结构一体化模板在电厂楼层中的应用和展望

2022-10-03

1 当前常见的模板工艺

同其它多层工业厂房一样, 尽管出现了钢柱、钢梁等结构体系形式和新材料, 但是由于混凝土结构体系的诸多优点, 电厂厂房楼层仍多为现浇钢筋混凝土楼层。众所周知, 模板体系对现浇混凝土工程的工期、造价和质量有重要的影响, 当前厂房土建工程常用的模板材料有普通组合钢模板、胶合板模板和木模板。木模板耗费了大量木材, 造成树木的被砍伐, 从而导致对生态环境的破坏, 现除了用作复杂节点的处理和辅助其它模板外已基本不用。

1.1 普通组合钢模板

模板材料为钢材, 钢模板具有自身刚度大、周转次数多和使用寿命长等优点, 缺点是施工强度大、拼缝多和易流浆, 浇筑后的混凝土观感差, 需进行粉刷等后续处理。常用规格的长度有600mm~1800mm, 中间以模数300mm递加;宽度有100mm、150mm、300mm、450mm、500mm、600mm等。

普通组合钢模板需用钢管加固, 与钢管支架组成支撑系统, 共同承受浇筑混凝土时的全部作用力。

1.2 胶合板模板

模板是竹 (或木) 胶合板表面复膜 (例如酚醛) 处理而形成的。由于竹材生长期短, 并且一次种植可以多次砍伐, 所以竹胶合板在整个胶合板中所占的比例远大于木胶合板。胶合板体系自重轻、组装方便, 尤其适用于预埋铁件较多的电厂厂房, 浇筑后的混凝土表面光滑平整, 缺点是周转次数低, 需配以大量方木加固。

胶合板模板需用50mm×100mm方木加固, 与钢管支架组成支撑系统, 共同承受浇筑混凝土时的全部作用力。

2 压型钢板组合楼板

压型钢板与钢筋混凝土楼板形成压型钢板组合结构, 压型钢板直接用作现浇混凝土的永久性底模, 与混凝土浇筑在一起, 不用拆除。组合楼板结构的两纵端支撑点一般为钢梁, 但也有混凝土梁。为了使两种不同性能的材料能结合在一起共同工作, 在压型钢板的靠混凝土侧设有凸点 (或者铆钉, 或者栓钉) 抵抗相对纵向滑移, 在压型钢板波峰顶面沿横向焊接钢筋抵抗垂直分离, 见图1。

从受力性能分析, 压型钢板可以分为两类:第一类是仅仅用作永久性模板, 第二类除具备第一类功的功能外, 还与混凝土共同受力, 承受结构使用期的功能, 实际工程中常见的是第二类压型钢板。因此也可以看出与其它构件的稍有不同, 压型钢板组合楼板采用的是“两阶段两状态设计”, 即施工阶段的极限承载力状态设计和正常使用状态设计, 使用阶段的极限承载力状态设计和正常使用状态设计。

国产压型钢板的有效宽度为6 0 0 m m~800mm, 波峰的高度为70mm~75mm, 长度视梁的间距而定, 钢板厚度0.8mm~2.3mm。

不难想象, 由于压型钢板本身具有一定的刚度可作为现浇混凝土的模板和施工平台, 从而省去了拆模板的时间, 省去了搭、拆钢管支架的时间, 这样就大大加快了施工进度。压型钢板组合楼板与钢梁组成的楼层结构自重轻、抗震性能好, 所以这种结构适宜电厂的汽机运转层平台、炉前平台和煤仓间平台等位置。

3 组合结构新型模板材料的概念设计

压型钢板组合结构断面尺寸大, 难以应用于梁、柱构件。能否找到与梁、柱混凝土结构一体化的新型模板材料呢?新型模板材料应具备下列特征: (1) 永久性模板, 不用拆除。省去了拆除模板的时间, 但不一定省去搭、拆钢管支架的时间。 (2) 作为结构的一部分, 参与共同受力。 (3) 不仅用作现浇混凝土的底模, 而且还可以用作侧模, 使得新型模板材完全取代旧模板成为可能。 (4) 装饰功能, 作为建筑面层, 要求色彩丰富, 观感性好, 能满足不同客户的需要。 (5) 可施工性, 能与加固系统有可靠的连接, 见图2。

根据经验判断, 新型模板材料的物理参数如弹性模量Ex、抗拉强度fx和抗压强度f'x应介于木材与钢材之间, 且趋于钢材的特性。新型模板材料的厚度不宜太薄, 否则刚度不能满足要求;也不宜太厚, 可参照现行竹胶合板的厚度予以折减。在图二情形中, 模板加固及支架不能取消。以当前常用方木加固和钢管作为支架的情况下, 利用计算模型可以推算出新型模板材料的力学性能及对应的厚度尺寸, 从而探寻新型材料。

3.1 单纯用作永久性模板的新型模板材料

与一般结构构件设计相同, 满足“两阶段两状态”下要求。以现浇钢筋混凝土梁底模为例, 该构件以受弯为主, 承载力极限状态需计算抗弯承载力, 正常使用状态需计算挠度。

3.1.1 构造与特点

(1) 施工阶段。新型模板材料作为浇筑混凝土的不可拆卸的永久模板, 由于其自身刚度不足, 仍需加固和支架系统。

(2) 使用阶段。主要承重构件仍为混凝土, 新模板材料不作为结构的受力部分, 只要其变形能适应整体结构的变形即可。

(3) 新型模板材料应有可焊接性和易加工性能, 便于在其表面焊接连接件或钻孔设置连接件, 防止新型模板材料脱离混凝土结构构件。

3.1.2 施工阶段受弯承载力

此阶段荷载包括新模板自重、入模塑性混凝土自重、施工机具及人员等活荷载, 当加固的方木间距为l时, 新模板的正截面抗弯承载力应满足条件, 其中

M为施工阶段单位宽度内的弯矩设计值, 在简支条件下, 系数

g、q为施工阶段单位宽度内的恒载和活载的设计值;

gk、qk为施工阶段单位宽度内的恒载和活载的标准值;

Wn为单位宽度b0范围新型模板的截面抵抗矩。

可以推出新型模板材料的抗拉强度设计值fx与厚度δ之间的关系:

3.1.3 施工阶段变形计算

挠度变形按弹性方法计算, 新型模板变形ω应满足, 对于均布荷载简支板, 对于均布荷载双跨连续板,

其中Ix为单位计算宽度新型模板的惯性矩, 矩形截面。

Ex为新型模板的弹性模量。

可以计算出弹性模量和厚度之间的关系, 以均布荷载双跨连续板为例:

3.2 兼作结构受力的永久性模板的新型模板材料

在施工阶段, 新型模板材料作为现浇混凝土的模板仍需加固和支架, 承受着自重荷载和施工活荷载的作用, 荷载由模板传递给加固的方木, 再由方木传递给钢管支架。在使用阶段, 新型模板作为结构的一部分参与共同受力。

施工阶段计算此时新型模板材料的作用仅视为模板, 分析计算详见3.1.2和3.1.3节。

下面以T形混凝土梁为例来分析使用阶段的受力情况。

3.2.1 使用阶段计算新型模板材料用作梁底模

(1) 抗弯承载力计算模型, 见图3。

利用静力平衡条件可以建立如下方程式:

式中, 消去x后可以求出新型模板材料厚度δ与抗拉强度fx之间的关系。

(2) 使用阶段挠度计算。

计算组合截面的挠度ω时, 应首先求出组合截面在荷载标准值下的短期刚度Bs和荷载长期效应作用下的长期刚度BL, 然后代入公式, 再与容许挠度比较。以图3为例, T形组合截面的短期刚度Bs由钢筋混凝土截面的短期刚度Bs T和新型模板的短期刚度Bs x组合而成, 即。

Ψ为钢筋应变不均匀系数;

γ'f为T形截面受压翼缘面积与腹板有效面积之比;

αe为钢筋弹性模量Es与混凝土弹性模量Ec之比;

ρ为纵向受拉钢筋配筋率。

同理, 可以计算出组合截面的长期刚度

Ms为荷载短期效应组合下的弯矩;

ML为荷载长期效应组合下的弯矩;

θ为荷载长期效应组合下的挠度增大系数。

在挠度计算公式中可以求出新型模板材料的弹性模量与厚度之间的关系。

3.2.2 使用阶段计算新型模板材料用作梁侧模

侧模在使用阶段主要起抗剪作用, 增加构件的抗剪能力。下面以梁侧模分析计算。

(1) 抗剪承载力计算模型, 见图4。

在普通钢筋混凝土构件的基础上增加新型模板对抗剪承载力的贡献项vx即为组合梁的抗剪承载力v, 也就是

其中vc为混凝土的抗剪承载力, 均布荷载作用下;

vs v为梁中箍筋的抗剪承载力, 均布荷载作用下;

v s b为梁中弯起钢筋的抗剪承载力, 均布荷载作用下;

dx为单侧模板的高度, fxv为新型模板材料的抗剪强度, ψ为考虑模板锚固方式对理想状态下抗剪能力的折减系数。

从上述公式可以求出新型模板材料的抗剪强度与厚度之间的关系。

3.3 理论意义

从3.2节的公式理论上可以计算出新型模板材料的模板厚度δ、弹性模量、抗拉强度、抗剪强度等之间的关系, 在已知模板厚度δ的情况下, 可以求出其它参数的大致范围。以理论数据为依托可以探寻新型模板材料, 也可以在已知新型模板材的情况下进行构件设计。

4 经济效益分析

根据某施工单位的统计资料, 对于普通组合钢模板, 初始购置费为184元/m2 (钢模板按25/t计算, 购置费4600元/t) , 钢模板周转次数约30次, 每次维修费2元/m2, 由于钢模板拼缝多、易漏浆等缺点, 浇筑后的混凝土表面需粉刷砂浆和面层涂料装饰。对于胶合板模板, 平均周转次数3次, 每平方米的摊销费用约15元 (胶合板购置费均价为42元/m2, 圆钉、铅丝等易耗材料按2元/m2) 。楼板组合结构中的压型钢板均价为6 5元/m 2, 永久性压型钢板的使用省去了模板加固、结构和装修用钢管支架、粉刷层及涂面层等后续工序, 电厂层高较高, 后续工序的费用在5 0元/m 2, 综合分析, 永久性压型钢板的费用和普通组合钢模板体系、胶合板体系大致相等。组合结构新型模板材省去了粉刷层、涂面层和装修阶段的钢管支架, 其基础价格应参照上述三种模板材料, 随着技术的日益发展, 相信将来开发出的新型模板材料会广泛应用到工程中。

摘要：随着技术的发展, 常见的定型组合钢模板、胶合板等模板施工工艺悄然发生着变化。压型钢板组合楼板结构等永久性模板已应用到了一些工业厂房的混凝土楼层平台。在此基础上对混凝土结构一体化模板作了展望和概念性设计, 建立了新型模板组合梁构件的抗弯承载力计算模型和抗剪承载力计算模型, 推演出新型模板应具备的部分物理参数之间的关系, 如抗拉强度、弹性模量、应变、抗剪强度及新型模板材的本构关系等。理论计算的目的有两个:利用已知物理参数探寻新型一体化模板材料, 或者对已知的一体化模板材料进行设计。

关键词：模板工艺,结构一体化,组合结构,新型模板材