全圓模板臺車在自密實混凝土澆筑中上浮力的控制技術*

施 筍，姚韋靖

(1.北京住總市政道橋工程有限責任公司，北京 100028；2.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著我國工程建設速度加快，在隧道結構和輸水隧洞結構施工中，自密實混凝土結合模板臺車的應用越來越廣泛。自密實混凝土在隧洞(道)結構中，實現模板臺車一次澆筑成型的同時，由于模板臺車上浮引起臺車端頭封堵板偏位跑模、臺車結構變形破壞、抗浮支撐變形、隧洞(道)澆筑的混凝土結構被拆除返工等問題，給施工造成極大困擾，因此，在自密實混凝土澆筑中，找出影響模板臺車上浮的關鍵，并形成關鍵技術是確保成型隧洞(道)結構質量和順利施工的關鍵。

目前對混凝土結合臺車的施工應用研究較多，對控制模板臺車上浮的技術缺少研究且不完善。張俊英等在阿基米德定律基礎上分析臺車上浮力，總結關于浮力的相關理論公式。高淑嫻通過貼應變片得出浮力與時間的關系曲線，并提出混凝土與模板間的黏附系數。王長春等提到現場實測浮力大小，但未闡述實測過程和方法。由此可見，目前主要集中于對模板臺車所受浮力大小的理論研究，對混凝土澆筑不同階段模板臺車抗浮力的變化和分布規律研究較少，對控制模板臺車上浮的研究針對性不強。北京市南水北調東干渠工程輸水隧洞長約44km，結構內凈空直徑4 600mm，結構厚400mm，輸水隧洞采用全圓針梁模板臺車(以下簡稱“模板臺車”)自密實混凝土一次澆筑成型，施工倉位分別長12，7.5m，自密實混凝土澆筑方量累計達28萬m3，為避免由于模板臺車上浮影響輸水隧洞結構，在已有研究基礎上，對模板臺車浮力變化進行理論分析和現場測試，找出澆筑過程中臺車浮力變化規律，從而為控制模板臺車上浮提供依據，研究模板臺車抗浮力分布規律對優化模板臺車的抗浮設計具有重要意義。

1 模板臺車浮力變化規律理論分析

1.1 模板臺車計算模型建立

1)計算模型

為更準確、更真實地反映模板臺車上浮隨著混凝土澆筑的變化情況，本文以現場實際臺車數據資料為依據(以12m倉位為例)，建立基于ANSYS的1∶1模板臺車三維計算模型，其有效計算長度12m，外徑4 620mm，該模型綜合考慮臺車材料性質、主要構件形狀和尺寸、不同構件連接特點等因素，浮力變化以靜態壓強的形式體現。模板臺車三維計算模型和單元劃分如圖1所示。

圖1 模板臺車三維計算模型

2)材料屬性

模型中各主要變形構件包括針梁、模板、抗浮裝置、門架等，均賦予實際材料的力學性能參數進行計算，12m臺車模型與實際臺車自重均為69t。

3)邊界條件

抗浮裝置端頭均設置為垂直位移約束，位移為0；針梁兩端為垂直位移約束，位移為0；模板一端采用法向位移約束，根據實際情況，允許存在少量垂直位移。模型邊界條件情況如圖2所示。

圖2 模型邊界條件

4)加載條件

考慮臺車自重，施加重力場；模板周圍施加法向變化壓強ρg·max(h-y,0)，其中ρg為混凝土密度，取25kN/m3，g為重力加速度，y為豎直坐標，h為混凝土液面高度(均以模板底部中心為坐標原點)。

5)抗浮支撐力監測點布置

抗浮支撐力監測點設置在每根抗上浮絲桿以及模板固定端，監測自由端抗浮支撐、中間抗浮支撐-1和中間抗浮支撐-2、固定端抗浮支撐的支撐力和模板固定端所受的豎向力變化，如圖3所示。

圖3 模板臺車抗浮支撐力監測點分布示意

1.2 計算結果分析

根據模型加載條件，結合施工情況，對臺車模板施加法向變化壓強的高度范圍為從模板最低點至二襯結構最高點，總高度5.01m，自下而上平均分為50步進行逐漸加載計算，每步上升高度為100.2mm，相當于對混凝土面逐漸上升過程進行模擬。

由有限元計算及臺車上浮量分析可知，0～24步混凝土澆筑方量為0～37.72m3，為控制臺車上浮的關鍵階段。當澆筑方量達37.73m3時，混凝土液面高度為2.4m，高出臺車中心線9cm。

控制階段的臺車各部位抗浮支撐力變化關系如圖4a所示。

圖4 臺車總抗浮支撐力變化規律

1)由圖4a可看出，澆筑方量0～22.83m3期間，抗浮支撐力≤0，由于臺車自重對各抗浮支撐產生向下的拉力，使抗浮支撐均處于受拉狀態。

2)澆筑方量達22.83m3時，即液面高度達0.9m，抗浮支撐力為0，說明F浮=G臺。

3)澆筑方量為22.83～37.72m3(液面高度為0.9～2.4m)時，抗浮力均處于線性增大狀態，此階段為澆筑控制的關鍵階段。此階段臺車所承受的總抗浮支撐力變化規律如圖4b所示。由圖4b可看出，總抗浮支撐力F總=71.115x-1 665.6，其中x為澆筑液面在0.9～2.4m的澆筑方量，總抗浮支撐力以變化速率71.115kN/m3遞增。

(1)

4)當澆筑方量為37.73m3時，抗浮支撐力達到最大，抗浮支撐力如表1所示。

表1 抗浮支撐力統計

由表1可看出，模板固定端(與已施工完成的結構搭接位置)承受40%以上的浮力，抗浮支撐所受總力為1 043.55kN。

2 模板臺車浮力現場測試試驗

2.1 試驗概況

根據數值計算結果，在現場選取12m倉位測試模板臺車上浮支撐力，驗證有限元計算結果與現場實測數據的匹配性。

現場測試模板臺車共設置4處抗浮支撐，其中固定端、自由端兩端抗浮支撐各采用8根絲桿共同支承，中間位置的抗浮支撐采用1臺機械千斤頂。抗浮支撐力測試是在臺車抗浮裝置處安裝軸力計，共安裝6臺(1～6號)軸力計，1，2號軸力計位于臺車自由端，3，4號軸力計位于臺車中間抗浮支撐位置，5，6號軸力計位于臺車固定端。軸力計現場安裝位置如圖5所示。

圖5 模板臺車軸力計安裝平面及縱斷面

1)每澆筑完1小罐車(2.5～2.7m3)記錄1次各軸力計讀數。

2)1，2，5，6號軸力計監測記錄從混凝土澆筑開始至完成；3，4號軸力計監測記錄從混凝土澆筑開始至62.5m3(澆筑至62.5m3中間抗浮支撐拆除)。

3)澆筑速度分別為10～12，6～8m3/h。

4)混凝土采用3m3容量小罐車隧道內運輸，地泵送入模板臺車內。

2.2 試驗數據分析

通過統計、總結現場測試數據，得出試驗倉位中最大抗浮支撐力對應的混凝土澆筑方量和模板臺車上浮支撐力分布比例(見表2，3)，并以其中兩倉為例繪制試驗澆筑方量和自由端支撐、中間抗浮支撐、固定端支撐的支撐力間關系曲線(見圖6)。

表2 混凝土最大監測支撐力對應澆筑方量

表3 支撐力占最大浮力比例 %

圖6 試驗倉支撐力監測曲線

2.2.1混凝土澆筑的4個控制階段

1)第1階段 混凝土澆筑0～10m3時(混凝土液面剛接觸臺車模板底部)，臺車各部位抗浮支撐力無變化，說明模板臺車所受浮力小或未受到浮力，混凝土入倉速度為10～12m3/h。

2)第2階段 混凝土澆筑(10～37)m3±3m3(混凝土液面高0.1～2.4m)時，抗浮支撐力急劇增大，當澆筑37m3(混凝土液面高約2.4m)時，抗浮支撐力最大，混凝土入倉速度為6～8m3/h。將抗浮支撐力與混凝土澆筑量擬合成線性關系y=Ax+B，參數A為33.871，偏差為1.17；參數B為-383.765，偏差為29.45，擬合關系如圖7所示。

圖7 抗浮支撐力與混凝土澆筑方量函數關系

3)第3階段 澆筑過程中，模板臺車抗浮支撐力最大時，繼續澆筑2.5～2.7m3，混凝土液面上升0.25m左右，支撐力突然下降4%～6%，混凝土入倉速度為6～8m3/h。

4)第4階段 從第3階段至完成澆筑，固定端和自由端抗浮支撐的支撐力最終平穩，混凝土入倉速度為10～12m3/h。

2.2.2抗浮支撐力總結

1)現場測試時，自密實混凝土澆筑過程中抗浮支撐最大浮力約1 000kN，固定端抗浮支撐力僅占總支撐力的1%左右，自由端抗浮支撐力占總支撐力的50%以上，靠近自由端的抗浮支撐力比靠近固定端的抗浮支撐力大4.5%左右。

2)通過數據進一步統計分析，抗浮支撐在計算過程中可簡化成彈性支座，單根支撐剛度約50kN/m。

3 結果對比

綜合分析比較有限元計算結果、現場測試結果，得到如下結論。

1)現場測試中，抗浮支撐力相比于有限元計算支撐力，偏差為-9%～2.5%，每個位置支撐力占總支撐力的比例偏差≤3%。

2)實測浮力起算點在混凝土液面到達模板底部時軸力計有讀數變化，而有限元計算模型中，混凝土液面高于模板底部0.9m后抗浮支撐力為正；支撐力最大值對應的混凝土液面和現場實測數據相匹配。

3)現場測試數據曲線顯示支撐力達到最大點后突降，再趨于平穩，而有限元計算曲線達到最高點后便趨于平穩。

結合以上結果，有限元計算能有效體現模板臺車在自密實混凝土澆筑過程中的總支撐力和每個位置支撐力大小及分布規律，對模板臺車抗浮支撐優化起指導作用，對模板臺車上浮控制以實測數據為主，控制方法如下：①第1階段F浮=0，0≤H≤0.006D，H為混凝土液面與到臺車模板底部的距離，可快速澆筑；D為臺車直徑；②第2階段F浮=1.4ρgx-6G，0.006D≤H≤0.57D，ρg=24kN/m3，G為臺車荷載(kN)，x為澆筑方量(m3)，現場測試表明，混凝土液面上升速度為0.6～0.8m/h；③第3,4階段F浮在第2階段達到峰值突然下降4%～6%后，至混凝土澆筑完成均趨于穩定，0.57D

為驗證結論實用性，在模板臺車結論的基礎上，運用4個階段的控制方法，現場試驗直徑相同、長度變為7.5m臺車的支撐力分布和支撐力變化規律，進一步證明混凝土的澆筑控制方法、支撐力分布規律、支撐力最大值公式的適用性。

4 結語

本文通過理論分析和現場試驗，對自密實混凝土澆筑過程中模板臺車抗浮支撐所受的支撐力變化規律、分布規律及控制模板臺車上浮方法進行研究，得出如下結論。

1)結構分段流水施工時，固定端位置的抗浮支撐承受的支撐力小，固定端位置的抗浮支撐可進行優化設計，但固定端搭接模板承受的抗浮力最大，建議增加搭接模板剛度，避免模板受壓變形嚴重。

2)模板臺車的中間位置為單根抗浮支撐，剛度偏低，不利于控制臺車上浮，建議在設計中增加中間位置的抗浮支撐剛度以減小臺車上浮。

3)在有限元分析中，考慮臺車系統為整體結構，模板臺車浮力控制起點是從臺車支撐力由負值變成正值時對應的混凝土澆筑方量。實際操作中，由于臺車模板是通過絲桿、油缸與針梁鉸接連接，臺車支撐力抵抗浮力過程是通過先抵消模板質量再逐漸增加到整個臺車質量，現場控制需從混凝土液面接觸模板底部開始。

4)現場測試過程中，最大支撐力對應澆筑方量存在上下浮動，因澆筑速度快時，最大支撐力對應的混凝土方量大；澆筑速度慢時，最大總支撐力對應的混凝土方量小，但最大總支撐力對應的混凝土液面高度在臺車中心線以上0.07D高度上下浮動。

5)自密實混凝土總支撐力的關系式和臺車質量有關，并不是臺車越重越能控制臺車上浮，而最終靠模板臺車的抗浮支撐和澆筑控制實現。

6)控制臺車澆筑速度是直接控制上浮的關鍵，對于不同尺寸的整體模板臺車，混凝土澆筑速度可按“快慢快”原則，即第2階段控制臺車澆筑速度，以每小時混凝土液面在臺車內上升的高度為基準。