框架橋結構施工中采用不同模版對減少裂縫的效果及機理分析

摘 要：該文通過不同工況下對鋼模板和木模板進行數值模擬，結果分析，在不同的時間段內采用鋼模板澆筑時，整體溫度變化較小，較快使混凝土溫度降低，而木模板具有一定保溫作用，降溫時間長，周期大；通過現場試驗數據分析，B箱涵裂縫寬度為0.2～0.3 mm，C箱涵裂縫寬度為0.3～0.4 mm，從裂縫總體來看，C箱涵采用木模版裂縫寬度比B箱涵采用鋼模板裂縫寬度略寬；通過數值模擬和現場試驗數據對比，框架橋結構施工中采用鋼模版較木模板對抑制裂縫效果更好。

關鍵詞：框架橋；裂縫；數值模擬；鋼模版；木模版

中圖分類號：TU755.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0074-04

Abstract： In this paper， steel formwork and wood formwork are numerically simulated under different working conditions. The results show that when steel formwork is used in different periods of time， the overall temperature change is small， and the concrete temperature decreases rapidly， while wood formwork has a certain heat preservation effect， long cooling time and long period. Through the analysis of the field test data， the crack width of B box culvert is 0.2～0.3 mm and the crack width of C box culvert is 0.3～0.4 mm. Generally speaking， the crack width of wooden template in C box culvert is slightly wider than that of steel formwork in B box culvert. Through the comparison of numerical simulation and field test data， steel formwork is more effective in restraining cracks than wooden formwork in frame bridge construction.

Keywords： frame bridge; crack; numerical simulation; steel formwork; plank sheathing

在土木工程項目施工過程中需要采用模版，選用哪種模版對混凝土的熱量消散起到決定作用，混凝土中裂縫產生的主要原因是混凝土在受到內外因素破壞情況下發生結構變化，混凝土中一旦有裂縫的產生就直接導致結構主要性能降低，包括承載力、防水性等[1-3]。劉艷君等[4]在不同模版類型對混凝土強度的影響及機理分析中指出，鋁膜板及木模版在施工過程中，通過加強對混凝土養護，鋁膜板可以降低混凝土強度增長過程中的碳化程度、進而提高混凝土的強度，保證現場混凝土施工質量。張瑋[5]從材料、設計、施工3個方面分析了框架橋受力和出現裂縫的原因，但最終沒有提出相應的養護方案。

國內外對混凝土裂縫成因研究較多，同時根據不同的工程特性對控制混凝土裂縫提出相應治理措施，但對框架箱涵研究很少[6]；鹿子鳴[7]提出了大體積混凝土凝結時間的判別標準，并通過Ansys數值模擬大體積混凝土溫度場和應力場隨時間的變化規律，并未對框架橋裂縫的產生緣由及抑制裂縫效果提出相關見解。孫龍[8]從施工工藝出發，通過支架施工工藝從現澆梁出發，分析并總結相關注意事項及安全措施，并從材料進場、基礎驗收和支座驗收等方面提出相關要求。喬瑜[9]從不同計算方法下框架橋配筋角度出發，分析2種不同設計規范在材料和荷載取值上的差異，并對框架橋頂，底板配筋設計，比較不同理論值框架橋配筋差異化，從而給出相應理論參考。由于混凝土裂縫成因復雜，針對框架箱涵的的相關研究還比較欠缺，尤其從框架箱涵施工工藝對溫度及應力研究分析較少，給施工控制方案的制定帶來不便。本文根據蘭州地區某工程項目，通過數值模擬結合試驗，從不同施工工藝導致混凝土溫度及應力角度出發，研究最佳抑制裂縫效果，為相關工程項目提供參考。

1 數值模擬及有限元分析

1.1 數值模擬

針對蘭州市某項目，采用2種不同材料類型的模板進行數值模擬分析，給予模板賦予鋼和木的2種材料參數（表1）根據施工現場實際建立Ansys模型并對不同模版輸入相應參數（圖1），對單元進行熱分析時采用澆筑后，同時單元具有熱導性能。所有對單元在分析時首先分析其熱導性能，其次，在對整體結構進行結果分析，所以需要采用solid45將整個單元進行代替并用于三維狀態下。模型的計算首先由溫度場出發，并將結果轉化為應力場計算數據進行結構計算，最終將分類計算轉換為結構計算，改變相關單元荷載并將荷載施加到單元中，因為在結構中配筋也是單元計算的影響因素，所以需要將配筋考慮到結構計算單元中去以此來更加精確反映實際情況。

表1 不同模版參數

從表1可以看出，對比鋼模板和木模板的參數，鋼模板密度為7 790 kg/m3，木模板密度為500 kg/m3，鋼模板密度為木模板的15倍以上；從比熱容來看鋼模版比熱容為0.46 kJ/（kg·℃），木模板比熱容為1.72 kJ/（kg·℃），木模板為鋼模板的3.7倍以上；導熱系數方面鋼模板的導熱系數為130 kJ/（m·h·℃），木模板導熱系數為10 kJ/（m.h.℃），鋼模板導熱系數為木模版導熱系數的13倍。對比2種模版不同參數，鋼模版和木模板有著本質的區別。

1.2 有限元分析不同工況下對混凝土溫度裂縫影響

通過不同模版輸入不同參數，并將結果進行分析（圖2—圖3），根據澆筑時間推移，并以24 h澆筑為節點，鋼模板中底板最高溫度為60 ℃左右，木模板中最高溫度為80 ℃左右；說明在模型中加入鋼模板對溫度控制效果較好，同時根據Ansys數據反饋結果，在加入鋼模板后模型內部溫度消散更快，可以達到較好抑制裂縫效果。

如圖4—圖7為澆筑時間72～96 h溫度變化，在澆筑時間為96 h后混凝土內部溫度達到最高值，但分析不同工況下溫度峰值，鋼模板最高溫度峰值為61.3 ℃，木模板中最高溫度峰值為77.8 ℃。鋼模板中混凝土內部溫度明顯低于木模板中混凝土內部溫度。

通過對鋼模板及木模板混凝土進行澆筑，2種工況下混凝土內部溫度隨時間變化有明顯不同（圖8—圖9），當澆筑開始時，隨著時間推移，鋼模板比木模板溫度達到最高時所需要的時間更快，通過觀測可以得到，2種模版在彼此達到最高溫度時，鋼膜所需要的時間為40 h而木模板所需要的時間為60 h，鋼模版所需時間較木模板少20 h。在同時對比底板溫度，鋼模板底板與木模板底板溫度相差較大，采用鋼模板澆筑時，當時間為24 h時底板溫度最高，達到的溫度極值為24 ℃；而對比采用木模板澆筑時，當時間為48 h時內部混凝土溫度達到最高，達到的溫度極值為60 ℃。同時通過時間遞增2種工況下混凝土溫度達到最高值，鋼模板澆筑時最高溫度為68 ℃，而木模板澆筑時最高溫度為81 ℃。同時鋼模板在澆筑過程中整體降溫較木模板更快，因此通過以上數據分析得到，采用鋼模板澆筑時最高溫度較木模板溫度更低。對比2種工況下，鋼模版散文效果較木模板更快，同時反饋木模版具有一定的保溫效果。

通過圖2—圖9中不同工況下采用模版進行澆筑，混凝土內部不同溫度反饋結果可知，木模板在混凝土進行澆筑時，具有一定保溫效果，降溫時間更長，周期更大；鋼模板在混凝土澆筑時，混凝土最高溫度較木模板更低，同時對比木模板來說達到內部最高溫度所需要的時間更短，混凝土內部溫度消散所需時間更少，反映在抑制裂縫方面，采用鋼模板進行澆筑對抑制裂縫效果較木模板效果更好。

2 現場試驗

結合有限元模擬分析結果，通過在混凝土內部一定的測點埋設溫度傳感器，測得試驗點位溫度隨時間變化過程。在試驗現場選取B箱涵與C箱涵進行測量溫度與應力情況，C箱涵采用木模板澆筑，B箱涵采用鋼模板澆筑，加強養護。由于底板混凝土先澆筑，側墻及頂板混凝土后期一次澆筑成型，故在底板澆筑時提前先測量底板溫度變化，上部混凝土在其澆筑前開始測量記錄。

3 不同工況下裂縫檢測分析

通過混凝土裂縫綜合檢測儀對裂縫寬度進行逐條測量，選擇不同箱涵中具有代表性的裂縫進行分析，其中C箱涵和B箱涵的裂縫如圖10、圖11所示。

如圖10所示，在C箱涵中選取具有代表性裂縫進行分析，C箱涵中最大平均裂縫寬度為0.309 mm。裂縫寬度貫穿整個箱涵并聯通側墻。中間較長均為0.3～0.4 mm寬度。

如圖11所示，B箱涵中裂縫方向整體上呈豎直，裂縫寬度較小，最寬處為0.3 mm左右，在裂縫延伸至一定距離后，寬度逐漸減小，裂縫消失，但在距離裂縫消失位置左右1 mm處錯節重新出現并開始延伸，寬度逐漸變大后又減小至消失。

對比不同工況下裂縫情況，B箱涵裂縫寬度為0.2～0.3 mm，C箱涵裂縫寬度為0.3～0.4 mm，從裂縫總體來看，C箱涵裂縫寬度比B箱涵裂縫寬度略寬；在現場施工過程中，采用鋼模板較采用木模板對抑制裂縫效果更好。

4 結論

1）通過數值模擬結果分析，在不同的時間段內采用鋼模板澆筑時，整體溫度變化較小，較快使混凝土溫度降低，而木模板具有一定保溫作用，降溫時間長，周期大。

2）通過現場試驗數據分析，B箱涵裂縫寬度為0.2～0.3 mm，C箱涵裂縫寬度為0.3～0.4 mm，從裂縫總體來看，C箱涵裂縫寬度比B箱涵裂縫寬度略寬。

3）通過數值模擬和現場試驗數據對比，框架橋結構施工中采用鋼模版較木模板對抑制裂縫效果更好。

參考文獻：

[1] 戴會超，王建.國內外水利水電工程混凝土裂縫及其防止技術研究[M].北京：黃河水利出版社，2005.

[2] 彭立海，閻士勤.大體積混凝土溫控與防裂[M].北京：黃河水利出版設，2005.

[3] 粉煤灰混凝土應用技術規范：GBJ 146—90[S].北京：中國計劃出版社，1991.

[4] 劉艷君，岳子笑.不同模板類型對混凝土強度的影響及機理分析[J].北方建筑，2022，7（6）：16-20.

[5] 張瑋.鐵路斜交框架橋混凝土裂縫成因及控制[J].四川建筑，2009，29（1）：203-204.

[6] 汪子博.下穿鐵路箱涵砼裂縫產生的原因及預防措施[J].四川水泥，2015（1）：215.

[7] 鹿子鳴.超長大體積混凝土溫度效應及施工方法研究[D].天津：天津大學，2022.

[8] 孫龍.滿堂支架施工技術在框架橋施工中的應用研究[J].工程建設與設計，2023（21）：169-171.

[9] 喬瑜.不同計算方法下的框架橋配筋差異性分析[J].大眾標準化，2023（4）：184-186.