玻璃鋼模板在圓柱施工應用中的探討

扶曉林

(中交三航局第二工程有限公司 上海200122)

玻璃鋼模板在圓柱施工應用中的探討

扶曉林

(中交三航局第二工程有限公司 上海200122)

傳統的圓柱定型鋼模和木模板拼縫多、造價高、自重大、耗時長、人工移動安裝不方便，需要用垂直運輸輔助機器進行安裝。隨著工程建設的需要，急需一種能解決此類難題的新型模板，以加快工程進度、保證工程質量、降低工程造價。玻璃鋼模板是目前發展較好的一種新型模板，以世博工程，新加坡大士南一期、二期船塢為例，介紹了玻璃鋼模板在圓柱施工中的應用，闡述玻璃鋼模板的材料、設計、施工技術、應用與成效。

玻璃鋼模板 計算原理 設計與施工 效益比較

0 引 言

傳統的圓柱定型鋼模和模板拼縫多、造價高、自重大、耗時長、人工移動安裝不方便，需要用垂直運輸輔助機器進行安裝。隨著工程建設的需要，急需一種能解決此類困難的新型模板，以加快工程進度、保證工程質量、降低工程造價。

玻璃鋼模板以輕質高強、耐化學腐蝕、耐熱透光等優良特性著稱。本文以世博工程，新加坡大士南一期、二期船塢為例，介紹玻璃鋼模板在圓柱施工中的應用，闡述玻璃鋼模板的材料、設計、施工技術、應用與成效。

1 模板的發展

1.1 模板形式上的發展

在我國建筑行業中，模板形式從最初的木質模板和定型木模板開始，經歷了木模板→鋼模板→組合鋼模板→膠合板模板→鋼框膠合板→塑料平面模板→竹膠合板→中密度纖維板模板的轉化歷程。近十幾年來，玻璃鋼模板逐漸被許多建筑企業所采用。目前，玻璃鋼模板主要有玻璃鋼模殼和小曲率圓柱模板兩種主要應用形式。

1.2 模板材料上的發展

就模板材料而言，傳統的模板材料是木材，就地取材就地加工，后續發展了人造材料的模板、人造膠合板、鋼模板、鋼框模板、人造樹脂玻璃鋼模板。

1.3 玻璃鋼模板

1.3.1 玻璃鋼材料的特點

玻璃鋼，俗稱玻璃纖維增強塑料，或者纖維強化塑料，是以玻璃纖維或其制品(玻璃布、帶、氈、紗)作增強材料，以合成樹脂作基體材料的一種復合材料。由于其強度相當于鋼材，又含有玻璃組分，同時具有玻璃的色澤、形體、耐腐蝕、電絕緣、隔熱等性能，故得名“玻璃鋼”。其特點如下：

1.3.1.1 輕質高強

玻璃鋼模板是一種輕質材料，其密度在1.5～2.0,g/cm3之間，只有碳素鋼的1/4～1/5，但其拉伸強度卻接近，甚至超過碳素鋼。部分高強環氧玻璃鋼的拉伸強度、完全強度和壓縮強度均能達到400,MPa以上。

1.3.1.2 耐腐蝕性能

具有良好的耐腐蝕性能，對大氣、水和一般濃度的鹽、酸堿及多種油類和溶劑都有較好的抵抗能力。

1.3.1.3 減振性、抗疲勞性能好

玻璃鋼模板基體界面吸震能力、減振性好。其破壞程度是逐漸發展的，破壞前有明顯征兆。

1.3.1.4 熱性能良好

玻璃鋼的熱導率低，只有金屬的1/100～1/1,000，是優良的絕熱材料。

1.3.1.5 設計性、工藝性好

由樹脂和纖維等增強材料按照一定比例調和，采用合適的鋪設方法加工而成。其成型工藝簡單，可根據產品的形狀、技術要求、用途等選擇成型工藝。

1.3.2 玻璃鋼模板的特點

1.3.2.1 平整度高、接縫少

玻璃鋼模板可以一次性滿足圓柱施工要求，僅在豎向有一道拼接縫，與混凝土不易粘結，澆筑出來的混凝土無橫向接縫，圓度準確，表面光滑平整，垂直誤差小。

1.3.2.2 簡易支撐

模板只需要在接口處用角鋼、螺栓固定好，以鋼絲纜繩一端拉住圓柱的頂部，一端固定在已經澆筑好的底板上，即可保證圓柱的垂直度。

1.3.2.3 施工方便、周轉次數多

玻璃鋼模板安裝和拆除都比較方便，按照圓柱設計高度裁剪模板，一次性封模，可顯著提高工效。模板拆除后的清理和維護相對方便，其耐磨性好，模板可重復使用。

1.4 玻璃鋼模板的發展趨勢

模板作為混凝土工程的模具材料，其性能直接影響工程的質量和造價。傳統意義上的木模板、鋼模板、鋼框模板在不同程度上都存在缺陷，使得傳統模板的應用和發展都在一定程度上受到了限制。玻璃鋼模板是目前發展較好的一種新型模板，構造合理、平整度高、剛度大、安拆方便，澆筑好的混凝土外觀質量好。但玻璃鋼模板屬于新型模板材料，目前尚用在模殼和小曲率圓柱中，其施工工藝、技術、控制要點還需進一步探索。

2 玻璃鋼模板的力學特性

2.1 原材料及特性

2.1.1 玻璃纖維及其特性

玻璃纖維是玻璃鋼的增強材料，其性能的好壞對玻璃鋼制品的影響很大，根據堿金屬氧化物含量的多少分為無堿纖維和有堿纖維，其參數如表1所示：

表1 玻璃纖維的技術參數Tab.1 Technical parameters of glass fiber

2.1.2 樹脂及其特性

樹脂根據可溶性分為熱塑性和熱固性樹脂。樹脂作為玻璃鋼的基體材料，采用的是熱固性樹脂，其中以酚醛樹脂、環氧樹脂和不飽和樹脂為主。

2.1.2.1 酚醛樹脂

酚醛是首次人工合成的樹脂，由苯酚加甲醛在催化劑存在下經過縮合而成，大量用于玻璃鋼復合材料方面。

2.1.2.2 環氧樹脂

環氧樹脂是含有兩個或者多個環氧基團的樹脂的統稱，其固化后具有優良的耐化學穩定性，如耐堿性、耐酸性、機械強度高，其鑄件的機械性能如表2所示。

表2 環氧樹脂鑄體機械性能表Tab.2 Mechanical properties of epoxy resin casting

2.1.3 固化劑與促進劑

固化劑是樹脂固化的促進劑，其用量對固體影響極大，表3中的固化劑M是液態，容易分散，便于噴涂與混合，是目前玻璃鋼生產單位用得最多的一種固化劑。

表3 常用固化劑的主要性能Tab.3 Main properties of commonly used curing agents

2.2 玻璃鋼的力學特性

玻璃鋼具有以下幾個力學特性：抗拉強度、抗彎強度、沖擊試驗、硬度試驗，此處不展開敘述。玻璃鋼模板的設計、材料的選用和施工必須以充分準確的數據為前提。

3 玻璃鋼圓柱模板的設計

3.1 玻璃鋼圓柱模板的基本原理

玻璃鋼模板是以無堿玻璃纖維作骨架增強材料，不飽和聚酯樹脂作粘結材料，逐層粘裹而成，具有一定柔性的平板材料。采用玻璃鋼作圓柱模板有兩種狀態：自然存放時展開為平板狀態及其使用連接件的圓筒狀態。

3.1.1 基本原理

應用流體力學原理——同一深度處各點壓力相等，將具有一定柔性的玻璃鋼平板模板臌脹成圓形，由于等高(等深)度的各點各方向法向應力相等，自身都受力平衡，不需要復雜的外架做支撐體系，便可形成形狀準確的高精度圓柱體。

利用流體力學原理需要滿足兩個基本條件：

①玻璃鋼模板是具有合適韌性的薄壁質體，受內部液態壓力能夠脹成圓形；②混凝土在澆筑時呈流塑狀態，具有合適的坍落度，在振搗的作用下側壓力使不受約束的玻璃鋼模板脹成圓形。

3.1.2 設計計算原理

玻璃鋼模板的設計應滿足結構可靠度理論，即：

式中，S——結構荷載效應，R——結構抗力。

已知混凝土柱高為H，圓柱直徑為φ，采用平板玻璃模板，玻璃鋼的抗拉強度允許應力為σ，利用螺栓連接，螺栓個數假設為n，螺栓間距為l，最低一根螺栓距離柱底為l1，計算玻璃鋼模板厚度h。

3.1.2.1 荷載計算

根據規范，混凝土側向壓力F有兩種計算方式，取二者的較小值：

式中：1F——充分考慮混凝土澆筑速度及初凝對模板側壓力影響的最大側向壓應力值，2kN/m；F2——不考慮澆筑及混凝土初凝對模板側向壓力影響的最大側向壓應力值，2kN/m；cγ——混凝土的重度，——澆筑混凝土的初凝時間；h——可實測確定；T——混凝土的入模溫度，℃；V——混凝土澆筑速度，m/h；H——混凝土側壓力計算位置處至新澆筑混凝土頂面的總高度，m；1β——外加劑影響休整參數，不摻外加劑時取1.0，摻具有緩凝作用的外加劑取1.2；2β——混凝土坍落度影響修正參數，當坍落度小于30,mm時取0.85，50～90,mm時取1.0，110～150,mm時取1.15。

混凝土產生的荷載組合值(最低的1顆螺栓受力范圍)計算：

式中：Qγ——可變荷載分項系數，取Qγ＝1.4，對于大于傾倒混凝土產生的水平荷載，取的樓面均布可變荷載，——永久荷載分項系數，取Gγ=1.2，當永久荷載效應起控制作用時，Gγ=1.35。

3.1.2.2 每顆螺栓受環向拉力Fc計算

3.1.2.3 螺栓直徑D(mm)計算

3.2 玻璃鋼圓柱模板的設計

3.2.1 模板厚度

玻璃鋼模板的厚度應根據混凝土側壓力的大小，通過計算確定，根據玻璃鋼模板的設計計算原理、計算方法可計算出模板厚度范圍，如表4所示。

3.2.2 模板高度

模板的高度按照設計圖紙的高度進行選取，按照常規施工方法，在柱高4,m以下時，一次性成型澆筑；超過4 m時，根據現場實際情況進行分段澆筑，其分段高度宜控制在2.5～3,m左右。

3.2.3 模板直徑

由于模板在加工時存在加工誤差，宜控制在±2.5,mm，同時玻璃鋼模板具有一定的膨脹率，一般為0.6%,，結合表4數據，綜合考慮脫模后直徑誤差率為1‰。

表4 圓柱玻璃鋼模板厚度規格Tab.4 Cylindrical glass thickness specifications of steel formwork

3.2.4 模板封口位置角鋼設計

利用角鋼作為玻璃鋼圓柱模板的等邊材料，常用尺寸為L40× 4，由于角鋼為直角，直接封邊必定會產生縫隙，對接縫處的外觀質量不利。根據三角函數之間關系，可求得角鋼需要放大的夾角α(見圖1)。

圖1 角度放大計算簡圖Fig.1 Angle calculation diagram to enlarge

式中，α——角鋼需要放大的夾角，R——圓柱的半徑，mm。

玻璃鋼模板接口處連接及角鋼角度調整如圖2所示。

圖2 玻璃鋼模板接口處連接及角鋼角度調整示意圖Fig.2 Schematic of the connection and angle adjustment of the angle of FRP template interface

4 玻璃鋼模板的施工技術

4.1 玻璃鋼模板圓柱施工的流程

玻璃鋼模板施工工序主要有：圓柱鋼筋綁扎、玻璃鋼模板安裝、澆筑混凝土、玻璃鋼模板拆除、混凝土養護等，施工流程如圖3所示。

4.1.1 圓柱鋼筋綁扎

按照設計圖紙進行圓柱鋼筋的下料，并注意預留鋼筋的搭接長度(單面焊接、雙面焊接或者錨固搭接)，并按照設計圖紙進行鋼筋的綁扎，注意預留預埋件或者管道穿孔位置。

4.1.2 玻璃鋼模板安裝

按照設計圖紙圓柱的高度和直徑折算成平板玻璃鋼模板的長度和高度，如前所述，玻璃鋼模板在混凝土的充盈下會產生體積膨脹(經驗取值0.6%,)。所以裁剪的玻璃鋼模板的長度等于圓柱的高度，寬度等于圓柱的周長×99.4%,。同時，按照要求在廠里進行定型加工。用螺栓將模板閉合，利用垂線調整模板垂直度，并予以加固。

4.1.3 澆筑混凝土

取混凝土坍落度最大值，保證其混凝土的流動性。控制混凝土澆筑速度，并注意混凝土的振搗。

4.1.4 玻璃鋼模板的拆除

根據規范要求，待混凝土強度達到1,MPa以上便可進行模板拆除，拆除時注意模板封口處混凝土的保護，拆除完畢后隨即清理、修復、存放模板。

4.1.5 混凝土養護

拆模先修復缺陷，隨即進行保護保濕養護。

4.2 玻璃鋼模板圓柱施工的控制要點

4.2.1 圓柱鋼筋綁扎控制要點

①按照設計圖紙進行下料，注意鋼筋規格、型號、圖紙間距、搭接要求。②合理設置混凝土保護層墊塊，根據相關規范規定進行布置，圓柱高度超過4,m時，墊塊布置上、中、下3層；低于4,m時，墊塊布置兩層；墊塊形式可選擇砂漿墊塊或者定型塑料墊塊。③鋼筋綁扎嚴格按照設計尺寸進行，確保圓柱鋼筋直徑尺寸。根據圓柱高度情況設置構造骨架鋼筋，防止鋼筋移位。

圖3 玻璃鋼模板圓柱施工流程圖Fig.3 Cylindrical glass construction steel template flowchart

4.2.2 玻璃鋼模板安裝控制要點

①安裝前進行測量定位，標出十字線及纜風繩位置線；②模板清理、修復及涂刷脫模劑；③緊固封口段螺栓，逐個擰緊；④設置纜風繩，用花籃螺栓進行圓柱垂直度調節，固定模板。控制圓柱垂直度在規范允許范圍之內(見圖4、表5)。

圖4 模板垂直度調整示意圖Fig.4 Schematic of the template’s vertical adjustment

4.2.3 澆筑混凝土控制要點

①確保澆筑混凝土規格、等級符合設計要求；②控制混凝土的入模溫度及澆筑速度；③防止混凝土離析，圓柱高度超過3,m，必須將澆筑管深入到圓柱底部(一般離開地面50,mm)進行逐層澆筑，逐層振搗，必要時采取二次復振；④必須注意新老混凝土澆筑交界面處理措施，確保新老混凝土結合密實。

表5 允許偏差值Tab.5 The tolerance range

4.2.4 玻璃鋼模板的拆除控制要點

①注意閉合口部位螺栓、角鋼及模板的拆除；②模板拆除后及時清理、修復及保存；③周次數超過5次后，應對其模板表面涂刷環氧樹脂進行修復。

4.2.5 混凝土養護控制措施

①拆模后及時清理、修補；②立即進行保溫、保濕養護，保證養護時間。

5 玻璃鋼模板在圓柱施工建造中的應用

5.1 工程概況

5.1.1 實例1——上海世博會世博軸工程

本工程地下室結構采用半逆作或全逆作，有地下2層。地面層、地下1層板采用多跨有梁樓蓋形式，縱向軸線有梁，中間主通道跨度22,m，采用組合梁板結構，在地下1層板大開孔四周設置邊梁加強；底板為整體筏板。地面層標高為＋4.42,m(絕對標高)，地下1層標高為-1.08,m(-0.58,m)，地下2層標高為-6.8,m(-6.5,m)。根據設計施工圖紙，本標段共分劃為A、B兩個單元。其主要清水混凝土構件概況如下：

結構柱：主要為直徑φ1,200，部分為直徑φ1,500，結構柱主筋為φ32、φ40，混凝土標號為C40、C60。我標段－6.8,m結構部分柱子277根，-1.08,m(-0.58,m)結構部分柱子233根，共計10,710,m2。根據前述計算方法，得出圓柱直徑φ1,200的模板厚度采用3.5,mm的玻璃鋼模板；直徑φ1,500及以上采用4,mm厚的玻璃鋼模板。

5.1.2 實例2——新加坡大士南一期船塢1、2#水泵房

新加坡大士南一期船塢1、2#水泵房流道層有φ800、φ1,200、φ1,600，共計12根，高度在3.5～4.0,m不等的圓柱。

5.1.3 實例3——新加坡大士南二期船塢3、4#水泵房

新加坡大士南1期船塢3、4#水泵房流道層有φ800、φ1,200、φ1,600，共計12根，高度在3.5～4.0,m不等的圓柱。

5.2 具體施工情況(見圖5、6)

根據前面計算可知，玻璃鋼模板采用兩種厚度形式：3.5,mm和4,mm。

圖5 施工現場圖Fig.5 Photos of the construction site

圖6 玻璃鋼模板圓柱成品Fig.6 Finished steel cylindrical glass template

6 社會效益和經濟效益

6.1 資源、環境效益

玻璃鋼模板屬于新型建筑材料，是一種可再生資源，對資源的利用以及環境的保護都起著至關重要的作用。

6.2 顧客滿意度

玻璃鋼模板生產出來的成品混凝土構件，外觀色差均勻，表面無明顯斑紋、砂線、修補程度小，完全符合清水混凝土模板的要求。

6.3 經濟效益

6.3.1 原材料成本

就世博軸工程原材料成本共計需要10,710,2m的玻璃鋼(或者鋼模板)模板(按照10次周轉計算)。按照現行市場價格，鋼模板為450元/2m左右，需要49萬元；玻璃鋼模板為170元/2m，需要18萬元，計算可節約30萬元左右。

6.3.2 人工費

玻璃鋼模板的施工工期要比鋼模板節約3/4的工期，按照1根柱子4個人工計算，共計510根柱子，可節約人工1,530人，按照人工費160元/天/人計算的話，可節約人工費約24萬。

6.3.3 工期

世博地下空間工程，原計劃3.5個月結束，實際施工2個月，節約工期1.5個月。

6.4 展望未來

由于受玻璃鋼模板剛度小的限制，目前僅用在模殼和小曲率圓柱模施工中，還不足以替代鋼模板在方形柱或梁、板構件中使用。如果能大幅度提高玻璃鋼模板的剛度，相信未來在梁、板構件的施工中將會大幅度提升使用比例，為建筑施工節省更大的人力、物力和財力。■

［1］ GB50204—2002. 混凝土結構工程施工質量驗收規范[S].

［2］ 謝莉. 新型玻璃鋼蜂窩夾層結構模板研究[D]. 南京：南京工業大學，2004.

［3］ 王禹階，崔鵬. 玻璃鋼與復合材料的生產及應用[M].合肥：合肥工業大學出版社，2005.

［4］ 饒久平，曾欽志，謝擁群. 薄型硬質板作表板制新型混凝土模板的研究[J]. 林產工業，2001，28(3)：26-28.

［5］ 朱張慧. 廣東省韶關電力調度通信中心土建工程圓柱玻璃鋼模板的設計施工[J]. 科技咨詢，2007(7)：65-66.

Application of Glass Fiber Reinforced Plastic in Construction Based on Cylindrical Templates

FU Xiaolin

(No.2 Engineering Co.，Ltd．of CCCC Third Harbor Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200122，China)

Traditional cylindrical shaped steel and wood templates have the disadvantages of more patchwork，high cost，large dead load，time-consuming，inconvenient to install and move by manpower and require vertical transportation auxiliary machines for their installation．To solve these difficulties，a new template is required to speed up the progress to ensure project quality and reduce cost．This paper takes Expo project，Singapore Tuas South phase I & II docks as examples，to describe the application of FRP templates in cylinder construction and elaborate their materials，design，construction technology，application and effectiveness.

FRP template；calculation principle；design and construction；benefit comparison

TB21

A

1006-8945(2016)06-0054-06

2016-05-07