不同施工高度環形帶肋鋼模板優化設計與應用*

張 新,王海洋,王 震

(1.山東建筑大學土木工程學院,山東 濟南 250101;2.中鐵建設集團有限公司,北京 100040)

0 引言

國內對環形混凝土墻體模板技術進行了一些研究與應用。余盛珂[1]在LNG低溫罐環形混凝土外墻模板設計中為提高墻體成型質量、減少對拉螺栓密度,設計了設置縱橫向肋板且肋間距均為500mm的預制鋼模板;徐明等[2]采用30塊長 1 505mm、 背面設置邊肋及3道背楞的定制弧形鋼模板解決了某公寓主樓弧形外立面的施工難題;呂文良[3]為降低大曲率模板彎曲難度,在小直徑圓弧汽車坡道施工中設計使用了寬<300mm預制小模數鋼模板;沈其明等[4]在水下混凝土環形連續墻施工中使用了定制環形鋼模板澆筑水下基礎圍堰;張立德等[5]為提高混凝土成型質量、加快施工速度,在變曲率弧形橋結構施工中對比各類型模板后,選用木模板加不銹鋼模板的組合模板;劉桐等[6]在鹽城會展中心項目中設計使用了弧長2 500mm、縱向肋間距為200mm的定制鋼模板;李志愿等[7]在環形風電塔基礎施工中引入彈性力學平面問題的求解設計出所需的內、外側環形模板,模板由29塊設置10mm厚環形加勁肋及20mm厚縱向肋的鋼模板組成;武俊等[8]在武漢光啟科學中心圓柱及異形柱施工中設計了一種縱肋加固裝置,保障了異形模板的正常受力;曹盈等[9]在游樂場航道復雜圓弧墻體施工時,將BIM技術與鋼模板結合,通過對鋼模板進行規格深化、分塊、預加工,縮短了工期、提高了施工精度;肖劍等[10]利用MIDAS軟件對風電環形塔基進行了分析研究,模擬了環形鋼模板在澆筑過程中的力學性能。

目前環形混凝土結構模板施工多采用設置縱橫向肋板的定制鋼模板或木模板。本文通過對不同施工高度、面板厚度、肋間距的環形帶肋鋼模板進行分析,總結出環形帶肋鋼模板的設計參數表,并在實際工程中進行應用。將理論計算結果與現場實測數據進行對比,驗證現場加工環形帶肋鋼模板設計的合理性。研究內容可為類似環形墻體模板施工提供一定的參考與借鑒。

1 環形帶肋鋼模板設計與構造

1.1 設計方法

利用BIM技術對環形墻體帶肋鋼模板進行正向設計,建立環形墻體帶肋鋼模板仿真模型,施工前進行仿真預拼裝并形成所需各項工藝參數表,指導模板部件的現場加工與拼裝。

1.2 環形帶肋鋼模板構造

環形帶肋鋼模板由面板、水平環肋、邊豎肋、連接螺栓組成。模板分為8段,各分段模板邊緣設置縱向邊肋,肋板上預設螺栓孔,各分段通過螺栓進行連接,螺栓間距與環肋間距一致。內、外模板間不設置對拉螺栓,模板分段連接如圖1所示。面板材料為Q235鋼板,肋板為角鋼。模板上部和下部設置邊肋,其余肋板間距按模板高度均分。模板根據環形混凝土結構的長度和曲率分段制作,肋板與面板采用焊接連接,面板區域劃分如圖2所示。

圖1 模板分段

圖2 面板區域劃分

1.3 環形帶肋鋼模板定位構造

1)預埋短鋼筋定位 樓板邊緣處預埋短鋼筋作為內側模板定位點,內側模板底部緊靠預埋短鋼筋。內側模板上部通過與鋼筋籠焊接的鋼筋彎鉤固定,防止環形鋼模板傾覆墜落。

2)八點鋼絲定位 為保證環形帶肋鋼模板形狀準確,通過模板面板上設置8根鋼絲對拉到對側模板下方,使8根鋼絲交于一點,從而精準確定環形帶肋鋼模板形狀,確保環形墻體的形狀準確性。

2 環形帶肋鋼模板力學性能分析

2.1 方案設計

環形混凝土結構高度不同,混凝土澆筑時側壓力不同,環形帶肋鋼模板的設計參數也會發生變化。環形帶肋鋼模板設計參數主要為面板厚度、肋板尺寸和肋板間距,為得到不同高度下模板設計參數的變化規律,對內、外側環形帶肋鋼模板各設計出12種不同參數方案,內、外側模板設計方案如表1,2所示。

表1 內側模板設計方案

表2 外側模板設計方案

肋板材料選擇角鋼,施工時需將整根角鋼間隔一定距離切割1個槽口進行彎曲,使用大尺寸角鋼不利于肋板加工,同時大尺寸肋板與面板焊接時殘余應力較大,不利于面板形狀控制,因此肋板參數設定為∟50×50×3。 環形帶肋鋼模板方案設計以面板厚度、肋板間距2種影響因素作為變量,面板厚度分別選擇3,4,5mm厚Q235鋼板,肋板間距按模板高度均分。環形帶肋鋼模板設計1,2,3m 3種不同高度,模板直徑設定為8m。

2.2 荷載統計

理論分析中主要考慮混凝土澆筑過程中產生的側壓力,根據GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》相關規定取值。荷載取值時根據公式:

(1)

F2=γcH

(2)

式中:γc為混凝土重度(kN/m3),取24kN/m3;t0為澆筑混凝土初凝時間(h),采用t0=200/(T+15)計算(T為混凝土溫度,取25℃),取t0為5h;V為混凝土的澆筑速度(m/h),取1m/h;H為側壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度(m),分別取1,2,3m;β為混凝土坍落度修正影響系數,取1.0。

計算時采用F1,F2二者較小值作為新澆混凝土對模板的側壓力值。

澆筑采取吊斗吊運方式,混凝土下料產生的水平荷載標準值Q2為4kN/m2。

計算模板承載力時,根據GB 50068—2018《建筑結構可靠性設計統一標準》,荷載組合按下式計算:

(3)

式中:γG為永久荷載分項系數,取1.3;γQ為可變荷載分項系數,取1.5;γ0為結構重要性系數,取1.0。經計算對于施工高度1,2,3m的環形帶肋鋼模板所受側壓力值分別取37.2,55.9,55.9kN/m2。

2.3 模型建立

數值分析采用ANSYS有限元分析軟件,選取環形帶肋鋼模板的1/4在ANSYS有限元軟件中建立模型。建模選用solid185實體單元對環形帶肋鋼模板進行彈性分析。網格采用映射劃分,模型單元各方向尺寸均為5mm,模型如圖3所示。

圖3 環形帶肋鋼模板模型

2.4 模型基本假定

1)建立模型為1/4環形帶肋鋼模板區段,假定模型兩端與x方向平行處不會發生x方向位移,與z方向平行處不會發生z方向位移,模板上下兩端為自由端。

2)內、外側模板間不設置對拉螺栓,側壓力由弧形模板自身承受。

3)根據計算結果,1m高環形帶肋鋼模板按三角形荷載施加側壓力,2,3m高模板按梯形荷載施加側壓力。

2.5 ANSYS有限元軟件數值分析結果

2.5.1內側模板理論計算結果及分析

為研究不同施工高度下各模板設計參數對內側環形帶肋鋼模板承載力的影響,對1～3m高環形帶肋鋼模板12種設計方案進行了數值分析,位移、應力分析結果節選如圖4所示。內側模板各設計方案數值分析結果如表3所示。

表3 內側模板數值分析結果

圖4 內側模板有限元數值分析節選

由圖4和表3可發現:

1)高度1m模板 面板最大應力出現在模板底部,方案1～4分別為85.91,79.49,66.39,46.42MPa。肋板最大應力出現于底部第2道環肋處,方案1～4分別為69.85,46.41,43.98,32.15MPa。面板位移大于肋板位移,最大面板位移出現在模板底部,方案1～4最大面板位移分別為1.49,1.76,1.17,1.11mm,理論計算結果顯示增大面板厚度、減小肋板間距均可有效減小模板最大應力及位移。

2)高度2m模板 方案5～7中面板最大應力出現在第2道板帶處,分別為102.46,80.66,84.81MPa,方案8,9最大面板應力產生于第1道板帶處,分別為80.15,84.76MPa。5個方案肋板最大應力均出現在第2道環肋。方案5～7最大面板位移產生于第2道板帶,方案8,9最大面板位移出現于第1道板帶處。各方案面板最大應力及位移產生位置基本處于距模板底部300～400mm高度處。

3)高度3m模板 方案10最大面板應力出現在第2道板帶高度約為0.4m處,為93.77MPa。最大肋板應力產生于第3道肋板處,應力值為84.04MPa。最大位移出現在第2道板帶處,位移值為1.71mm。方案11,12最大面板應力出現在第1道板帶處,分別為84.91,87.32MPa。最大肋板應力產生于第2道環肋上,為77.89,76.43MPa。第1道板帶處產生最大位移,位移值為1.46,1.53mm。3種方案面板最大應力及位移產生位置基本處于距模板底部350～400mm高度處。

2.5.2外側模板理論計算結果及分析

外側環形帶肋鋼模板12種設計方案數值分析結果如圖5和表4所示。

表4 外側模板數值分析結果

圖5 外側模板有限元數值分析節選

由圖5和表4可發現:

1)高度1m模板 面板最大應力均出現在第1道板帶處,方案1～4分別為75.26,89.79,69.76,54.15MPa。肋板應力集中于第2道環肋處,比較外側模板設計方案3,4可看出隨面板厚度的增加,肋板及面板應力均下降。面板最大位移均出現于第1道板帶處,分別為1.31,1.56,1.32,1.14mm。

2)高度2m模板 方案5～7中面板最大應力均出現在第2道板帶處,分別為103.62,76.69,80.28MPa。面板最大位移產生于第2道板帶處,分別為1.86,1.49,1.51mm。方案8,9面板最大應力產生于第1道板帶處,應力值為80.49,84.79MPa,最大位移也在該處產生,位移值分別為1.46,1.58mm。5種方案肋板最大應力均產生于第2道環肋處。

3)高度3m模板 方案10中面板最大應力出現在第2道板帶處,應力值為96.19MPa。肋板最大應力產生于第3道環肋處,面板最大變形位于第2道板帶處,為1.77mm。方案11,12面板最大應力出現在第1道板帶處,應力值分別為79.69,81.78MPa。最大肋板應力產生于第2道環肋上,最大變形位于第1道板帶處,變形值分別為1.49,1.51mm。

2.5.3內、外側模板數值分析結果對比分析

內、外側模板應力與位移大小呈正相關,即位移值小,應力值一般也較小。對比內、外側分析結果,內側模板位移小于外側模板,即模板受到壓力時的形變小于模板受到拉力時的形變,這與環形結構的拱效應有關。以內、外側模板均采用3mm厚面板的設計方案為例(即方案1和2),內側模板設置4道環肋與外側模板設置5道環肋變形值相近。內、外側設計方案中方案5,9,10分別對比分析時,也可發現在肋板道數、面板厚度等變量相同時,外側模板位移分別比內側模板大0.03,0.04,0.06mm。

2.6 環形帶肋鋼模板設計參數匯總

根據GB/T 50214—2013《組合鋼模板技術規范》要求,組合鋼模板位移值不得超過1.5mm。分析各設計方案,所設計環形帶肋鋼模板應力較小,因此將位移作為主控量。內側模板設計參數分析匯總如表5所示。

表5 內側模板設計參數

1)施工高度1m時,方案1,2使用了3mm厚面板,面板位移分別為1.49,1.76mm。方案3,4為4,5mm厚面板,肋間距均為500mm,面板位移值為1.17,1.11mm。因此方案1,3,4可滿足施工需求。

2)模板高度2m時,方案5為3mm厚面板、200mm肋間距,面板位移為1.58mm。方案6,7為4mm厚面板,肋間距分別為220,250mm,位移值為1.44,1.51mm。方案8,9為5mm厚面板,肋間距分別為400,500mm,位移值分別為1.40,1.54mm。方案6,8可滿足施工需求。

3)模板高度3m時,方案10設計參數為4mm厚面板、200mm肋間距。方案11,12均為5mm厚面板,肋間距為300,330mm。3種方案位移分別為1.71,1.46,1.53mm。僅方案11滿足施工需求。

外側模板設計參數分析匯總如表6所示。

表6 外側模板設計參數

1)施工高度1m時,共設計4個方案,其中方案1,3,4分別采用3,4,5mm厚面板,方案1肋間距為250mm,其余2個方案均為500mm,位移分別為1.31,1.32,1.02mm,滿足施工需求。方案2位移1.56mm,大于1.5mm限值。

2)施工高度2m時,共設計5個方案。方案5為3mm厚面板,方案6,7為4mm厚面板,方案8,9為5mm厚面板。其中,方案6,8肋間距分別為200,400mm,位移為1.49,1.46mm,滿足1.5mm限值要求。

3)施工高度3m時,共設計3個方案,為方案10～12, 其中方案10為4mm厚面板,其余為5mm厚面板。3種方案肋間距分別為200,250,270mm,位移值依次為1.77,1.49,1.51mm。方案11滿足施工需求。

3 施工現場應用及監測

3.1 工程概況

青州博物館新館主樓項目建筑總高度為34.5m,主樓頂部為直徑7.8m圓形洞口,洞口四周為直徑8m墻體,墻體高度1m,厚度為0.2m。新館結構中空,中空處從頂層到底層,高度約20m。建筑造型為仿古設計,遵從儒家傳統思想,頂部洞口與方形大廳相呼應形成天圓地方的建筑形式,建筑造型襯托出博物館所承載的厚重歷史底蘊。

3.2 施工現場模板布置

施工現場環形墻體內側采用環形帶肋鋼模板,模板高1m,面板厚3mm,環肋尺寸為 ∟50×50×3, 肋間距取250mm,共設置5道環肋。外側模板采用木膠合板進行拼裝。

3.3 測點布置

現場主要對澆筑過程中模板的應力及變形進行監測,應力監測點共布置8個,分別布置于8個面板分段上。變形監測點共布置4個,分別布置于3,7號測點兩側1.5m處。測點布置如圖6所示,圖中黑色圓圈代表測點位置,數字1～8代表測點位置 1～8 號,上、中、下代表板帶及肋板位置,肋和板代表應變片粘貼位置為肋板或面板,黑色方形代表變形監測點位布置處。

圖6 現場測點布置

3.4 監測儀器

1)傳感器 監測傳感器為應變片,選擇型號BHF120-100AA鋼材應變片,其阻值為(120 ±1)Ω,靈敏度為2.0±1%,基底尺寸為105.5mm×4.9mm,絲柵尺寸為100.0mm×4.0mm。應變片粘貼于肋板及鋼模板面板上。現場數據采集形成圖表,采集時長為150min,監測數據采用自動采集形式,每隔1min采集1次數據。

2)變形監測儀器 變形監測儀器選用百分表。共使用4臺電子百分表,分辨率為0.01mm,量程為60mm。

3.5 監測結果及對比分析

3.5.1應力監測結果及對比分析

由于現場監測數據較多,將數據進行篩選,每隔5min選取1個監測數據形成圖表,如圖7所示。若被選取數據誤差較大,則以臨近時間的數據替代。

圖7 施工現場內側監控數據

對圖7a所示數據進行分析,中部板在前40min所受荷載<10MPa。最大荷載出現在80～100min這一時段,其值為26.04MPa,100min后荷載保持穩定。從監測數據可看出僅有3,6,7號測點壓力>20MPa。監測所得荷載為負值,這表明內側模板在混凝土澆筑過程中受到壓力,部分數值出現上升現象,分析原因為混凝土澆筑時為使混凝土密實,使用振搗棒對模板側壓力產生了影響。

對圖7b所示數據進行分析,下部板應力在30min前規律性不強,在30min后開始平穩增加,這是由于前期混凝土澆筑不連續導致。最大應力出現在130min左右,應力值為27.68MPa。混凝土在8號點附近開始逆時針澆筑,從圖上可看出澆筑過程的前20min,7,8號測點最先產生壓應力,同時5,6號測點產生拉應力。分析其原因為混凝土于7,8號測點澆筑時對相鄰澆筑點(澆筑測點1,2,5,6號)產生拉力,且該力沿面板呈現出先增加后減小趨勢。

對圖7c所示數據進行分析,中部肋板處所受荷載最大值為29.98MPa,上部肋板處所受荷載最大值為24.08MPa。由于下部肋板難以粘貼應變片,因此只在上、中部肋板粘貼應變片。對比肋板與面板監測數據可看出同位置處肋板應力明顯大于面板應力,其原因為焊接肋板處剛度增大,應力集中使肋板處應力增大。

應力實測數據與理論計算數據對比如表7所示。

表7 應力實測數據與理論分析數據對比

3.5.2變形監測結果及對比分析

百分表實測數據與理論計算數據對比如表8所示。

根據表7,8所示數據可看出,無論應力還是變形,理論計算值均大于實測值,但數據相差較小,原因在于理論計算時荷載取值為設計值,實際施工時模板受力小于設計值。

4 結語

體量較小的環形混凝土結構模板適合現場設計和加工。結合施工現場實際情況,本文設計了一種環形帶肋鋼模板,針對直徑8m且施工高度分別為1,2,3m帶肋鋼模板的不同設計參數方案進行了有限元數值分析,得到了環形結構內、外側環形帶肋鋼模板設計參數表。實際工程應用中采用了BIM技術進行正向設計,采用了八點鋼絲定位技術進行精確定位,現場實測值與理論分析值基本吻合。針對不同直徑環形帶肋鋼模板的設計參數將在后續工作中繼續深化研究。