预制梁泡沫芯模关键技术研究及应用

1 工程概况及重难点分析

国道307项目位于内蒙古阿拉善地区, 项目大中桥共计9座, 20m箱梁共计68榀, 箱梁预制内模板采用聚苯乙烯泡沫芯模, 泡沫芯模又称一次性消耗内模板, 在完成混凝土结构浇筑后不再像传统木、而是与混凝土结构形成共同受力构件。但泡沫芯模的应用存在两大技术难点: (1) 由于泡沫芯模弹性模量较小, 密度较小, 施工过程中泡沫芯模在各种荷载作用下会产生上浮和变形; (2) 泡沫芯模本身热传导性能较低, 预制时间在阿拉善地区5月-9月份, 该地区昼夜温差较大, 浇筑后梁体局部水化热温度较高, 梁体主拉应力超限, 进而产生裂缝。

2 泡沫芯模参数选取

查阅国家标准GB/T8813—2008《硬质泡沫塑料压缩性能的测定》和国家标准GB/T 1080.1一2002《绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》中对各种密度等级的聚苯乙烯泡沫塑料的规定, 得到聚苯乙烯泡沫芯模密度及其他参数, 具体如下:

内模密度:20kg/m3;表观密度:60kg/m3;湿混凝土容重:2500 kg/m3;表层抗压强度:400k Pa。

3 泡沫芯模变形分析

3.1 有限元模型

泡沫芯模变形计算采用Midas Fea软件进行模拟计算, 考虑泡沫芯模对称特点, 为节省计算时间, 建立1/4实体单元模型, 结构离散图如下图所示:共计节点16968个, 单元12300个。泡沫芯模顶面抗浮构造板单个面积0.6m×0.15m, 每1m设置一个, 共计20个。

3.2 有限元计算结果

3.2.1 湿重压强作用 (考虑抗浮构造边界)

仅考虑液态混凝土压强作用下, 应力云图如下图所示。由图可知, 仅在湿重作用下, 泡沫芯模最大主应力均出现在顶面, 最大主应力为2.2KPa, 最小主应力为-178.7Kpa (抗浮装置板下缘) 。顶面最大法向压应力-169.1Kpa。

3.2.2 泡沫芯模变形

由计算结果可知, 泡沫芯模底面最大变形达到20mm (向上) ;顶面最大变形达到15mm (向上) ;水平线个最大变形为3mm, 出现在侧面底缘。

4 泡沫芯模水化热分析

采用Midas civil建立有限元模型, 对箱梁进行水化热分析。

相关参数如下:

(1) 环境温度:为了更准确预测预制现场环境温度情况, 资料收集整理内蒙古阿拉善地区2011年-2015年度5月-9月份温度, 以及统计历史天气温度变化情况, 通过统计分析, 得到以下规律:每年6月-8月温度变化基本类似, 若以该三个月为预制梁施工期, 则月平均高温约为27℃, 月平均低温约为17℃;月极端高温约34℃;月极端低温约12℃。

环境温度取两组正弦变化函数:

A:均值22℃, 变化值±5℃ (即17℃~27℃) ;

B:均值22℃, 变化值±11℃ (即12℃~33℃) 。

(2) 混凝土对流边界

混凝土与钢模板对流系数:12kcal/m^3*hr*[C];

混凝土与泡沫芯模对流系数:0 kcal/m^3*hr*[C] (按最不利考虑, 认为芯模完全隔热) ;

(3) 热源函数:参照公式F (t) =K* (1-e-a*t) , 其中a=0.4, K由材料表计算结果可知为74.34℃。

(4) 混凝土现场浇筑温度为26.5℃ (现场实测) 。

4.1 箱梁有限元模型

考虑箱梁对称, 为节约计算时间, 建立1/4箱梁有限元模型, 节点共计16968个, 实体单元个数12300个。

结构边界条件:约束底面所有节点三个平移自由度;约束梁跨中断面纵向自由度;约束梁中截面横向自由度。

4.2 计算结果分析

4.2.1 环境温度A工况

水化热应力计算结果:最大主拉应力为2.29MPa, 发生在梁端L/8处梁内侧下表面;最高升温81.9℃, 出现在梁顶面。

4.2.2 环境温度B工况

水化热应力计算结果如下:最大主拉应力为4.19MPa, 发生在跨中梁内侧下表面;最高升温80.7℃, 出现在梁顶面。

5 预制施工注意事项

5.1 控制泡沫芯模变形措施

针对泡沫芯模上下表面理论变形情况, 采取限位装置, 按照每0.5m布置一块限位木板, 单块板面积不变, 可使顶面变形量减小一半以上, 使最大变形控制在7mm左右。针对下表面整体变形为17mm~20mm之间, 可通过对泡沫芯模预制工艺, 芯模高度增加15mm, 达到855mm;或在泡沫芯模底部开消能槽, 将施工过程中混凝土上浮能量加以抵消。水平变形影响可以忽略。根据上述分析可知, 在混凝土浇筑过程中采取抗浮装置 (每1m布置一块限位木板, 木板面积0.6m×0.15m) , 泡沫芯模强度满足要求。

5.2 控制泡沫芯模水化热措施

通过箱梁的水化热分析可知, 以泡沫芯模作为内模进行混凝土浇筑过程中, 需要对混凝土进行高效的高温养生, 特别是底面关键部位的保温保湿。

本次计算依据为PO52.5等级水泥, 其中水泥用量387kg/m3, 矿粉97kg/m3, 水15597kg/m3, 粗骨料1087kg/m3, 浇筑是温度为26.5℃, 为进一步降低梁体浇筑后水化热作用, 在施工监理批准的情况下, 应考虑降低水泥标号, 使用PO42.5水泥。

摘要：目前桥梁工程中预应力箱梁及空心板正在大量使用永久性泡沫芯模内模板进行施工, 泡沫芯模由于重量较轻, 可节省大量人工、机械费用, 加快施工进度, 但泡沫芯模本身热传导性能较低, 浇筑后梁体局部水化热温度较高, 使得预制梁腹板处产生裂缝, 并且由于芯模弹性模量小, 容易变形, 振捣时亦会造成泡沫芯模上浮, 本文结合内蒙古国道307项目泡沫芯模的具体应用情况, 分析总结了泡沫芯模在施工过程中的关键技术研究及应用。

关键词：泡沫芯模,变形,水化热分析

参考文献

[1] 桥梁工程泡沫塑料永久性内模技术应用研究.吴俊杰

[2] 卢子兴, 寇长河, 李怀祥。泡沫塑料拉伸力学性能的研究[J]。北京航空航天大学学报, 1998, 24 (6) :646-649.

[3] 卢子兴, 等。泡沫塑料力学性能研究综述。力学进展, 1996, 26 (3) :306-323。