鋼木組合模板側壓力及表面溫度在薄壁空心墩柱施工過程中的變化分析

曹月貴，呂 爽，譚旭東，黃 煥，胡小磊

（1.中交四公局第九工程有限公司，北京 朝陽 100102；2.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870）

2020年是全面脫貧建成小康社會的關鍵一年，為提升山嶺重丘區GDP指數，一條條高速公路成為山嶺重丘區經濟發展的連接樞紐，一架架跨山大橋成為經濟貫通的主要連接線。復雜的地勢環境、惡劣的氣候導致山嶺重丘區常年晝夜溫差大，對建筑施工造成了很大的影響。在橋梁工程中，薄壁空心墩在滿足承載力的基礎上采用空心設計，因其減輕自重、節省材料、施工簡單快捷而成為山區橋梁工程的首選[1-2]。

1 工程概況

貴州江玉高速公路連接線工程全長11.8km，其中某段施工中，涉及橋梁墩柱12根，均為矩形薄壁空心墩。現場結合當地施工環境決定采用懸臂爬升模板結構進行高墩施工。16#墩柱等截面薄壁空心墩：墩身尺寸6.5 m×3 m，左福高50 m，右福高53 m（不含蓋梁高2 m），壁厚0.50 m，采用C40混凝土進行澆筑。坍落度188 mm、初凝時間6 h 5 min、終凝時間8 h 55 min、容重2 500 kg/m3，無緩凝劑。懸臂爬升模板采用新型鋼木組合模板，面板采用厚度18 mm維薩板；豎肋采用200 mm×80 mm木工字梁，最大間距300 mm；橫肋為雙14a槽鋼，最大間距1 350 mm；爬模結構為PJ200懸臂模板結構[3]。

2 現場測試方案

在確定薄壁空心墩的模板結構設計后，選擇“回”形墩斷面的1/4、墩柱澆筑標準段高4.5 m處作為測試研究對象。本文旨在研究混凝土澆筑、振搗、水化凝結等過程，薄壁空心墩柱鋼木組合模板所受混凝土側向壓力作用隨澆筑高度的變化情況及模板表面溫度變化與側壓力之間的關系。

2.1 測點布置

取橋墩墩柱截面的1/4部分作為試驗研究對象，采用智能弦式數碼土壓力盒測試混凝土對模板側壓力和外層混凝土溫度變化。

壓力盒在6.5 m×4.5 m模板面1/2、右側1/4處布設兩列，在3 m×4.5 m模板面上左側1/4、1/2處布設兩列，每列布設7個壓力盒，共28個測點，見第106頁表1、圖1。

圖1 壓力盒測點布置圖

表1 鋼木組合模板壓力盒位置 （m）

2.2 測試方案

混凝土澆筑伊始，直至混凝土初凝、終凝、水化基本穩定，對鋼木組合模板進行測試，取得模板受澆筑混凝土的側壓力變化、模板表面溫度變化和對拉螺桿應力、應變等的測試數據。

混凝土澆筑于2019年9月20日15：25開始，當日19：34結束，標準段澆筑共進行4 h 9 min，2019年9月21日07：04為測試完畢時間，測試共持續16 h。測試開始當地溫度約23～30℃，測試結束最高溫度近70℃，溫差最大達45℃，為大溫差情況[4-6]。

3 測試結果分析

為了準確分析鋼木組合模板在混凝土澆筑、振搗、水化施工過程中的混凝土側壓力及鋼木模板表面溫度變化情況，本文測試了正面、側面模板1/2、1/4不同高度側壓力、溫度隨時間的變化情況。對正面處壓力變化進行分析，變化曲線見圖2、圖3。

圖2 長邊模板1/2處側壓力變化

圖3 長邊模板1/2處溫度變化

從圖2可以看出，整個測試過程可分為3個階段，分別為混凝土澆筑階段（0～5 h）、混凝土沉實階段（5～8 h）、混凝土水化（凝結）階段（8～14 h）。

第一階段為混凝土澆筑階段——側壓力、溫度線性增大。混凝土澆筑共進行4 h 9 min，此階段測試5 h，即0.5～5.5 h。分析混凝土側壓力隨測試時間變化曲線可得：此過程中鋼木組合模板側壓力呈線性增加，主要因為新澆筑混凝土對模板產生的沖擊力使模板產生力的作用，隨著澆筑高度的增加，側壓力值呈線性增大，增速在1.2～7.2 kPa/h之間；分析鋼木模板表面溫度隨測試時間變化曲線可得：鋼木模板表面溫度在此過程中呈線性增大，增速在1～8℃/h之間，此階段側壓力最大值出現在長邊模板1/2處第二層（距離模板底面高度1.5 m處），最大壓力值可達0.043 MPa，此時對應的模板表面溫度變化量為12.1℃；根據侯新宇[4]提到的鋼模板在此過程中混凝土側壓力最大值可達0.009 MPa，溫度變化量為14.8℃，可以看出在此階段鋼木組合模板側壓力值、表面溫度均小于鋼模板對應值。

第二階段為混凝土沉實階段——側壓力不變、溫度緩慢增加。混凝土沉實階段在澆筑完成后約進行2 h，測試時間約2.5 h，即5.5～8 h。從側壓力和溫度變化圖可得：此階段混凝土側壓力值變化不大，基本不變；鋼木模板表面溫度呈緩慢上升階段，最大溫度出現在短邊模板1/4處，可達62.8℃，相比澆筑完成后（51.5℃）變化量為11.3℃。

第三階段為混凝土水化（凝固）階段——混凝土側壓力、溫度急劇上升階段。混凝土沉實結束，混凝土慢慢凝結，從澆筑時的“液態”經過初凝、終凝變成“固態”，共8～14 h。在此過程中混凝土水化反應會釋放出大量的熱量，產生溫度應力作用在面板上。從側壓力、溫度隨測試時間變化曲線可以看出，混凝土作用在鋼木模板上的壓力值隨著模板表面溫度急劇上升，側壓力值也快速增大，增速為1.5～8.2 kPa/h，相比澆筑階段側壓力增速明顯提升。此階段溫度增速也增大到2～10℃/h，相比前階段也有所提升。最大壓力值為0.007 6 MPa，相比沉實階段增大0.03 MPa，出現在有效壓頭附近[7-8]。

從圖2、圖3中可以看出，混凝土凝固完成后，混凝土側壓力值和鋼木模板表面溫度開始出現緩慢下降，這主要是因為混凝土水化放完熱量，溫度開始隨著外部環境溫度緩慢下降。從而可以得出，溫度是影響側壓力變化的重要因素。第107頁圖4為長邊模板1/2處第二層（距離模板下端1.5 m處）溫度增加引起壓力變化的規律擬合曲線圖。

圖4 溫度增加引起壓力變化的規律擬合

壓力變化最大值出現在長邊模板1/2第二層（距離模板下端1.5 m處），得到溫度（T）-壓力（Pt）變化曲線擬合公式Pt=0.002 8 T-0.075。分析擬合曲線可得：整個施工過程中鋼木模板側壓力一直隨溫度上升，尤其在水化階段，溫度更是影響側壓力變化的主要因素。鋼木模板內外溫差過大，導致壓力盒溫度驟然升高，壓力也突然增大，造成鋼木模板變形變大，導致施工安全性不穩定性增高。

4 結論

本文通過對薄壁空心墩混凝土澆筑過程中鋼木組合模板所受側壓力、表面溫度的測試結果分析，得出以下3點結論。

1）薄壁空心墩鋼木組合模板最大壓力值出現在長邊1/2距離模板下端1.5 m處，最大壓力值為0.076 MPa，是鋼木組合模板其余位置的112%～134%。說明鋼木組合模板在薄壁空心墩的施工過程中有效壓頭附近受力最大，且受力、變形均滿足規范要求，結構安全。

2）鋼木組合模板表面溫度變化影響側壓力變化，整個過程中模板表面溫度呈線性增加，得到溫度（T）-壓力（Pt）變化曲線擬合公式Pt=0.002 8 T-0.075。

3）為了避免混凝土結構整體性，建議不要選擇室外溫度較高時或者太陽直射薄壁空心墩柱模板時施工，避免模板內部產生巨大溫差效應，影響施工安全。