全圓模板臺(tái)車在自密實(shí)混凝土澆筑中上浮力的控制技術(shù)*

施 筍，姚韋靖

(1.北京住總市政道橋工程有限責(zé)任公司，北京 100028；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著我國工程建設(shè)速度加快，在隧道結(jié)構(gòu)和輸水隧洞結(jié)構(gòu)施工中，自密實(shí)混凝土結(jié)合模板臺(tái)車的應(yīng)用越來越廣泛。自密實(shí)混凝土在隧洞(道)結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)模板臺(tái)車一次澆筑成型的同時(shí)，由于模板臺(tái)車上浮引起臺(tái)車端頭封堵板偏位跑模、臺(tái)車結(jié)構(gòu)變形破壞、抗浮支撐變形、隧洞(道)澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)被拆除返工等問題，給施工造成極大困擾，因此，在自密實(shí)混凝土澆筑中，找出影響模板臺(tái)車上浮的關(guān)鍵，并形成關(guān)鍵技術(shù)是確保成型隧洞(道)結(jié)構(gòu)質(zhì)量和順利施工的關(guān)鍵。

目前對混凝土結(jié)合臺(tái)車的施工應(yīng)用研究較多，對控制模板臺(tái)車上浮的技術(shù)缺少研究且不完善。張俊英等在阿基米德定律基礎(chǔ)上分析臺(tái)車上浮力，總結(jié)關(guān)于浮力的相關(guān)理論公式。高淑嫻通過貼應(yīng)變片得出浮力與時(shí)間的關(guān)系曲線，并提出混凝土與模板間的黏附系數(shù)。王長春等提到現(xiàn)場實(shí)測浮力大小，但未闡述實(shí)測過程和方法。由此可見，目前主要集中于對模板臺(tái)車所受浮力大小的理論研究，對混凝土澆筑不同階段模板臺(tái)車抗浮力的變化和分布規(guī)律研究較少，對控制模板臺(tái)車上浮的研究針對性不強(qiáng)。北京市南水北調(diào)東干渠工程輸水隧洞長約44km，結(jié)構(gòu)內(nèi)凈空直徑4 600mm，結(jié)構(gòu)厚400mm，輸水隧洞采用全圓針梁模板臺(tái)車(以下簡稱“模板臺(tái)車”)自密實(shí)混凝土一次澆筑成型，施工倉位分別長12，7.5m，自密實(shí)混凝土澆筑方量累計(jì)達(dá)28萬m3，為避免由于模板臺(tái)車上浮影響輸水隧洞結(jié)構(gòu)，在已有研究基礎(chǔ)上，對模板臺(tái)車浮力變化進(jìn)行理論分析和現(xiàn)場測試，找出澆筑過程中臺(tái)車浮力變化規(guī)律，從而為控制模板臺(tái)車上浮提供依據(jù)，研究模板臺(tái)車抗浮力分布規(guī)律對優(yōu)化模板臺(tái)車的抗浮設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 模板臺(tái)車浮力變化規(guī)律理論分析

1.1 模板臺(tái)車計(jì)算模型建立

1)計(jì)算模型

為更準(zhǔn)確、更真實(shí)地反映模板臺(tái)車上浮隨著混凝土澆筑的變化情況，本文以現(xiàn)場實(shí)際臺(tái)車數(shù)據(jù)資料為依據(jù)(以12m倉位為例)，建立基于ANSYS的1∶1模板臺(tái)車三維計(jì)算模型，其有效計(jì)算長度12m，外徑4 620mm，該模型綜合考慮臺(tái)車材料性質(zhì)、主要構(gòu)件形狀和尺寸、不同構(gòu)件連接特點(diǎn)等因素，浮力變化以靜態(tài)壓強(qiáng)的形式體現(xiàn)。模板臺(tái)車三維計(jì)算模型和單元?jiǎng)澐秩鐖D1所示。

圖1 模板臺(tái)車三維計(jì)算模型

2)材料屬性

模型中各主要變形構(gòu)件包括針梁、模板、抗浮裝置、門架等，均賦予實(shí)際材料的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，12m臺(tái)車模型與實(shí)際臺(tái)車自重均為69t。

3)邊界條件

抗浮裝置端頭均設(shè)置為垂直位移約束，位移為0；針梁兩端為垂直位移約束，位移為0；模板一端采用法向位移約束，根據(jù)實(shí)際情況，允許存在少量垂直位移。模型邊界條件情況如圖2所示。

圖2 模型邊界條件

4)加載條件

考慮臺(tái)車自重，施加重力場；模板周圍施加法向變化壓強(qiáng)ρg·max(h-y,0)，其中ρg為混凝土密度，取25kN/m3，g為重力加速度，y為豎直坐標(biāo)，h為混凝土液面高度(均以模板底部中心為坐標(biāo)原點(diǎn))。

5)抗浮支撐力監(jiān)測點(diǎn)布置

抗浮支撐力監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在每根抗上浮絲桿以及模板固定端，監(jiān)測自由端抗浮支撐、中間抗浮支撐-1和中間抗浮支撐-2、固定端抗浮支撐的支撐力和模板固定端所受的豎向力變化，如圖3所示。

圖3 模板臺(tái)車抗浮支撐力監(jiān)測點(diǎn)分布示意

1.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)模型加載條件，結(jié)合施工情況，對臺(tái)車模板施加法向變化壓強(qiáng)的高度范圍為從模板最低點(diǎn)至二襯結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)，總高度5.01m，自下而上平均分為50步進(jìn)行逐漸加載計(jì)算，每步上升高度為100.2mm，相當(dāng)于對混凝土面逐漸上升過程進(jìn)行模擬。

由有限元計(jì)算及臺(tái)車上浮量分析可知，0～24步混凝土澆筑方量為0～37.72m3，為控制臺(tái)車上浮的關(guān)鍵階段。當(dāng)澆筑方量達(dá)37.73m3時(shí)，混凝土液面高度為2.4m，高出臺(tái)車中心線9cm。

控制階段的臺(tái)車各部位抗浮支撐力變化關(guān)系如圖4a所示。

圖4 臺(tái)車總抗浮支撐力變化規(guī)律

1)由圖4a可看出，澆筑方量0～22.83m3期間，抗浮支撐力≤0，由于臺(tái)車自重對各抗浮支撐產(chǎn)生向下的拉力，使抗浮支撐均處于受拉狀態(tài)。

2)澆筑方量達(dá)22.83m3時(shí)，即液面高度達(dá)0.9m，抗浮支撐力為0，說明F浮=G臺(tái)。

3)澆筑方量為22.83～37.72m3(液面高度為0.9～2.4m)時(shí)，抗浮力均處于線性增大狀態(tài)，此階段為澆筑控制的關(guān)鍵階段。此階段臺(tái)車所承受的總抗浮支撐力變化規(guī)律如圖4b所示。由圖4b可看出，總抗浮支撐力F總=71.115x-1 665.6，其中x為澆筑液面在0.9～2.4m的澆筑方量，總抗浮支撐力以變化速率71.115kN/m3遞增。

(1)

4)當(dāng)澆筑方量為37.73m3時(shí)，抗浮支撐力達(dá)到最大，抗浮支撐力如表1所示。

表1 抗浮支撐力統(tǒng)計(jì)

由表1可看出，模板固定端(與已施工完成的結(jié)構(gòu)搭接位置)承受40%以上的浮力，抗浮支撐所受總力為1 043.55kN。

2 模板臺(tái)車浮力現(xiàn)場測試試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，在現(xiàn)場選取12m倉位測試模板臺(tái)車上浮支撐力，驗(yàn)證有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的匹配性。

現(xiàn)場測試模板臺(tái)車共設(shè)置4處抗浮支撐，其中固定端、自由端兩端抗浮支撐各采用8根絲桿共同支承，中間位置的抗浮支撐采用1臺(tái)機(jī)械千斤頂。抗浮支撐力測試是在臺(tái)車抗浮裝置處安裝軸力計(jì)，共安裝6臺(tái)(1～6號(hào))軸力計(jì)，1，2號(hào)軸力計(jì)位于臺(tái)車自由端，3，4號(hào)軸力計(jì)位于臺(tái)車中間抗浮支撐位置，5，6號(hào)軸力計(jì)位于臺(tái)車固定端。軸力計(jì)現(xiàn)場安裝位置如圖5所示。

圖5 模板臺(tái)車軸力計(jì)安裝平面及縱斷面

1)每澆筑完1小罐車(2.5～2.7m3)記錄1次各軸力計(jì)讀數(shù)。

2)1，2，5，6號(hào)軸力計(jì)監(jiān)測記錄從混凝土澆筑開始至完成；3，4號(hào)軸力計(jì)監(jiān)測記錄從混凝土澆筑開始至62.5m3(澆筑至62.5m3中間抗浮支撐拆除)。

3)澆筑速度分別為10～12，6～8m3/h。

4)混凝土采用3m3容量小罐車隧道內(nèi)運(yùn)輸，地泵送入模板臺(tái)車內(nèi)。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過統(tǒng)計(jì)、總結(jié)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，得出試驗(yàn)倉位中最大抗浮支撐力對應(yīng)的混凝土澆筑方量和模板臺(tái)車上浮支撐力分布比例(見表2，3)，并以其中兩倉為例繪制試驗(yàn)澆筑方量和自由端支撐、中間抗浮支撐、固定端支撐的支撐力間關(guān)系曲線(見圖6)。

表2 混凝土最大監(jiān)測支撐力對應(yīng)澆筑方量

表3 支撐力占最大浮力比例 %

圖6 試驗(yàn)倉支撐力監(jiān)測曲線

2.2.1混凝土澆筑的4個(gè)控制階段

1)第1階段 混凝土澆筑0～10m3時(shí)(混凝土液面剛接觸臺(tái)車模板底部)，臺(tái)車各部位抗浮支撐力無變化，說明模板臺(tái)車所受浮力小或未受到浮力，混凝土入倉速度為10～12m3/h。

2)第2階段 混凝土澆筑(10～37)m3±3m3(混凝土液面高0.1～2.4m)時(shí)，抗浮支撐力急劇增大，當(dāng)澆筑37m3(混凝土液面高約2.4m)時(shí)，抗浮支撐力最大，混凝土入倉速度為6～8m3/h。將抗浮支撐力與混凝土澆筑量擬合成線性關(guān)系y=Ax+B，參數(shù)A為33.871，偏差為1.17；參數(shù)B為-383.765，偏差為29.45，擬合關(guān)系如圖7所示。

圖7 抗浮支撐力與混凝土澆筑方量函數(shù)關(guān)系

3)第3階段 澆筑過程中，模板臺(tái)車抗浮支撐力最大時(shí)，繼續(xù)澆筑2.5～2.7m3，混凝土液面上升0.25m左右，支撐力突然下降4%～6%，混凝土入倉速度為6～8m3/h。

4)第4階段 從第3階段至完成澆筑，固定端和自由端抗浮支撐的支撐力最終平穩(wěn)，混凝土入倉速度為10～12m3/h。

2.2.2抗浮支撐力總結(jié)

1)現(xiàn)場測試時(shí)，自密實(shí)混凝土澆筑過程中抗浮支撐最大浮力約1 000kN，固定端抗浮支撐力僅占總支撐力的1%左右，自由端抗浮支撐力占總支撐力的50%以上，靠近自由端的抗浮支撐力比靠近固定端的抗浮支撐力大4.5%左右。

2)通過數(shù)據(jù)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，抗浮支撐在計(jì)算過程中可簡化成彈性支座，單根支撐剛度約50kN/m。

3 結(jié)果對比

綜合分析比較有限元計(jì)算結(jié)果、現(xiàn)場測試結(jié)果，得到如下結(jié)論。

1)現(xiàn)場測試中，抗浮支撐力相比于有限元計(jì)算支撐力，偏差為-9%～2.5%，每個(gè)位置支撐力占總支撐力的比例偏差≤3%。

2)實(shí)測浮力起算點(diǎn)在混凝土液面到達(dá)模板底部時(shí)軸力計(jì)有讀數(shù)變化，而有限元計(jì)算模型中，混凝土液面高于模板底部0.9m后抗浮支撐力為正；支撐力最大值對應(yīng)的混凝土液面和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)相匹配。

3)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)曲線顯示支撐力達(dá)到最大點(diǎn)后突降，再趨于平穩(wěn)，而有限元計(jì)算曲線達(dá)到最高點(diǎn)后便趨于平穩(wěn)。

結(jié)合以上結(jié)果，有限元計(jì)算能有效體現(xiàn)模板臺(tái)車在自密實(shí)混凝土澆筑過程中的總支撐力和每個(gè)位置支撐力大小及分布規(guī)律，對模板臺(tái)車抗浮支撐優(yōu)化起指導(dǎo)作用，對模板臺(tái)車上浮控制以實(shí)測數(shù)據(jù)為主，控制方法如下：①第1階段F浮=0，0≤H≤0.006D，H為混凝土液面與到臺(tái)車模板底部的距離，可快速澆筑；D為臺(tái)車直徑；②第2階段F浮=1.4ρgx-6G，0.006D≤H≤0.57D，ρg=24kN/m3，G為臺(tái)車荷載(kN)，x為澆筑方量(m3)，現(xiàn)場測試表明，混凝土液面上升速度為0.6～0.8m/h；③第3,4階段F浮在第2階段達(dá)到峰值突然下降4%～6%后，至混凝土澆筑完成均趨于穩(wěn)定，0.57D

為驗(yàn)證結(jié)論實(shí)用性，在模板臺(tái)車結(jié)論的基礎(chǔ)上，運(yùn)用4個(gè)階段的控制方法，現(xiàn)場試驗(yàn)直徑相同、長度變?yōu)?.5m臺(tái)車的支撐力分布和支撐力變化規(guī)律，進(jìn)一步證明混凝土的澆筑控制方法、支撐力分布規(guī)律、支撐力最大值公式的適用性。

4 結(jié)語

本文通過理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)，對自密實(shí)混凝土澆筑過程中模板臺(tái)車抗浮支撐所受的支撐力變化規(guī)律、分布規(guī)律及控制模板臺(tái)車上浮方法進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論。

1)結(jié)構(gòu)分段流水施工時(shí)，固定端位置的抗浮支撐承受的支撐力小，固定端位置的抗浮支撐可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但固定端搭接模板承受的抗浮力最大，建議增加搭接模板剛度，避免模板受壓變形嚴(yán)重。

2)模板臺(tái)車的中間位置為單根抗浮支撐，剛度偏低，不利于控制臺(tái)車上浮，建議在設(shè)計(jì)中增加中間位置的抗浮支撐剛度以減小臺(tái)車上浮。

3)在有限元分析中，考慮臺(tái)車系統(tǒng)為整體結(jié)構(gòu)，模板臺(tái)車浮力控制起點(diǎn)是從臺(tái)車支撐力由負(fù)值變成正值時(shí)對應(yīng)的混凝土澆筑方量。實(shí)際操作中，由于臺(tái)車模板是通過絲桿、油缸與針梁鉸接連接，臺(tái)車支撐力抵抗浮力過程是通過先抵消模板質(zhì)量再逐漸增加到整個(gè)臺(tái)車質(zhì)量，現(xiàn)場控制需從混凝土液面接觸模板底部開始。

4)現(xiàn)場測試過程中，最大支撐力對應(yīng)澆筑方量存在上下浮動(dòng)，因澆筑速度快時(shí)，最大支撐力對應(yīng)的混凝土方量大；澆筑速度慢時(shí)，最大總支撐力對應(yīng)的混凝土方量小，但最大總支撐力對應(yīng)的混凝土液面高度在臺(tái)車中心線以上0.07D高度上下浮動(dòng)。

5)自密實(shí)混凝土總支撐力的關(guān)系式和臺(tái)車質(zhì)量有關(guān)，并不是臺(tái)車越重越能控制臺(tái)車上浮，而最終靠模板臺(tái)車的抗浮支撐和澆筑控制實(shí)現(xiàn)。

6)控制臺(tái)車澆筑速度是直接控制上浮的關(guān)鍵，對于不同尺寸的整體模板臺(tái)車，混凝土澆筑速度可按“快慢快”原則，即第2階段控制臺(tái)車澆筑速度，以每小時(shí)混凝土液面在臺(tái)車內(nèi)上升的高度為基準(zhǔn)。