混凝土澆筑過程中模殼墻足尺試驗研究*

束文輝，趙元一，涂虎強，湯永凈

(1.上海天華建筑設計有限公司，上海 200235； 2.同濟大學浙江學院嘉興市土木與環(huán)境高性能功能材料重點實驗室，浙江 嘉興 314051； 3.同濟大學浙江學院土木工程系，浙江 嘉興 314051；4.上海衡煦節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司，上海 200060)

0 引言

裝配式建筑是用預制部品部件在工地裝配而成的建筑，建設方式更環(huán)保，施工現(xiàn)場可實現(xiàn)無揚塵、無廢棄物、無施工措施輔助物、無噪聲。發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措，有利于節(jié)約資源能源、減少施工污染、提升勞動生產(chǎn)效率和質(zhì)量安全水平，且有利于促進建筑業(yè)與信息化、工業(yè)化深度融合，培育新產(chǎn)業(yè)、新動能，推動化解過剩產(chǎn)能。

復合模殼墻體系(以下簡稱模殼墻)由免拆的水泥基復合模殼、鋼筋骨架、拉結(jié)件、現(xiàn)澆混凝土組成，中間部分的現(xiàn)澆混凝土可滿足地下室防水要求。用于地下室外墻施工時，模殼僅作為模板使用，不參與受力，理論上模殼墻可用于地下室各部位。模殼墻結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省大部分模板施工工作量，簡化施工步驟，達到良好施工效果。

在以模殼墻為基礎的裝配式地下室施工過程中，尚存在以下問題：①我國裝配式建筑發(fā)展迅猛，新產(chǎn)品、新工藝不斷涌現(xiàn)，需在實際工程中得到檢驗，目前由于不同原因，推廣應用力度不足；②對裝配式地下室結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性研究較少。為初步解決上述問題，本文針對建筑中最常見的雙面模殼地下室外墻，進行混凝土澆筑過程中各受力部件的理論分析和施工過程中的受力監(jiān)測，并以此為基礎總結(jié)較適當?shù)氖芰δＰ秃陀嬎惴椒ā?/p>

對于確定模殼墻在混凝土澆筑過程中的側(cè)壓力，不同規(guī)范和研究給出了不同的計算方法，但實際計算結(jié)果差異較大。模殼墻是空腔預制構(gòu)件，根據(jù)設計要求配置受力鋼筋和構(gòu)造鋼筋，在工廠生產(chǎn)完成后運至現(xiàn)場進行就位，并在空腔內(nèi)(內(nèi)、外墻板之間)澆筑混凝土。本文以模殼墻足尺試驗數(shù)據(jù)為基礎，分析組成墻體的拉結(jié)件和模殼在混凝土澆筑過程中的受力特點。

1 試驗概況

模殼墻主要由模殼和拉結(jié)件組成。本試驗測試在混凝土澆筑過程中拉結(jié)件的應變、模殼外表面的應變等。

1.1 試件設計

由于模殼墻構(gòu)造獨特，造成其在混凝土澆筑過程中的側(cè)壓力與傳統(tǒng)木模墻和鋼模墻有較大差異。為避免模殼墻在混凝土澆筑過程中出現(xiàn)爆模現(xiàn)象，需研究模殼墻自身是否存在問題。為此，本試驗旨在研究混凝土澆筑過程中模殼墻和拉結(jié)件性能，以驗證其是否滿足施工安全要求。

考慮單層地下室極限高度和相應厚度，將模殼墻設計為高4.7m、厚400mm的凈空腔，如圖1所示。模殼墻內(nèi)、外葉為水泥基材料，均厚20mm，彈性模量為4.0×104MPa，抗壓強度為4.5MPa。拉結(jié)件為長435mm、寬20mm、厚2mm的鍍鋅鋼片，抗拉強度為235MPa，彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.31。現(xiàn)澆混凝土強度等級為C30。

1.2 試驗方案

1.2.1測點及測試儀器布置

在拉結(jié)件、模殼外表面布設應變片(見圖2)，將編號為1-1H～8-1H的測點布設在拉結(jié)件加密區(qū)位置，即位于模殼墻底部至距底部2.45m的位置，測點9-1H，10-1H位于模殼墻等間距拉結(jié)件區(qū)間。為保證模殼墻穩(wěn)定和澆筑混凝土安全，在距試件底部1.18，1.98m的水平位置設置2道斜支撐。

采用數(shù)據(jù)采集儀同步采集混凝土澆筑過程中的應變片和傳感器讀數(shù)，傳感器和數(shù)據(jù)采集儀型號如表1所示。

表1 主要儀器設備

1.2.2模殼應變理論分析

對模殼布置應變片的區(qū)域進行受力分析，計算簡圖如圖3所示。

模殼墻跨中位置以下側(cè)受拉為主，支座位置以下側(cè)受壓為主，將應力沿應變片長度積分，得到應變計理論測量值。

根據(jù)圖3所示模殼墻-拉結(jié)件計算模型，將坐標原點設置于兩拉結(jié)件之間的跨中位置，x向為拉結(jié)件水平布設方向，y向為垂直于模殼墻方向，則模殼墻在混凝土澆筑過程中沿x軸產(chǎn)生的彎矩M為：

(1)

式中：q為作用于模殼墻上的荷載；l為模殼墻寬度。

由混凝土澆筑產(chǎn)生的均布荷載在應變片固定區(qū)域產(chǎn)生的應力變化為：

(2)

式中：ε為應變；σ為應力；E為模殼墻內(nèi)外葉彈性模量；W為截面慣性抵抗矩。

由式(2)可知，應變片所測變形應為模殼墻(類似于雙向板)受力過程中，沿模殼墻鉛垂方向撓度產(chǎn)生的拉應變，如圖4所示。

應變片在混凝土澆筑過程中產(chǎn)生的撓曲變形可能包括：①與應變片平行的水平方向撓曲fx1；②垂直于應變片的鉛垂方向均布荷載在應變片所在方向產(chǎn)生的的撓曲fx2。由式(2)可知fx1撓曲變形對應的應變?yōu)?，應變片測得的應變?yōu)閳D4中雙向板與單向板變形差值對應的應變，即混凝土澆筑產(chǎn)生的均布壓力引起的模殼墻鉛垂方向拉應變。

1.2.3混凝土澆筑及數(shù)據(jù)采集方案

考慮一次混凝土澆筑高度太大會產(chǎn)生較大的模殼側(cè)壓力，本試驗混凝土分2次澆筑，第1次澆筑高度為3.2m，第2次澆筑高度為1.5m。澆筑混凝土時從試件頂端向下倒入，當混凝土澆筑至3.2，4.7m高度時進行振搗。

采用DH3816N型東華靜態(tài)應力應變測試儀進行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)預測應變計變化速度設定變頻采集數(shù)據(jù)，混凝土澆筑過程中每隔5s采集1次數(shù)據(jù)，混凝土澆筑完成后1h內(nèi)每隔1min采集1次數(shù)據(jù)，混凝土澆筑完成后1～3h內(nèi)每隔5min采集1次數(shù)據(jù)，混凝土澆筑完成3h后每隔10min采集1次數(shù)據(jù)。測試終止條件設定為：應變計所測數(shù)值2h不變，且總測試時間≥24h。

混凝土澆筑時，環(huán)境溫度為20℃，相對濕度為50%，北風4～5級。根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果，混凝土平均澆筑速度為43m/h。

2 試驗結(jié)果與分析

在混凝土澆筑過程中，近支撐點處的部分測點受到干擾，未采集到數(shù)據(jù)或采集數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。為此，本文僅列出規(guī)律性較強的測點數(shù)據(jù)，用于分析模殼墻在混凝土澆筑過程中的受力。

2.1 模殼應變、應力

模殼典型測點應變隨混凝土澆筑高度的變化如圖5所示。由圖5可知，隨著混凝土澆筑高度的增加，各測點應變增大，混凝土澆筑高度與測點應變基本成正比例關(guān)系，其中，位于模殼墻下部的測點應變增幅較大。

混凝土澆筑完成時模殼表面測點應力沿模殼墻高度的分布如圖6所示。由圖6可知，當混凝土澆筑完成時，模殼表面應力沿模殼墻高度的分布規(guī)律基本為下大上小，無嚴格的線性分布，但線性規(guī)律尚可。

2.2 拉結(jié)件應變、應力

拉結(jié)件在混凝土澆筑過程中的應變和混凝土澆筑完成時的應力分別如圖7，8所示。由圖7可知，隨著混凝土澆筑高度的增加，拉結(jié)件應變相應增大，線性規(guī)律尚可。由圖8可知，混凝土澆筑完成時，拉結(jié)件應力隨模殼墻高度的變化線性規(guī)律不強，這與拉結(jié)件位置、模殼內(nèi)密布拉結(jié)件與模殼共同形成的多次超靜定結(jié)構(gòu)體系有關(guān)。

通過對比拉結(jié)件幾何位置和拉結(jié)件實際受力情況可知，不同位置拉結(jié)件在不同混凝土澆筑高度下的受力參數(shù)與實際情況基本一致。

3 結(jié)語

通過拉結(jié)件連接、內(nèi)外葉同時養(yǎng)護的模殼墻因其新穎的構(gòu)造和高效的制作方法，可應用于工程建設中。現(xiàn)場澆筑混凝土是模殼墻形成實體墻的關(guān)鍵工序，本文測試高度為4.7m、厚度為400mm、內(nèi)外葉厚度為20mm的模殼墻在混凝土澆筑過程中的受力，得出以下結(jié)論。

1)本試驗中模殼墻應變片所測應變?yōu)榛炷翝仓a(chǎn)生的均布壓力引起的模殼墻鉛垂方向拉應變。

2)由模殼典型測點應變隨混凝土澆筑高度的變化可知，隨著混凝土澆筑高度的增加，各測點應變增大，混凝土澆筑高度與測點應變基本成正比例關(guān)系，其中，位于模殼墻下部的測點應變增幅較大。

3)由混凝土澆筑完成時模殼表面測點應力沿模殼墻高度的分布可知，當混凝土澆筑完成時，模殼表面應力沿模殼墻高度的分布規(guī)律基本為下大上小，無嚴格的線性分布，但線性規(guī)律尚可。

4)由拉結(jié)件在混凝土澆筑過程中的應變和混凝土澆筑完成時的應力可知，隨著混凝土澆筑高度的增加，拉結(jié)件應變相應增大，線性規(guī)律尚可；混凝土澆筑完成時，拉結(jié)件應力隨模殼墻高度的變化線性規(guī)律不強。