剪力墻結構中新型復合保溫模板一體化施工體系力學性能研究*

于敬海,胡彥明,吳曉萌,楊洪勝

(1.天津大學建筑設計規劃研究總院有限公司,天津 300073; 2.天津大學建筑工程學院,天津 300072;3.天津速珀瑞節能建材科技有限公司,天津 301906)

0 引言

國家自1986年實行建筑節能以來,外墻外保溫系統逐漸應用廣泛。但近年來,傳統外墻外保溫技術(薄抹灰體系)施工及后期使用中火災、起鼓、開裂、漏水、脫落傷人等事件時有發生[1-3],外墻復合保溫板與結構一體化技術逐步得到應用。

但通過實地調研,外保溫模板一體化技術也存在一些問題,如:拆除模板支承后,上下復合板對位處錯位較為嚴重,造成后期找平層厚度偏大,存在脫落風險。究其原因主要是對復合保溫模板一體化施工技術缺乏系統深入的監測、試驗及力學性能研究。

有關學者對現澆混凝土模板側壓力進行了監測。2013年,沈陽建筑大學孫喜峰進行了國內外規范計算對比以及現場模板側壓力試驗。通過監測點壓力變化曲線得出混凝土初凝時間約為1h,在初凝時間段內,模板側壓力迅速增加,隨后不斷減小,之后出現小幅度增加現象[4]。2015年,北京工業大學李增銀進行了混凝土模板側壓力試驗研究。在澆筑初期階段,隨著澆筑的進行,模板側壓力逐漸增加,當混凝土澆筑到一定高度時模板側壓力達到最大值,繼續澆筑模板側壓力開始下降[5-6]。2019年,中鐵十八局集團有限公司李文廣設計了16個混凝土鋼模板側壓力試驗試件,測試模板側壓力。試驗結果表明:模板側壓力規范設計值與實測值均有較大區別[7]。

以上研究均針對常用模板系統開展的混凝土澆筑時側壓力監測,針對采用復合模板一體化施工技術的模板承受側壓力的現場監測及研究尚未開展。本文結合施工現場,設計了混凝土澆筑時復合保溫模板承受側壓力及模板體系變形現場測試系統,開展了混凝土澆筑時模板側壓力及模板體系變形規律研究分析,以驗證JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術規范》[8]中理論計算值的準確性,為合理設計復合保溫模板體系提供依據。

1 現場測試

1.1 試驗設計

根據規范《建筑施工模板安全技術規范》計算結果及參考文獻綜合分析,選定量程200kPa微型土壓力傳感器、pt100溫度計、量程為50mm位移計進行現場測試。壓力傳感器、溫度傳感器及位移計安裝于既定位置后連接到WKD3814多功能靜態應變測試系統進行數據讀取。壓力傳感器及位移計布置分別如圖1,2所示(均為模板內側視角)。

圖2 位移計布置

1.2 項目現場測點儀器安裝

測試地點為某高層住宅第8層剪力墻澆筑項目,層高2.95m,測試樓共15層。該項目采用SPR100mm厚石墨聚苯復合保溫板作為澆筑外模板,采用復合保溫模板一體化施工技術。測試現場壓力傳感器及位移計安裝分別如圖3,4所示。

圖3 模板內側壓力傳感器安裝

圖4 位移計安裝完成效果(模板外側)

2 監測數據及結果分析

2.1 模板側壓力沿高度變化分析

按照《建筑施工模板安全技術規范》[8]、GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》[9]計算現場測試模板側壓力,根據現場條件進行參數確定,并與實測值進行對比,如表1所示。

表1 側壓力計算值及最大實測值

圖5是澆筑前1.5h各測點壓力變化情況。由圖1可知,Y1和Y8,Y2和Y9(Y9讀數錯誤),Y3和Y10,Y5和Y12,Y6和Y13(Y6讀數錯誤),Y7和Y14壓力傳感器處于同一高度,Y4比Y11高20mm(Y4預設位置與鋼筋籠沖突,上移20mm)。由圖5可知,隨著混凝土澆筑,壓力迅速增大,澆筑完成后(約3min時刻)達到第1個峰值點。可以看出,各位置測點壓力變化趨勢大體相同,同一高度處壓力值峰值點數值接近。

圖5 澆筑前1.5h各測點壓力變化

表1中《建筑施工模板安全技術規范》計算值計算中將澆筑速度假設為3m/h,《混凝土結構工程施工規范》計算值按公式F=γcH計算。可以看出最大實測值往往出現在振搗過程中,比澆筑完成時出現的側壓力第1個峰值點要大,但增幅無明顯規律。

各壓力傳感器高度和壓力第1個峰值點間關系如圖6所示。可以看出,同一高度處的2個壓力盒澆筑完成時壓力接近,從樓面起0～1.0m高度處模板側壓力幾乎不隨高度變化,穩定在30kPa左右;1.0～2.95m高度間側壓力隨位置升高而不斷減小,大體呈一次函數關系。總體上,壓力值隨高度變化呈梯形分布,與規范計算公式相符。

圖6 澆筑結束后側壓力值與傳感器高度關系

2.2 模板側壓力與溫度變化關系

各測點澆筑后32h側壓力監測曲線如圖7所示。由圖7可知,側壓力總體上呈迅速上升-迅速下降-迅速上升-迅速下降-緩慢上升-緩慢下降-穩定的趨勢,澆筑后17.5h后,模板側壓力值穩定,變化較小。混凝土墻體溫度整體呈先上升后下降趨勢,如圖8所示。

圖7 混凝土澆筑后32h各測點側壓力監測曲線

圖8 混凝土澆筑后32h溫度監測曲線

要分析模板側壓力變化原因,首先要了解其凝結硬化機理。根據凝結硬化過程特點可將其分成4個階段[10-11]:初始反應期、潛伏期、凝結期、硬化期。①初始反應期 水泥顆粒與水接觸在極短時間內放出大量熱;②潛伏期(誘導期) 放熱量小,在相當長的一段時間內(0.5～2h),水泥漿可塑性幾乎無變化,水泥水化速度變慢;③凝結期 持續時間長,一般在6h;④硬化期 水泥漿體強度不斷發展,水泥硬化期較長。

結合混凝土凝結硬化機理可知,測試混凝土墻在初凝時間4.52h,進入第3階段——凝結期,放熱速率增大,溫度迅速升高。根據參考文獻結合溫度變化曲線推測,該階段持續至11h左右。隨后進入第4階段——硬化期,在此階段初期,混凝土溫度仍繼續升高,但升溫速度有所下降,溫度達到峰值后開始下降。由測點側壓力變化曲線可知,模板側壓力在澆筑過程中隨澆筑高度迅速增長,并很快達到第1個峰值點;隨后側壓力逐漸減小,在振搗(0.58～0.65h)結束后達到第2個峰值點,然后側壓力值開始下降。

結合混凝土凝結硬化規律,不考慮振搗過程中側壓力變化可以看出,側壓力先隨著澆筑高度迅速增加,而后逐漸減小;減小至某一值后由于混凝土凝結硬化進入第3階段,放熱量增加,混凝土體積膨脹,模板側壓力逐漸增加,到達某一值后開始減小。

2.3 模板側壓力變化規律分析

測點Y1,Y2,Y5壓力變化曲線如圖9,10所示,開始澆筑后側壓力迅速增加,在0.05h出現第1個壓力峰值點,壓力值為29.63kPa。之后模板側壓力迅速減小后緩慢上升,在振搗時刻達到側壓力最大值,為48kPa。振搗結束后側壓力迅速下降至10kPa左右,由于混凝土凝結硬化仍在進行中,混凝土體積受熱膨脹,側壓力再次增大。凝結硬化結束后,混凝土溫度開始降低,體積收縮,壓力值逐漸穩定。

圖9 監測前1.5h測點Y1,Y2,Y5壓力變化曲線

圖10 監測前46h Y1,Y2,Y5測點壓力變化

1)從側壓力變化趨勢可以看出,模板承受側壓力主要在澆筑混凝土至混凝土終凝時間段內,待混凝土凝結硬化結束,其體積會有所減小,若外模板彈性模量大,后期可隨混凝土體積收縮,變形減小,有利于控制墻面平整度。

2)壓力測點Y2壓力變化曲線整體變化趨勢和測點Y1一致,均隨混凝土澆筑壓力迅速增大,然后逐漸降低至6kPa左右,之后由于混凝土凝結硬化,混凝土受熱體積膨脹,側壓力逐漸升高。凝結硬化速率減小后,模板側壓力也逐漸減小。然后因混凝土收縮,對壓力盒作用變為拉力,出現負值。但由于壓力盒構造的特殊性,僅能準確測量壓力值,不能測量拉力值,因此負值無分析意義。其中,由于振搗混凝土,模板側壓力迅速增加,此時出現整個監測過程中模板側壓力最大值,為35.12kPa。

側壓力最大值略大于澆筑完成時側壓力曲線出現的第1個峰值點,由此可知,側壓力最大值很可能出現在振搗過程中,而且振搗過程中出現的側壓力最大值相比側壓力曲線出現的第1峰值點增長幅度變化較大,在設計時要參考規范公式并乘以一定放大系數進行考慮。

3)壓力測點Y5側壓力變化趨勢與Y1,Y2測點略有不同。主要區別為:①混凝土澆筑完成后,Y5測點側壓力呈緩慢增長趨勢,而Y1,Y2呈下降趨勢;②側壓力曲線的第1個峰值點和壓力最大值與Y1,Y2相比都有明顯降低。

總之,現澆混凝土模板側壓力變化可分為3個階段:①第1階段 隨澆筑高度迅速增大,之后逐漸減小;②第2階段 振搗過程中側壓力迅速升高,大部分測點在此階段達到模板側壓力最大值,之后側壓力迅速減小;③第3階段 由于混凝土凝結硬化放熱,體積膨脹側壓力緩慢增大,隨后逐漸減小直至穩定。側壓力隨時間變化曲線如圖11所示。

圖11 模板側壓力隨時間變化曲線

2.4 復合保溫外模板系統變形規律分析

外模板外側位移計實際安裝位置如圖2所示。紅色實線表示板縫位置,左側一列從低到高依次是L1～L5號測點,右側一列從低到高依次是L8～L10測點。內模板通過滿堂腳手架固定,外模板通過在主楞處安裝對拉螺栓固定。

圖12是外模板位移曲線,圖13是次楞位移曲線,圖14為同一組位移計模板位移與次楞位移差值,即模板變形值。位移沿高度方向整體呈先增大后減小趨勢,在澆筑完成約2.5h后幾乎不再變化。其中L3處次楞位移最大,為2.81mm,B2處模板位移最大為7.11mm,B1處模板位移最大為4.43mm。由圖11,12可知,模板位移和次楞位移在2.5h后趨于穩定,同一豎列位移值基本隨著高度增高而減小,越靠下位移越大。

圖12 外模板位移曲線

圖13 次楞位移曲線

圖14 外模板變形曲線

由圖14可知,外模板變形值也從2.5h后趨于穩定,且同一列數據值滿足隨高度升高模板變形值減小的規律。測點B8,B9,B10在板中間,相當于單向受力的簡支板跨中部位;而測點B1,B2,B3位置板一側無次楞支承,受力情況相當于懸挑結構跨中位置,由于缺少次楞固定,發生較大位移,不滿足墻面平整度要求。因此,應注意設置次楞固定復合保溫模板邊緣。

在監測41h時,人為松動固定主、次楞的對拉螺栓,并繼續監測各測點位移變化。可以看出,次楞位移均迅速增加,為0.52～1.79mm,而外模板位移無明顯變化。說明此時,混凝土對外保溫模板已經無側壓力,而次楞位移增大是由于次楞擠壓外模板產生的變形在解除對拉螺栓約束后由于良好的彈性發生回彈變形。

3 結語

通過現場實測混凝土澆筑時復合保溫模板承受的側壓力及模板支撐系統變形,對比現行規范計算結果,分析得出以下側壓力及位移變化規律。

1)現澆混凝土對復合保溫模板產生的側壓力可分為3個階段:①第1階段 隨澆筑高度迅速增大,之后逐漸減小;②第2階段 振搗過程中側壓力迅速升高,大部分測點在此階段達到模板側壓力最大值,之后側壓力迅速減小;③第3階段 由于混凝土凝結硬化放熱體積膨脹,側壓力緩慢增大,隨后逐漸減小直至穩定。

2)由現場測試模板側壓力曲線可以看出,大部分測點側壓力最大值出現在振搗過程,最大值較第一峰值點的增大幅度無明顯規律,因此在設計模板及支撐系統時應充分考慮振搗時間和振搗方式,重視振搗過程對模板側壓力的影響。

3)從位移圖中可以看出,模板位移和次楞位移在2.5h后趨于穩定,同一側列的位移值基本隨著高度增高而減小,越靠下位移越大。在設計過程中,應該加強對下部模板的保護及對下部主次楞進行適當加密設計。

4)測點B8,B9,B10在板中間,相當于單向受力的簡支板跨中部位;而測點B1,B2,B3位置板一側無次楞支承,受力情況相當于懸挑結構跨中位置,由于缺少次楞固定,發生較大位移,不滿足墻面平整度要求。因此,應注意設置次楞固定復合保溫模板邊緣。