市政地下環路低矮結構XPS支撐板施工技術研究

摘 要：本文提出采用XPS材料作為支撐，抗受混凝土結構澆筑等上部荷載的技術方法，根據試驗數據對比荷載-變形曲線，以探索XPS板材各因素對支撐受力的影響。結果表明：在7組試件中，隨著XPS板材厚度增加，對整體界面黏結性能、穩定性能均有提高，60°的連接角度對工程施工最為有利。在評估XPS支撐體系的受載耗能過程中，發現選用厚度較大的XPS板有助于保證體系整體的穩定性，本文研究結論可以對地下環路中低矮夾層建筑的支撐施工提供應用基礎。

關鍵詞：XPS板材；支撐體系；市政地下環路；低矮混凝土結構

中圖分類號：TU 761 " 文獻標志碼：A

隨著我國城市的發展，立體式交通組織模式的市政地下道路工程的建設項目越來越多。在市政交通工程基礎設施快速發展的同時，功能多元化、復雜化的結構也給施工帶來了新挑戰，在重要的施工過程中存在低矮夾層結構施工的問題，而低矮夾層結構支撐體系作業效率低、難度高、危險性大[1]。針對此問題，結合現有施工經驗和施工技術，采用技術攻關，積極探索新的材料及其應用方法。

1 技術背景分析

XPS板材作為一種建筑節能的主要材料，多用于建筑外墻保溫及隔熱。與傳統的EPS材料、PU材料等相比，通過擠塑式聚苯烯將XPS合成一種板材，其工程價值更全面[2]，內部極其穩定的分子結構和較扁平的尺寸優勢可以在相對低矮的結構空間中發揮特定價值，與傳統的支撐架體的設計思路相比，使用XPS板材能夠克服支撐無法在有限的低矮空間中架設的困難，例如在建筑夾層結構中施工[3]。XPS板輕便，拆剪方便。因此，運用工況較多，需要對支撐體系進行研究。

2 XPS板界面黏結性能研究

2.1 XPS板設計與制作

為研究XPS板作為支撐材料的整體界面的黏結性，須對其進行定制化生產，按照圖1的方式生產XPS板材樣品，并進行試驗，其詳細的性能參數見表3。同時考慮試驗方便和計算便捷，用作支撐的XPS板高（厚度）為0.4～0.8m，在一個平面上累接3塊板材，每層之間用膠結材料連接，其材料力學性能[4]見表1和表2。

為了反映整體的黏結性能，考慮制作7種工況來說明XPS板的界面黏結度。由于支撐體系上需要綁扎鋼筋，因此設置傳遞受力路徑的X和Y兩個不同方向，設定基礎墊層的不同厚度、連接角度以及不同厚度XPS板，考慮設置兩組對照組，即設置XPS板材之間的膠結材料連接和不設置XPS板材之間的膠結材料連接兩組。最終得到7組試驗組，具體數據見表4。

2.2 試驗加載方法

考察其黏結性能，須采用單向擠壓逐漸加壓的方式進行剪切試驗[5]。為防止單向擠壓力過大造成應力集中破壞XPS板材的情況，當試驗時需要在XPS試驗組試塊上放置鋼片墊塊，以消散壓力，使試塊均勻受壓，墊塊尺寸為150mm×50mm×20mm。壓力機設有力傳感器，記錄施加壓力具體值，試驗儀器選用GH-20龍門壓力機，加載過程使用位移進行控制，將速度控制為0.2mm/min，為便于讀數，在三層XPS板交界的兩處分別放置兩個位移計，量程均為100mm，再將位移計讀數與dh3816程控動態數據采集儀連接，方便準確采集試驗數據，將數據采集頻率設置為0.25Hz。

2.3 試驗結果分析

對承載能力以及破壞模式進行分析，可用臨界面抗剪強度公式[6]計算抗剪強度。計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：τm為臨界面的抗剪強度，MPa；P為試驗的極限擠壓力，kN；A為黏結界面的面積，mm2。利用公式（1）對7組試驗進行單向擠壓剪切試驗，整理采集數據見表5。

表中數據為7組試驗組試驗實時結果輸出，通過數據顯示以及具體破壞形式可以分別對其進行分析。在考慮400mm、500mm、600mm、700mm和800mm的5種XPS板厚情況下，試驗結果顯示，隨著板厚增加，其抗剪強度也增加。在有無設置膠結材料情況下，相對滑移差異極大，表明膠結材料在豎向承載過程中，具有足夠的抗剪切強度抵抗XPS板材支撐體系，其界面黏結度較高。此外，考察了X向和Y向兩個不同方向的力學變化特性，隨著加載的變化，板厚的變化不會受到加載干擾。

2.4 荷載-變形分析

分別對上述試驗組進行不同要素變化情況下的荷載-變形曲線作分析。圖2為墊層厚度為50mm、60mm的兩種不同情況下的XPS板材的荷載-變形曲線。將數據進行對比發現：基礎墊層厚度與峰值荷載之間存在正相關關系。兩條曲線基本變化趨勢均為先上升后下降的變化狀態，但峰值荷載差異較大，在實際施工過程中應當考慮將墊層適當加厚，有利于最大化XPS板材支撐受力時的受載變形。

圖3為5種厚度的XPS板材荷載-變形曲線。對400mm、500mm、600mm、700mm和800mm這5種厚度進行分析，由圖3可知，隨著厚度增加，整體荷載-變形曲線趨勢在前段更為陡峭，而后逐漸拉平。荷載最大在12kN，變形存在一定的平臺效應，即承載不變，變形繼續增加，連續變形均為3mm左右。在實際施工中，該變形絕對安全可靠，可忽略不計。同時說明將XPS板材用作支撐材料具有優勢，與傳統鋼管、盤扣等支撐體系不同，其黏結滑移性能穩健。是工程上作為支撐材料的一項安全可靠的工具。

圖4對比了是否設置膠結材料對XPS板材試件受力后的變形響應。在不設置膠結材料工況下，整體能夠抗受的荷載值非常小，僅能承受5kN內的荷載。當膠結角度為30°時，其荷載-變形曲線整體較短，相對位移在5mm左右，而峰值荷載在9kN左右。相關關系大體符合先線性上升，而后線性下降的趨勢。當交接角度在60°時，其荷載-變形范圍相對更大，整體曲線也呈現非線性變化，峰值荷載在14kN左右，并且存在一個變形臺階。在膠結角度最為嚴苛，在粘接效果最顯著的90°的情況下，荷載與變形反復變化，出現多次波峰與多次波谷的情形，因此，應當優先考慮60°的膠結角度是工程支撐受載的材料理想變形角度。

3 XPS板穩定性能研究

將XPS板材用作支撐材料，需要對其耗能性進行分析，以確定在受荷后能量轉換的情況，從而確定材料自身的穩定性能。借助前述試驗工況，在材料受力達到峰值后，可以通過韌性反映耗能的度量指標，基于Kanda等人[7]提出的耗能理論，引入韌性指數來刻畫XPS板材在支撐受力過程中的耗能表現。如公式（2）所示。

（2）

式中：Tl為韌性指數；Epost為XPS板材在峰值荷載時對應的能量值，kN·mm，該能量度量即為上述荷載-位移曲線中對應變形所在的包絡面積，表征為荷載在某段位移區間上的定積分。δpeak為極限荷載所對應的相對滑移量，試驗中取前后兩端位移的平均值，mm；Ppeak為極限荷載值，kN。利用韌性指數公式，計算7組試驗組的耗能值，數據見表6。

由表6可知，XPS板材中耗能韌性指數最高為第七組試塊XPS（800），該組XPS板厚為800mm，采用該尺寸的XPS板材其耗能指數是XPS（400）的4倍。這表明在實際工程支撐中，隨著上部荷載的逐漸增加，XPS板的穩定性能會發生改變，板材相對較厚的韌性指數高，即受力后表現出的穩定性更好。同時，在板材厚度相同的情況下，X向與Y向的耗能韌性指數也不相同，對低矮空間受力來說，需要優先考慮在韌性指數較大的方向上進行現澆混凝土施工，這樣能夠利用其足夠的韌性達到抗失穩、支撐效果。但不同連接角度的耗能情況區域一致，沒有顯著差異，說明膠結材料的連接角度對XPS板材受荷后的耗能并無影響。

4 施工案例技術應用

在西安西咸新區空港新城T5站前商務區市政基礎設施項目地下環路工程中，存在部分夾層結構的低矮空間結構，在工程施工中，通過利用XPS材料的輕質高強特性，代替鋼管、盤扣支架作為臨時支撐澆筑混凝土結構，進行工程實踐。

本文采用的XPS板材尺寸為標準單元尺寸為1200mm×

600mm×100mm，腋角異形塊3種，分別為900mm×600mm×

100mm，600mm×600mm×100mm，300mm×600mm×100mm。砂墊層粗砂20m3。使用效果顯著，為地下環路施工降低了成本，提高了管理效率，縮短了建設工期。最終完工后沒有出現支撐穩定性問題，同時沒有出現結構變形或其他安全隱患，經測算，使用XPS板材共節省成本約3.7萬元。整個地下環路工程共節省成本約60萬元。

5 結論

XPS材料是重要的工程建筑材料，在地下環路施工中可用于支撐低矮空間結構，其界面黏結性能、整體穩定性能優越，與傳統鋼管、盤扣支架相比，效果更輕便、安全、環保和耐久，本文通過7組試驗論證了其實際力學性能，并對比得到有利于地下環路工程低矮空間的支撐施工技術要點，在實際施工實踐中，應特別考慮其材料特性并加以應用，從而為工程節約成本和提高施工效率。

參考文獻

[1]李雨珊，尹世平，徐世烺，等.ECC–XPS夾心復合墻板界面黏結性能試驗[J].工程科學與技術，2023，55（1）：232-242.

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[3]楊虎，易俊，田耿東，等.常用有機保溫材料在建筑中的應用及性能分析[J].節能，2020，39（5）：18-21.

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[7] KANDA T，LI V C.Interface property and apparent strength of high-strength hydrophilic fiber in cement matrix[J].Journal of Materials

in Civil Engineering，1998，10（1）：5-13.