大體積混凝土澆筑下新型盤扣式支撐架體的受力特性分析

□文/李 樂(lè) 吳天凱 王 海

大體積混凝土澆筑下新型盤扣式支撐架體的受力特性分析

□文/李 樂(lè) 吳天凱 王 海

文章以天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建配套交通中心工程土建第三標(biāo)段為工程背景，在頂板施工時(shí)采用了新型盤扣式支撐架體，同時(shí)在架體上布設(shè)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在上部大體積混凝土澆筑時(shí)對(duì)新型盤扣式架體的應(yīng)變情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并依據(jù)上部計(jì)算荷載對(duì)架體進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，確保大體積混凝土澆筑下的高支模架體安全。后期對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)盤扣式架體的應(yīng)變反應(yīng)特性和上部混凝土的澆筑工況較好的吻合，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了整個(gè)架體的應(yīng)力峰值及關(guān)鍵點(diǎn)部位。

大體積混凝土；盤扣；支撐；架體

1 工程概況

天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建配套機(jī)場(chǎng)交通中心工程第3合同段由地鐵2號(hào)線機(jī)場(chǎng)站、京津城際鐵路機(jī)場(chǎng)站、地下停車場(chǎng)、換乘通道與正在運(yùn)營(yíng)的T1航站樓連接通道工程以及和T2航站樓連接的集散大廳工程組成。即建筑軸線12軸東側(cè)變形縫至27軸東側(cè)變形縫中間部分，建筑面積25 500 m2，基坑最深約 24 m，長(zhǎng) 146.1 m，為地下2層混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用樁筏板基礎(chǔ)，豎向結(jié)構(gòu)為鋼管柱及混凝土側(cè)墻，橫向結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土梁板，基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)為1 200 mm厚地下連續(xù)墻。

整個(gè)工程車站部分（3區(qū)）采用蓋挖逆做施工工藝，其中結(jié)構(gòu)頂板采用超挖正做方案，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)和中間樁柱施工完畢之后先開挖基坑6 m，澆筑混凝土墊層后搭設(shè)4 m承插型盤銷式鋼管支撐架體，支設(shè)模板并綁扎鋼筋后開始澆筑頂板混凝土。3區(qū)蓋挖板面積12 200 m2，板厚1 m，局部有腋角，梁的尺寸有1 800 mm×2 800 mm、2 600 mm×2 200 mm、2 600 mm×2 800 mm等，頂板混凝土采用C45P10，梁截面為上翻300 mm，主梁下翻1 500 mm。

2 支撐架體設(shè)計(jì)

考慮到工期及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，頂板混凝土澆筑時(shí)采用承插型盤扣式架體作為高支模支撐體系[1]，架體搭設(shè)分單元進(jìn)行，每個(gè)單元有4根立桿、12根橫桿及8根斜桿組成，橫桿和斜拉桿與立桿兩兩相連，見圖1。此種架體與傳統(tǒng)碗扣式架體相比具有搭拆省時(shí)、用量節(jié)省、承載力高的特點(diǎn)，根據(jù)頂板設(shè)計(jì)參數(shù)及施工荷載，驗(yàn)算得出板下架體排列間距為1.5 m×1.5 m，梁斷面架體排列間距為0.9 m，順梁方向間距為1.2 m，盤扣式高支模架體搭設(shè)完成后見圖2。

圖1 承插型盤扣式架體搭設(shè)單元 圖2 高支模架體搭設(shè)

板底立桿為 Q345Bφ60 mm鋼管，立桿縱橫間距1 500 mm。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

3區(qū)結(jié)構(gòu)頂板板厚1 m，整個(gè)頂板面積為1.2萬(wàn)m2,計(jì)劃澆筑混凝土量1.6萬(wàn)m3，在混凝土澆筑時(shí)巨大的施工荷載將在短時(shí)間內(nèi)作用于此種架體上，為保證頂板混凝土的澆筑安全，在盤扣式高支模架體上安裝了監(jiān)控系統(tǒng)，在混凝土澆筑時(shí)對(duì)架體的應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的基于電信號(hào)的貼片式應(yīng)力應(yīng)變傳感器，貼片布設(shè)于高支模架體的立桿上。整個(gè)頂板通過(guò)施工縫和后澆帶劃為6大板塊分別澆筑，根據(jù)理論計(jì)算并結(jié)合高支模架體有限元建模分析結(jié)果，每個(gè)板塊架體的關(guān)鍵受力桿件基本位于梁、板跨中，再依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)架體實(shí)際搭設(shè)情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，每個(gè)板塊下架體選擇1～2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布設(shè)測(cè)點(diǎn)約16個(gè)，測(cè)點(diǎn)均選擇于板跨中、梁跨中立桿上。

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組建

整個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成[2]，在盤扣式高支模架體搭設(shè)完成之后開始布設(shè)傳感系統(tǒng)，先對(duì)選定的立桿測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行打磨、清洗處理，然后粘貼應(yīng)力應(yīng)變傳感器貼片并進(jìn)行保護(hù)[3]，為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能真實(shí)反應(yīng)桿件的軸向應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)打磨和貼片粘貼時(shí)必須沿著桿件軸線方向。采集系統(tǒng)為DH3815N靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，使用自屏蔽數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)線連接貼片和采集儀，最后組建成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試，見圖3。基于電信號(hào)傳感器在長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)信號(hào)衰減較大，因此現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)線布設(shè)時(shí)盡量選擇較短路線，考慮到晝夜較大的溫差容易引起溫漂從而造成采集數(shù)據(jù)失真，現(xiàn)場(chǎng)采用溫度補(bǔ)償片進(jìn)行補(bǔ)償[4～6]。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組建流程

3.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

根據(jù)頂板分塊施工進(jìn)度，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)分塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在每次混凝土澆筑前0.5 h啟動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，到本塊混凝土澆筑完成后3 h停止數(shù)據(jù)采集。設(shè)置數(shù)據(jù)自動(dòng)采集間隔為20 s，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

4 數(shù)據(jù)分析

從DH3815N靜態(tài)采集儀中導(dǎo)出數(shù)據(jù)并進(jìn)行整理，同時(shí)剔除采集數(shù)據(jù)中因儀器解調(diào)而產(chǎn)生的突變數(shù)據(jù)，最終得到6個(gè)板塊的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值。選擇6塊澆筑板塊的第2板塊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，第2板塊東西跨位于22～26軸之間，南北位于A～E軸之間，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布點(diǎn)見圖4，總計(jì)布設(shè)22個(gè)測(cè)點(diǎn)。板塊上的混凝土采用2臺(tái)地泵澆筑，澆筑方向如箭頭所示。

繪制混凝土澆筑過(guò)程中22個(gè)測(cè)點(diǎn)的軸向應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線，見圖5。

由圖5可以看出，整個(gè)混凝土澆筑過(guò)程持續(xù)約32 h，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的變化曲線以不同顏色、不同寬度的線條表示。從宏觀角度分析，整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中22條曲線先下降后上升緊接著又下降，是因頂板混凝土澆筑開始時(shí)間于18點(diǎn)，夜間環(huán)境溫度下降造成桿件和貼片傳感器收縮，從而引起溫漂現(xiàn)象，經(jīng)12 h后白天溫度回升，所有曲線又呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)，后又經(jīng)8 h溫度開始下降，再次產(chǎn)生溫漂現(xiàn)象，因秋季晝夜溫差較大，圖5中的溫漂現(xiàn)象比較明顯，特別是部分時(shí)刻受壓立桿桿件軸向應(yīng)變出現(xiàn)正值現(xiàn)象。

圖5中測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線大致分3組：受混凝土荷載影響最先反應(yīng)的B22～B16測(cè)點(diǎn)，緊接著出現(xiàn)應(yīng)變的B15～B8測(cè)點(diǎn)，最后出現(xiàn)反應(yīng)的B7～B1測(cè)點(diǎn)。所有22個(gè)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)軸向應(yīng)變的先后順序與混凝土澆筑方向完全吻合。

整個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在啟動(dòng)7 h后出現(xiàn)第1次監(jiān)測(cè)峰值，測(cè)點(diǎn)B22的應(yīng)變數(shù)值為-516.6，以同時(shí)刻未受施工荷載影響的測(cè)點(diǎn)B1應(yīng)變數(shù)值-103.1為基準(zhǔn)，剔除溫漂影響后測(cè)點(diǎn)B22的真實(shí)軸向應(yīng)變?yōu)?413.5。

第2次監(jiān)測(cè)峰值出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)12.5 h后，在測(cè)點(diǎn)B7處，軸向應(yīng)變-600.3，同樣以B1測(cè)點(diǎn)的-138.8值為溫度應(yīng)變值，剔除溫漂后測(cè)點(diǎn)B7的真實(shí)軸向應(yīng)變值為-461.5，本次監(jiān)測(cè)峰值不同于其他峰值，受施工機(jī)械及流態(tài)混凝土的作用，在整個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中所有峰值均出現(xiàn)在混凝土澆筑面附近，但本次測(cè)點(diǎn)B7卻遠(yuǎn)離澆筑面上。

第3次監(jiān)測(cè)峰值出現(xiàn)在系統(tǒng)啟動(dòng)25 h之后，在梁下測(cè)點(diǎn)B2處，因同季節(jié)相同時(shí)刻環(huán)境溫度基本持平，因此可以忽略溫漂的影響，軸向應(yīng)變數(shù)值為-682，此時(shí)澆筑面還未到此點(diǎn)，隨著澆筑平面的向前推進(jìn)，其應(yīng)變值繼續(xù)增大。

從圖5中單獨(dú)取出第1組測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制曲線，見圖6。可以看出在澆筑開始前一段時(shí)間內(nèi)，先是處于最北側(cè)一塊板內(nèi)的4個(gè)測(cè)點(diǎn)B22～B19開始變化，4 h后處于梁附近的B16～B18開始出現(xiàn)不同變化，但10 h后所有的曲線變化趨勢(shì)基本保持一致，這是因?yàn)榛炷翝仓K凝后各個(gè)測(cè)點(diǎn)的桿件應(yīng)變基本保持穩(wěn)定，然后應(yīng)變曲線只是隨著晝夜溫差漂移。

圖6 B22～B16測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變曲線

再單獨(dú)挑選測(cè)點(diǎn)繪制第2～3組軸向應(yīng)變曲線，見圖7和圖8。發(fā)現(xiàn)與第1組的變化規(guī)律基本相同。其中整個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中最大峰值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)B2處，即板塊南側(cè)縱梁下立桿，最大軸向應(yīng)變-756.5，此時(shí)整個(gè)板塊混凝土澆筑完畢且大部分已經(jīng)終凝和初凝，測(cè)點(diǎn)附近混凝土因剛澆筑完畢，未上強(qiáng)度無(wú)法完成自承作用，外加溫漂影響，因此出現(xiàn)最大峰值，此時(shí)已經(jīng)是凌晨2點(diǎn)，可以預(yù)測(cè)測(cè)點(diǎn)的峰值會(huì)繼續(xù)增大，然后隨著白天溫度上升又開始回落，最終在混凝土初凝后稍微降低。

圖7 B15～B8測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變曲線

圖8 B7～B1測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變曲線

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)架體的受力特性與上部混凝土的澆筑過(guò)程基本吻合：軸力應(yīng)變峰值基本出現(xiàn)在混凝土澆筑面附近，因板塊依靠縱梁劃分為幾個(gè)部分，分塊、分層澆筑，因此，測(cè)點(diǎn)曲線也根據(jù)測(cè)點(diǎn)部位分組變化，在澆筑8～12 h后因混凝土終凝上強(qiáng)度，測(cè)點(diǎn)的軸向應(yīng)變基本保持不變，只是隨著溫差做漂移。貼片式傳感器受溫差影響較大，甚至出現(xiàn)了軸向受壓桿件應(yīng)變值為正的現(xiàn)象，說(shuō)明溫度補(bǔ)償技術(shù)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。新型承插型盤銷式鋼管腳手架作為新技術(shù)在本工程中得到了成功的應(yīng)用，架體無(wú)論是在穩(wěn)定、操作難易程度、構(gòu)造靈活性等方面都體現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。

［1］皺 明，沈高傳.承插型盤扣式鋼管支架試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用實(shí)踐［A］.2009年全國(guó)建筑模板與腳手架專業(yè)委員會(huì)年會(huì)［C］.鄂爾多斯，2009.

［2］陳廣華，鞠 娜，楊 飛，等.基于粘貼式應(yīng)變傳感器的車輛超載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，（4）：34-39.

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［4］徐景波.應(yīng)變式負(fù)荷傳感器額定輸出溫度影響補(bǔ)償方法［J］.傳感器技術(shù)，2002，（4）：45-46.

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［6］陳得民.應(yīng)變傳感器的穩(wěn)定性［J］.上海計(jì)量測(cè)試，2012，（3）：37-39.

□吳天凱、王 海/中國(guó)建筑第八工程局有限公司天津分公司。

TU731.2

C

1008-3197（2013）05-14-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.05.005

2012-11-21

李 樂(lè)/男，1985年出生，工程師，中國(guó)建筑第八工程局有限公司天津分公司，從事工程技術(shù)管理工作。