異形傘狀清水混凝土柱模板體系設(shè)計與施工技術(shù)

劉曲平

（上海建工集團股份有限公司，上海 200080）

1 工程背景

景德鎮(zhèn)某劇院工程清水混凝土連廊采用傘狀清水混凝土柱作為支撐，底部為高度7m、直徑650mm的圓柱，頂部為高度2m、下窄上寬（底部直徑650mm、頂部直徑4800mm）的傘狀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 清水混凝土連廊效果圖

本工程造型別致，需達到飾面清水混凝土表觀質(zhì)量要求，其模板設(shè)計技術(shù)難度大，施工精度要求高，混凝土成型工藝復(fù)雜。清水混凝土外觀主要受模板系統(tǒng)、施工措施和混凝土材料三個方面的影響。重點難點在于模板支撐體系設(shè)計、弧形曲面成型、模板接縫嚴密平順、混凝土配合比設(shè)計與澆搗養(yǎng)護措施等。

2 清水混凝土異形柱模板體系設(shè)計

在模板選型上，傳統(tǒng)膠合板加工很難達到異形柱所需的形態(tài)精度要求，異形混凝土柱頂部傘狀區(qū)域混凝土方量較大，常規(guī)木模板體系的抗側(cè)剛度較低，且無有效加固方法，易產(chǎn)生爆模等問題，無法滿足清水混凝土表觀質(zhì)量要求；此外，木模板體系現(xiàn)場加工作業(yè)多、板面拼縫多，混凝土表面感觀質(zhì)量控制難度大。故本工程異形清水混凝土圓柱采用組合定型鋼模板體系，對其模板支撐體系進行了選型分析計算，并對模板加工制作和拼裝提出質(zhì)量控制要點。

2.1 模板支撐體系計算分析

異形傘狀清水混凝土柱模板設(shè)計如圖2所示。模板本體由兩組相同的半模組成，兩組半模用M16螺栓連接，其間配有定位銷軸以保證裝配時的位置精確。為便于制作與運輸，每組模板由上下兩部分組成，兩部分間同樣用M16螺栓連接，并用定位銷軸定位。鋼模板面板選用3mm厚304不銹鋼板，龍骨、法蘭均采用12mm厚Q235鋼板制作；傘狀上部支撐采用φ159*6無縫鋼管，并設(shè)φ14鋼絲繩攬風(fēng)；柱子支撐采用100*8扁鋼加法蘭螺絲垂直固定；底板與模板本體焊接到一起，底板采用20mm厚圓形鋼板，在制作獨立基礎(chǔ)時預(yù)埋M30螺母，用M30螺栓將底板與獨立基礎(chǔ)連接固定。

圖2 組合定型鋼模板設(shè)計圖

采用MIDAS GENS有限元計算軟件對組合定型鋼模板進行計算分析，驗證模板側(cè)向變形能否滿足清水混凝土平整度要求，同時驗證傘狀部分豎向撐桿能否滿足穩(wěn)定性要求。

2.1.1 計算模型

計算模型如圖3所示，為取得較精確的變形計算結(jié)果，對于模板面板采用考慮剪切變形的厚板單元建模，背楞采用梁單元建模，斜撐采用桁架單元建模。對于混凝土施加于模板體系的荷載確定如下：

圖3 組合定型鋼模板計算模型圖

作用于模板的荷載，根據(jù)GB 50204-2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》[1]：

式中:γc=24kN/m3（混凝土重力密度）；

t0=10小時（新澆筑混凝土初凝時間）；

β1=1.2（外加劑影響系數(shù)）；

β2=1.15（坍落度影響系數(shù)）；

ν=1.5m/h（混凝土澆筑速度）。

式中，H為混凝土側(cè)壓力計算位置處到新澆筑頂面的總高度。

不同高度位置模板結(jié)構(gòu)所受混凝土荷載選取：

2.1.2 計算結(jié)果

2.1.2.1 模板面板

1）位移

模板面板位移變形計算結(jié)果如圖4所示。由圖4（a）可見，傘部模板面板最大水平位移為0.34mm，位于豎向背楞斜撐支撐處；由圖4（b）可見，傘部模板面板最大豎向位移為1.83mm，位于豎向背楞支撐邊部懸挑處；由圖4（c）、（d）可見，圓柱模板面板最大水平位移僅為0.025mm，位于圓柱底端部以上位置，最大豎向位移為0.59mm，位于頂部承受上部傘狀部分傳遞下來的混凝土重力荷載。最大位移變形為1.83mm，滿足JGJ169-2009《清水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[2]中規(guī)定的飾面清水混凝土平整度允許偏差（2mm）要求。

圖4 模板面板位移計算結(jié)果

2）應(yīng)力

模板面板應(yīng)力計算結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，模板面板最大應(yīng)力為22.0MPa，小于304 不銹鋼設(shè)計強度205MPa，滿足材料強度要求。

圖5 模板面板應(yīng)力計算結(jié)果

2.1.2.2 模板背楞

1）位移

模板面板位移變形計算結(jié)果如圖6所示。由圖6（a）可見，傘部模板面板最大水平位移為0.34mm，位于豎向背楞斜撐支撐處；由圖6（b）可見，傘部模板面板最大豎向位移為1.83mm，位于豎向背楞支撐邊部懸挑處。

圖6 模板背楞位移計算結(jié)果

2）應(yīng)力

模板背楞應(yīng)力計算結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，背楞最大應(yīng)力為85.82MPa，小于Q235 鋼材設(shè)計強度215MPa，滿足材料強度要求。

圖7 模板背楞應(yīng)力計算結(jié)果

2.1.2.3 斜向支撐

模板斜撐內(nèi)力計算結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，斜撐最大內(nèi)力為15.21kN。根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》[3]，對斜撐受壓穩(wěn)定性驗算如下：

圖8 模板斜撐內(nèi)力計算結(jié)果

N/φAf≤1

式中:

N為斜撐所受軸心壓力，取為15.21kN；

A為斜撐截面積，取為2884mm2；

f為材料設(shè)計強度，取為215N/mm2；

φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)長細比(λ=l0/i=159)查表得φ=0.279。

故N/φAf=15210/0.279×2884×215=0.09≤1，滿足穩(wěn)定性要求。

2.2 模板加工與拼裝精度控制

1）面板、背楞、法蘭由電腦放樣后輸入激光機（大族激光G4020F切割機）進行激光切割下料，下料后開始預(yù)拼裝。

2）先在工作平臺上進行放樣，設(shè)置好夾具后再開始拼裝。進行龍骨點焊固定，龍骨固定完成后開始拼裝內(nèi)膽。雙弧形內(nèi)膽需兩次工藝流程，先在特制模具上進行壓制，需多次壓制以保證弧面沒有棱角，完成一個R=2414圓弧的單弧面板。檢查尺寸符合要求后，進行第二流程傘形曲面壓制，壓制需在特制曲面的三芯卷板機上反復(fù)進行，完成一個上口下口內(nèi)徑符合尺寸的雙曲面?zhèn)阈伟澹鶕?jù)雙曲面板工件編號拼裝成一個雙曲面喇叭口，點焊固定后開始焊接，測量檢測后打磨完成。其中，喇叭口加工采用若干塊板材進行編號后壓制成型，而后拼接而成。制作工藝比較復(fù)雜，制作時需隨時檢測，確保弧線的順暢。模塊拼裝時需用φ12mm定位銷定位后緊固螺絲，確保模具內(nèi)膽不錯位。

2.3 模板施工流程與控制要點

2.3.1 模板施工流程

0.00m～7.00m底部圓柱鋼筋綁扎→底部定型鋼模板拼裝→校正復(fù)核→設(shè)置第一道支撐→7.00m～9.00m異形柱傘狀頂部鋼筋綁扎→頂部定型鋼模板拼裝→校正復(fù)核→設(shè)置第二道支撐拆模→混凝土澆筑→涂刷養(yǎng)護液→調(diào)色、保護劑等施工→成品保護。

2.3.2 施工控制要點

1）模板吊點設(shè)置：在模板本體上部設(shè)置吊點，吊點應(yīng)無限接近每組本體中心，避免起吊時擺動，其余部件采用吊帶吊裝即可。

2）模板拼裝：現(xiàn)場拼裝前，先將兩個模板本體下半部分組裝到一起，然后立到獨立基礎(chǔ)上，并做好支撐。搭設(shè)鋼管外架平臺并做好護欄后，用汽車吊逐個吊裝傘狀部分板塊單元，并做好支撐，最后將兩組半模連接固定。鋼模拼裝螺絲不松動、缺少，以增強模板的整體剛度。

3）支撐系統(tǒng)：支撐系統(tǒng)支承在現(xiàn)澆混凝土平臺基面，確保不下沉、穩(wěn)定。按模板設(shè)計分析結(jié)果布置支撐系統(tǒng)。

4）內(nèi)壁處理：模板拼裝前，先在模板內(nèi)壁均勻涂抹脫模劑，脫模劑采用易脫模、不污染混凝土表面、不腐蝕模板的LBT-2061水性乳化型氟素脫模劑，有利于提高混凝土外觀質(zhì)量。新模具一模不放料，距離10～15cm以井字型噴涂2～3次，再烘烤，之后從二模再放料。

5）縫隙處理：模具拼裝后，在接縫不平整或有間隙處使用石膏膩子刮平，以確保清水混凝土澆筑完成后無明縫。

3 清水混凝土施工技術(shù)

3.1 清水混凝土配合比設(shè)計

據(jù)研究成果[4]，清水混凝土配合比設(shè)計中膠凝材料含量不宜低于370kg/m3，水膠比不宜小于0.4，砂石級配宜采用粗砂與細砂1:1混合，坍落度應(yīng)控制在200±20mm，且坍落度經(jīng)時損失應(yīng)控制不大于20mm/60min，可有效降低混凝土內(nèi)氣泡直徑與數(shù)量，且具備良好的流動性與和易性。

采用當?shù)鼗炷猎牧线M行多組配合比比較試驗（見表1），觀察測定混凝土試塊氣泡溢出情況、均勻性、表觀質(zhì)量、流動性、和易性，以確定清水混凝土設(shè)計配合比[5]。

表1 混凝土配合比設(shè)計試驗結(jié)果

由結(jié)果可知，水膠比為0.46時混凝土表觀質(zhì)量較好，且膠凝材料質(zhì)量偏小時，拌合物坍落度過大，粘聚性不良，易造成離析，而膠凝材料質(zhì)量偏大時，拌合物坍落度降低，流動性偏小，不利于澆筑振搗。膠凝材料質(zhì)量控制在410kg/m3，坍落度控制在210±10mm為宜。

由以上分析確定混凝土配合比，如表2所示。

表2 清水混凝土配合比設(shè)計結(jié)果

3.2 清水混凝土澆搗與養(yǎng)護技術(shù)

3.2.1 混凝土的預(yù)拌

1）清水混凝土的制備材料需嚴格根據(jù)已確定的試配比進行制備。嚴格執(zhí)行同一配合比，保證原材料不變（同產(chǎn)地、同規(guī)格、主要性能指標接近），控制膠凝材料用量（410kg），水膠比不變（0.46±0.3）。

2）拌制清水混凝土前，采用浸水預(yù)濕的輕骨料，以控制清水混凝土呈飽和面干狀態(tài)。

3）控制好混凝土攪拌時間，本工程混凝土攪拌時間比普通混凝土延長30s。

4）根據(jù)氣溫條件、運輸時間、砂石含水率變化、混凝土坍落度損失等，及時適當?shù)貙υ浜媳龋ㄋz比）進行微調(diào)，確保混凝土澆筑時的坍落度滿足施工質(zhì)量要求。

3.2.2 混凝土澆搗技術(shù)要求

1）入模溫度：入模溫度需控制低于30℃，避開高溫時段澆筑混凝土。

2）采用長軸式插入式振搗器振搗，澆搗異形柱混凝土?xí)r振搗人員一用一備。

3）澆筑過程嚴格控制下料的高度，下料口至混凝土嚴格控制在50cm以內(nèi)，防止?jié)仓w濺起的灰漿對未灌注部位模板面造成污染。

4）混凝土振點應(yīng)從中間開始向邊緣分布，且布棒均勻，遍布澆筑的各個部位，并隨澆筑連續(xù)進行；振搗棒的插入深度要大于澆筑層厚度，插入下層混凝土50～100mm，移動間距不宜大于振搗器作用半徑的1.5倍；每一振點的振動時間應(yīng)以混凝土表面不再下沉、無氣泡逸出為止，避免過振發(fā)生離析。

3.2.3 混凝土的養(yǎng)護與保護

圖9 清水混凝土表面缺陷修補

3.2.3.1 混凝土養(yǎng)護

在模板拆模完成后，混凝土表面灑水并采用塑料薄膜纏裹養(yǎng)護，保持構(gòu)件截面濕潤，清水混凝土養(yǎng)護時間不得少于10d。

3.2.3.2 面層保護

保護工藝流程：表面清理→噴混凝土增強劑→基層處理（修補）→底涂→勻色中涂→面涂。

1）清理：表面清理采用軟刷等不傷害混凝土表面的材料進行，使施工表面平滑、清潔、無雜物。

2）噴混凝土增強劑：采用BW101雙組份混凝土表面增強劑。將A組份原液加1倍（體積比）左右的清水稀釋并攪勻，噴灑1-2遍均勻作用于表面，待A組份干燥后施工B組份，B組份不稀釋，使用噴霧器均勻噴灑1-2遍。

3）修補：針對不同缺陷情況制定修補方法，如圖9所示。

4）底涂：采用滾筒方式由上往下滾涂一次耐候滲透型自交聯(lián)樹脂，固結(jié)增強基層，防止基層堿滲對涂層的侵濁和混凝土碳化。

5）勻色漆：勻色漆可調(diào)整顏色、裝飾性，提供勻色的表面，采用滾筒方式由上往下滾涂一次。

6）面涂：清水混凝土表面用滾筒方式由上往下滾涂US IIA亞光永凝液，形成薄膜網(wǎng)狀聚合碳密封材料，作為清水混凝土保護屏障。

4 結(jié)論

根據(jù)工程實際需求，本文對異形傘狀清水混凝土柱的模板體系進行了設(shè)計分析，并提出施工質(zhì)量控制要點。本文設(shè)計提出的組合鋼模板體系有效解決了異形傘狀混凝土結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量控制難題，避免了常規(guī)木模板做法存在的漲模、爆模等通病，且定型鋼模板一次制作成型可多次周轉(zhuǎn)利用，達到節(jié)約成本的目的，并縮短工期，有良好的工程應(yīng)用前景。