束文輝，趙元一，涂虎強(qiáng)，湯永凈

(1.上海天華建筑設(shè)計(jì)有限公司，上海 200235； 2.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院嘉興市土木與環(huán)境高性能功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 嘉興 314051； 3.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院土木工程系，浙江 嘉興 314051；4.上海衡煦節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司，上海 200060)

0 引言

裝配式建筑是用預(yù)制部品部件在工地裝配而成的建筑，建設(shè)方式更環(huán)保，施工現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)無揚(yáng)塵、無廢棄物、無施工措施輔助物、無噪聲。發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措，有利于節(jié)約資源能源、減少施工污染、提升勞動(dòng)生產(chǎn)效率和質(zhì)量安全水平，且有利于促進(jìn)建筑業(yè)與信息化、工業(yè)化深度融合，培育新產(chǎn)業(yè)、新動(dòng)能，推動(dòng)化解過剩產(chǎn)能。

復(fù)合模殼墻體系(以下簡(jiǎn)稱模殼墻)由免拆的水泥基復(fù)合模殼、鋼筋骨架、拉結(jié)件、現(xiàn)澆混凝土組成，中間部分的現(xiàn)澆混凝土可滿足地下室防水要求。用于地下室外墻施工時(shí)，模殼僅作為模板使用，不參與受力，理論上模殼墻可用于地下室各部位。模殼墻結(jié)構(gòu)能夠節(jié)省大部分模板施工工作量，簡(jiǎn)化施工步驟，達(dá)到良好施工效果。

在以模殼墻為基礎(chǔ)的裝配式地下室施工過程中，尚存在以下問題：①我國(guó)裝配式建筑發(fā)展迅猛，新產(chǎn)品、新工藝不斷涌現(xiàn)，需在實(shí)際工程中得到檢驗(yàn)，目前由于不同原因，推廣應(yīng)用力度不足；②對(duì)裝配式地下室結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性研究較少。為初步解決上述問題，本文針對(duì)建筑中最常見的雙面模殼地下室外墻，進(jìn)行混凝土澆筑過程中各受力部件的理論分析和施工過程中的受力監(jiān)測(cè)，并以此為基礎(chǔ)總結(jié)較適當(dāng)?shù)氖芰δＰ秃陀?jì)算方法。

對(duì)于確定模殼墻在混凝土澆筑過程中的側(cè)壓力，不同規(guī)范和研究給出了不同的計(jì)算方法，但實(shí)際計(jì)算結(jié)果差異較大。模殼墻是空腔預(yù)制構(gòu)件，根據(jù)設(shè)計(jì)要求配置受力鋼筋和構(gòu)造鋼筋，在工廠生產(chǎn)完成后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行就位，并在空腔內(nèi)(內(nèi)、外墻板之間)澆筑混凝土。本文以模殼墻足尺試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析組成墻體的拉結(jié)件和模殼在混凝土澆筑過程中的受力特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)概況

模殼墻主要由模殼和拉結(jié)件組成。本試驗(yàn)測(cè)試在混凝土澆筑過程中拉結(jié)件的應(yīng)變、模殼外表面的應(yīng)變等。

1.1 試件設(shè)計(jì)

由于模殼墻構(gòu)造獨(dú)特，造成其在混凝土澆筑過程中的側(cè)壓力與傳統(tǒng)木模墻和鋼模墻有較大差異。為避免模殼墻在混凝土澆筑過程中出現(xiàn)爆模現(xiàn)象，需研究模殼墻自身是否存在問題。為此，本試驗(yàn)旨在研究混凝土澆筑過程中模殼墻和拉結(jié)件性能，以驗(yàn)證其是否滿足施工安全要求。

考慮單層地下室極限高度和相應(yīng)厚度，將模殼墻設(shè)計(jì)為高4.7m、厚400mm的凈空腔，如圖1所示。模殼墻內(nèi)、外葉為水泥基材料，均厚20mm，彈性模量為4.0×104MPa，抗壓強(qiáng)度為4.5MPa。拉結(jié)件為長(zhǎng)435mm、寬20mm、厚2mm的鍍鋅鋼片，抗拉強(qiáng)度為235MPa，彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.31?，F(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1測(cè)點(diǎn)及測(cè)試儀器布置

在拉結(jié)件、模殼外表面布設(shè)應(yīng)變片(見圖2)，將編號(hào)為1-1H～8-1H的測(cè)點(diǎn)布設(shè)在拉結(jié)件加密區(qū)位置，即位于模殼墻底部至距底部2.45m的位置，測(cè)點(diǎn)9-1H，10-1H位于模殼墻等間距拉結(jié)件區(qū)間。為保證模殼墻穩(wěn)定和澆筑混凝土安全，在距試件底部1.18，1.98m的水平位置設(shè)置2道斜支撐。

采用數(shù)據(jù)采集儀同步采集混凝土澆筑過程中的應(yīng)變片和傳感器讀數(shù)，傳感器和數(shù)據(jù)采集儀型號(hào)如表1所示。

表1 主要儀器設(shè)備

1.2.2模殼應(yīng)變理論分析

對(duì)模殼布置應(yīng)變片的區(qū)域進(jìn)行受力分析，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

模殼墻跨中位置以下側(cè)受拉為主，支座位置以下側(cè)受壓為主，將應(yīng)力沿應(yīng)變片長(zhǎng)度積分，得到應(yīng)變計(jì)理論測(cè)量值。

根據(jù)圖3所示模殼墻-拉結(jié)件計(jì)算模型，將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置于兩拉結(jié)件之間的跨中位置，x向?yàn)槔Y(jié)件水平布設(shè)方向，y向?yàn)榇怪庇谀Ψ较?，則模殼墻在混凝土澆筑過程中沿x軸產(chǎn)生的彎矩M為：

(1)

式中：q為作用于模殼墻上的荷載；l為模殼墻寬度。

由混凝土澆筑產(chǎn)生的均布荷載在應(yīng)變片固定區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力變化為：

(2)

式中：ε為應(yīng)變；σ為應(yīng)力；E為模殼墻內(nèi)外葉彈性模量；W為截面慣性抵抗矩。

由式(2)可知，應(yīng)變片所測(cè)變形應(yīng)為模殼墻(類似于雙向板)受力過程中，沿模殼墻鉛垂方向撓度產(chǎn)生的拉應(yīng)變，如圖4所示。

應(yīng)變片在混凝土澆筑過程中產(chǎn)生的撓曲變形可能包括：①與應(yīng)變片平行的水平方向撓曲fx1；②垂直于應(yīng)變片的鉛垂方向均布荷載在應(yīng)變片所在方向產(chǎn)生的的撓曲fx2。由式(2)可知fx1撓曲變形對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?，應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變?yōu)閳D4中雙向板與單向板變形差值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，即混凝土澆筑產(chǎn)生的均布?jí)毫σ鸬哪︺U垂方向拉應(yīng)變。

1.2.3混凝土澆筑及數(shù)據(jù)采集方案

考慮一次混凝土澆筑高度太大會(huì)產(chǎn)生較大的模殼側(cè)壓力，本試驗(yàn)混凝土分2次澆筑，第1次澆筑高度為3.2m，第2次澆筑高度為1.5m。澆筑混凝土?xí)r從試件頂端向下倒入，當(dāng)混凝土澆筑至3.2，4.7m高度時(shí)進(jìn)行振搗。

采用DH3816N型東華靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)預(yù)測(cè)應(yīng)變計(jì)變化速度設(shè)定變頻采集數(shù)據(jù)，混凝土澆筑過程中每隔5s采集1次數(shù)據(jù)，混凝土澆筑完成后1h內(nèi)每隔1min采集1次數(shù)據(jù)，混凝土澆筑完成后1～3h內(nèi)每隔5min采集1次數(shù)據(jù)，混凝土澆筑完成3h后每隔10min采集1次數(shù)據(jù)。測(cè)試終止條件設(shè)定為：應(yīng)變計(jì)所測(cè)數(shù)值2h不變，且總測(cè)試時(shí)間≥24h。

混凝土澆筑時(shí)，環(huán)境溫度為20℃，相對(duì)濕度為50%，北風(fēng)4～5級(jí)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，混凝土平均澆筑速度為43m/h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在混凝土澆筑過程中，近支撐點(diǎn)處的部分測(cè)點(diǎn)受到干擾，未采集到數(shù)據(jù)或采集數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。為此，本文僅列出規(guī)律性較強(qiáng)的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，用于分析模殼墻在混凝土澆筑過程中的受力。

2.1 模殼應(yīng)變、應(yīng)力

模殼典型測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨混凝土澆筑高度的變化如圖5所示。由圖5可知，隨著混凝土澆筑高度的增加，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)龃?，混凝土澆筑高度與測(cè)點(diǎn)應(yīng)變基本成正比例關(guān)系，其中，位于模殼墻下部的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)龇^大。

混凝土澆筑完成時(shí)模殼表面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力沿模殼墻高度的分布如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)混凝土澆筑完成時(shí)，模殼表面應(yīng)力沿模殼墻高度的分布規(guī)律基本為下大上小，無嚴(yán)格的線性分布，但線性規(guī)律尚可。

2.2 拉結(jié)件應(yīng)變、應(yīng)力

拉結(jié)件在混凝土澆筑過程中的應(yīng)變和混凝土澆筑完成時(shí)的應(yīng)力分別如圖7，8所示。由圖7可知，隨著混凝土澆筑高度的增加，拉結(jié)件應(yīng)變相應(yīng)增大，線性規(guī)律尚可。由圖8可知，混凝土澆筑完成時(shí)，拉結(jié)件應(yīng)力隨模殼墻高度的變化線性規(guī)律不強(qiáng)，這與拉結(jié)件位置、模殼內(nèi)密布拉結(jié)件與模殼共同形成的多次超靜定結(jié)構(gòu)體系有關(guān)。

通過對(duì)比拉結(jié)件幾何位置和拉結(jié)件實(shí)際受力情況可知，不同位置拉結(jié)件在不同混凝土澆筑高度下的受力參數(shù)與實(shí)際情況基本一致。

3 結(jié)語

通過拉結(jié)件連接、內(nèi)外葉同時(shí)養(yǎng)護(hù)的模殼墻因其新穎的構(gòu)造和高效的制作方法，可應(yīng)用于工程建設(shè)中。現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土是模殼墻形成實(shí)體墻的關(guān)鍵工序，本文測(cè)試高度為4.7m、厚度為400mm、內(nèi)外葉厚度為20mm的模殼墻在混凝土澆筑過程中的受力，得出以下結(jié)論。

1)本試驗(yàn)中模殼墻應(yīng)變片所測(cè)應(yīng)變?yōu)榛炷翝仓a(chǎn)生的均布?jí)毫σ鸬哪︺U垂方向拉應(yīng)變。

2)由模殼典型測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨混凝土澆筑高度的變化可知，隨著混凝土澆筑高度的增加，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)龃?，混凝土澆筑高度與測(cè)點(diǎn)應(yīng)變基本成正比例關(guān)系，其中，位于模殼墻下部的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)龇^大。

3)由混凝土澆筑完成時(shí)模殼表面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力沿模殼墻高度的分布可知，當(dāng)混凝土澆筑完成時(shí)，模殼表面應(yīng)力沿模殼墻高度的分布規(guī)律基本為下大上小，無嚴(yán)格的線性分布，但線性規(guī)律尚可。

4)由拉結(jié)件在混凝土澆筑過程中的應(yīng)變和混凝土澆筑完成時(shí)的應(yīng)力可知，隨著混凝土澆筑高度的增加，拉結(jié)件應(yīng)變相應(yīng)增大，線性規(guī)律尚可；混凝土澆筑完成時(shí)，拉結(jié)件應(yīng)力隨模殼墻高度的變化線性規(guī)律不強(qiáng)。