件中，随着XPS板材厚度增加，对整体界面黏结性能、稳定性能均有提高，60°的连接角度对工程施工最为有利。在评估XPS支撑体系的受载耗能过程中，发现选用厚度较大的XPS板有助于保证体系整体的稳定性，本文研究结论可以对地下环路中低矮夹层建筑的支撑施工提供应用基础。

关键词：XPS板材；支撑体系；市政地下环路；低矮混凝土结构

中图分类号：TU 761 " 文献标志码：A

随着我国城市的发展，立体式交通组织模式的市政地下道路工程的建设项目越来越多。在市政交通工程基础设施快速发展的同时，功能多元化、复杂化的结构也给施工带来了新挑战，在重要的施工过程中存在低矮夹层结构施工的问题，而低矮夹层结构支撑体系作业效率低、难度高、危险性大[1]。针对此问题，结合现有施工经验和施工技术，采用技术攻关，积极探索新的材料及其应用方法。

1 技术背景分析

XPS板材作为一种建筑节能的主要材料，多用于建筑外墙保温及隔热。与传统的EPS材料、PU材料等相比，通过挤塑式聚苯烯将XPS合成一种板材，其工程价值更全面[2]，内部极其稳定的分子结构和较扁平的尺寸优势可以在相对低矮的结构空间中发挥特定价值，与传统的支撑架体的设计思路相比，使用XPS板材能够克服支撑无法在有限的低矮空间中架设的困难，例如在建筑夹层结构中施工[3]。XPS板轻便，拆剪方便。因此，运用工况较多，需要对支撑体系进行研究。

2 XPS板界面黏结性能研究

2.1 XPS板设计与制作

为研究XPS板作为支撑材料的整体界面的黏结性，须对其进行定制化生产，按照图1的方式生产XPS板材样品，并进行试验，其详细的性能参数见表3。同时考虑试验方便和计算便捷，用作支撑的XPS板高（厚度）为0.4～0.8m，在一个平面上累接3块板材，每层之间用胶结材料连接，其材料力学性能[4]见表1和表2。

为了反映整体的黏结性能，考虑制作7种工况来说明XPS板的界面黏结度。由于支撑体系上需要绑扎钢筋，因此设置传递受力路径的X和Y两个不同方向，设定基础垫层的不同厚度、连接角度以及不同厚度XPS板，考虑设置两组对照组，即设置XPS板材之间的胶结材料连接和不设置XPS板材之间的胶结材料连接两组。最终得到7组试验组，具体数据见表4。

2.2 试验加载方法

考察其黏结性能，须采用单向挤压逐渐加压的方式进行剪切试验[5]。为防止单向挤压力过大造成应力集中破坏XPS板材的情况，当试验时需要在XPS试验组试块上放置钢片垫块，以消散压力，使试块均匀受压，垫块尺寸为150mm×50mm×20mm。压力机设有力传感器，记录施加压力具体值，试验仪器选用GH-20龙门压力机，加载过程使用位移进行控制，将速度控制为0.2mm/min，为便于读数，在三层XPS板交界的两处分别放置两个位移计，量程均为100mm，再将位移计读数与dh3816程控动态数据采集仪连接，方便准确采集试验数据，将数据采集频率设置为0.25Hz。

2.3 试验结果分析

对承载能力以及破坏模式进行分析，可用临界面抗剪强度公式[6]计算抗剪强度。计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中：τm为临界面的抗剪强度，MPa；P为试验的极限挤压力，kN；A为黏结界面的面积，mm2。利用公式（1）对7组试验进行单向挤压剪切试验，整理采集数据见表5。

表中数据为7组试验组试验实时结果输出，通过数据显示以及具体破坏形式可以分别对其进行分析。在考虑400mm、500mm、600mm、700mm和800mm的5种XPS板厚情况下，试验结果显示，随着板厚增加，其抗剪强度也增加。在有无设置胶结材料情况下，相对滑移差异极大，表明胶结材料在竖向承载过程中，具有足够的抗剪切强度抵抗XPS板材支撑体系，其界面黏结度较高。此外，考察了X向和Y向两个不同方向的力学变化特性，随着加载的变化，板厚的变化不会受到加载干扰。

2.4 荷载-变形分析

分别对上述试验组进行不同要素变化情况下的荷载-变形曲线作分析。图2为垫层厚度为50mm、60mm的两种不同情况下的XPS板材的荷载-变形曲线。将数据进行对比发现：基础垫层厚度与峰值荷载之间存在正相关关系。两条曲线基本变化趋势均为先上升后下降的变化状态，但峰值荷载差异较大，在实际施工过程中应当考虑将垫层适当加厚，有利于最大化XPS板材支撑受力时的受载变形。

图3为5种厚度的XPS板材荷载-变形曲线。对400mm、500mm、600mm、700mm和800mm这5种厚度进行分析，由图3可知，随着厚度增加，整体荷载-变形曲线趋势在前段更为陡峭，而后逐渐拉平。荷载最大在12kN，变形存在一定的平台效应，即承载不变，变形继续增加，连续变形均为3mm左右。在实际施工中，该变形绝对安全可靠，可忽略不计。同时说明将XPS板材用作支撑材料具有优势，与传统钢管、盘扣等支撑体系不同，其黏结滑移性能稳健。是工程上作为支撑材料的一项安全可靠的工具。

图4对比了是否设置胶结材料对XPS板材试件受力后的变形响应。在不设置胶结材料工况下，整体能够抗受的荷载值非常小，仅能承受5kN内的荷载。当胶结角度为30°时，其荷载-变形曲线整体较短，相对位移在5mm左右，而峰值荷载在9kN左右。相关关系大体符合先线性上升，而后线性下降的趋势。当交接角度在60°时，其荷载-变形范围相对更大，整体曲线也呈现非线性变化，峰值荷载在14kN左右，并且存在一个变形台阶。在胶结角度最为严苛，在粘接效果最显著的90°的情况下，荷载与变形反复变化，出现多次波峰与多次波谷的情形，因此，应当优先考虑60°的胶结角度是工程支撑受载的材料理想变形角度。

3 XPS板稳定性能研究

将XPS板材用作支撑材料，需要对其耗能性进行分析，以确定在受荷后能量转换的情况，从而确定材料自身的稳定性能。借助前述试验工况，在材料受力达到峰值后，可以通过韧性反映耗能的度量指标，基于Kanda等人[7]提出的耗能理论，引入韧性指数来刻画XPS板材在支撑受力过程中的耗能表现。如公式（2）所示。

（2）

式中：Tl为韧性指数；Epost为XPS板材在峰值荷载时对应的能量值，kN·mm，该能量度量即为上述荷载-位移曲线中对应变形所在的包络面积，表征为荷载在某段位移区间上的定积分。δpeak为极限荷载所对应的相对滑移量，试验中取前后两端位移的平均值，mm；Ppeak为极限荷载值，kN。利用韧性指数公式，计算7组试验组的耗能值，数据见表6。

由表6可知，XPS板材中耗能韧性指数最高为第七组试块XPS（800），该组XPS板厚为800mm，采用该尺寸的XPS板材其耗能指数是XPS（400）的4倍。这表明在实际工程支撑中，随着上部荷载的逐渐增加，XPS板的稳定性能会发生改变，板材相对较厚的韧性指数高，即受力后表现出的稳定性更好。同时，在板材厚度相同的情况下，X向与Y向的耗能韧性指数也不相同，对低矮空间受力来说，需要优先考虑在韧性指数较大的方向上进行现浇混凝土施工，这样能够利用其足够的韧性达到抗失稳、支撑效果。但不同连接角度的耗能情况区域一致，没有显著差异，说明胶结材料的连接角度对XPS板材受荷后的耗能并无影响。

4 施工案例技术应用

在西安西咸新区空港新城T5站前商务区市政基础设施项目地下环路工程中，存在部分夹层结构的低矮空间结构，在工程施工中，通过利用XPS材料的轻质高强特性，代替钢管、盘扣支架作为临时支撑浇筑混凝土结构，进行工程实践。

本文采用的XPS板材尺寸为标准单元尺寸为1200mm×

600mm×100mm，腋角异形块3种，分别为900mm×600mm×

100mm，600mm×600mm×100mm，300mm×600mm×100mm。砂垫层粗砂20m³。使用效果显著，为地下环路施工降低了成本，提高了管理效率，缩短了建设工期。最终完工后没有出现支撑稳定性问题，同时没有出现结构变形或其他安全隐患，经测算，使用XPS板材共节省成本约3.7万元。整个地下环路工程共节省成本约60万元。

5 结论

XPS材料是重要的工程建筑材料，在地下环路施工中可用于支撑低矮空间结构，其界面黏结性能、整体稳定性能优越，与传统钢管、盘扣支架相比，效果更轻便、安全、环保和耐久，本文通过7组试验论证了其实际力学性能，并对比得到有利于地下环路工程低矮空间的支撑施工技术要点，在实际施工实践中，应特别考虑其材料特性并加以应用，从而为工程节约成本和提高施工效率。

参考文献

[1]李雨珊，尹世平，徐世烺，等.ECC–XPS夹心复合墙板界面黏结性能试验[J].工程科学与技术，2023，55（1）：232-242.

[2]李传秀，尹世平，赵俊伶.纤维编织网增强ECC的拉伸和弯曲性能[J].建筑材料学报，2021，24（4）：736-741.

[3]杨虎，易俊，田耿东，等.常用有机保温材料在建筑中的应用及性能分析[J].节能，2020，39（5）：18-21.

[4]蒋庆，何昶蓉，种迅，等.十字形截面玻璃纤维复材拉结件预制混凝土夹芯保温外墙板受弯性能研究[J].工业建筑，2018，48（10）：110-114.

[5]许贺.环保阻燃聚苯乙烯的制备表征及其在XPS板材中的应用[D].北京：北京化工大学，2018.

[6]沈娇，李德英，介鹏飞.XPS板的性能分析及应用研究[J].节能，2009，28（8）：13-15.

[7] KANDA T，LI V C.Interface property and apparent strength of high-strength hydrophilic fiber in cement matrix[J].Journal of Materials

in Civil Engineering，1998，10（1）：5-13.