異形傘狀清水混凝土柱模板體系設計與施工技術

劉曲平

（上海建工集團股份有限公司，上海 200080）

1 工程背景

景德鎮某劇院工程清水混凝土連廊采用傘狀清水混凝土柱作為支撐，底部為高度7m、直徑650mm的圓柱，頂部為高度2m、下窄上寬（底部直徑650mm、頂部直徑4800mm）的傘狀結構，如圖1所示。

圖1 清水混凝土連廊效果圖

本工程造型別致，需達到飾面清水混凝土表觀質量要求，其模板設計技術難度大，施工精度要求高，混凝土成型工藝復雜。清水混凝土外觀主要受模板系統、施工措施和混凝土材料三個方面的影響。重點難點在于模板支撐體系設計、弧形曲面成型、模板接縫嚴密平順、混凝土配合比設計與澆搗養護措施等。

2 清水混凝土異形柱模板體系設計

在模板選型上，傳統膠合板加工很難達到異形柱所需的形態精度要求，異形混凝土柱頂部傘狀區域混凝土方量較大，常規木模板體系的抗側剛度較低，且無有效加固方法，易產生爆模等問題，無法滿足清水混凝土表觀質量要求；此外，木模板體系現場加工作業多、板面拼縫多，混凝土表面感觀質量控制難度大。故本工程異形清水混凝土圓柱采用組合定型鋼模板體系，對其模板支撐體系進行了選型分析計算，并對模板加工制作和拼裝提出質量控制要點。

2.1 模板支撐體系計算分析

異形傘狀清水混凝土柱模板設計如圖2所示。模板本體由兩組相同的半模組成，兩組半模用M16螺栓連接，其間配有定位銷軸以保證裝配時的位置精確。為便于制作與運輸，每組模板由上下兩部分組成，兩部分間同樣用M16螺栓連接，并用定位銷軸定位。鋼模板面板選用3mm厚304不銹鋼板，龍骨、法蘭均采用12mm厚Q235鋼板制作；傘狀上部支撐采用φ159*6無縫鋼管，并設φ14鋼絲繩攬風；柱子支撐采用100*8扁鋼加法蘭螺絲垂直固定；底板與模板本體焊接到一起，底板采用20mm厚圓形鋼板，在制作獨立基礎時預埋M30螺母，用M30螺栓將底板與獨立基礎連接固定。

圖2 組合定型鋼模板設計圖

采用MIDAS GENS有限元計算軟件對組合定型鋼模板進行計算分析，驗證模板側向變形能否滿足清水混凝土平整度要求，同時驗證傘狀部分豎向撐桿能否滿足穩定性要求。

2.1.1 計算模型

計算模型如圖3所示，為取得較精確的變形計算結果，對于模板面板采用考慮剪切變形的厚板單元建模，背楞采用梁單元建模，斜撐采用桁架單元建模。對于混凝土施加于模板體系的荷載確定如下：

圖3 組合定型鋼模板計算模型圖

作用于模板的荷載，根據GB 50204-2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》[1]：

式中:γc=24kN/m3（混凝土重力密度）；

t0=10小時（新澆筑混凝土初凝時間）；

β1=1.2（外加劑影響系數）；

β2=1.15（坍落度影響系數）；

ν=1.5m/h（混凝土澆筑速度）。

式中，H為混凝土側壓力計算位置處到新澆筑頂面的總高度。

不同高度位置模板結構所受混凝土荷載選?。?/p>

2.1.2 計算結果

2.1.2.1 模板面板

1）位移

模板面板位移變形計算結果如圖4所示。由圖4（a）可見，傘部模板面板最大水平位移為0.34mm，位于豎向背楞斜撐支撐處；由圖4（b）可見，傘部模板面板最大豎向位移為1.83mm，位于豎向背楞支撐邊部懸挑處；由圖4（c）、（d）可見，圓柱模板面板最大水平位移僅為0.025mm，位于圓柱底端部以上位置，最大豎向位移為0.59mm，位于頂部承受上部傘狀部分傳遞下來的混凝土重力荷載。最大位移變形為1.83mm，滿足JGJ169-2009《清水混凝土應用技術規程》[2]中規定的飾面清水混凝土平整度允許偏差（2mm）要求。

圖4 模板面板位移計算結果

2）應力

模板面板應力計算結果如圖5所示。由圖5可見，模板面板最大應力為22.0MPa，小于304 不銹鋼設計強度205MPa，滿足材料強度要求。

圖5 模板面板應力計算結果

2.1.2.2 模板背楞

1）位移

模板面板位移變形計算結果如圖6所示。由圖6（a）可見，傘部模板面板最大水平位移為0.34mm，位于豎向背楞斜撐支撐處；由圖6（b）可見，傘部模板面板最大豎向位移為1.83mm，位于豎向背楞支撐邊部懸挑處。

圖6 模板背楞位移計算結果

2）應力

模板背楞應力計算結果如圖7所示。由圖7可見，背楞最大應力為85.82MPa，小于Q235 鋼材設計強度215MPa，滿足材料強度要求。

圖7 模板背楞應力計算結果

2.1.2.3 斜向支撐

模板斜撐內力計算結果如圖8所示。由圖8可見，斜撐最大內力為15.21kN。根據GB 50017-2017《鋼結構設計標準》[3]，對斜撐受壓穩定性驗算如下：

圖8 模板斜撐內力計算結果

N/φAf≤1

式中:

N為斜撐所受軸心壓力，取為15.21kN；

A為斜撐截面積，取為2884mm2；

f為材料設計強度，取為215N/mm2；

φ為軸心受壓構件穩定系數，根據長細比(λ=l0/i=159)查表得φ=0.279。

故N/φAf=15210/0.279×2884×215=0.09≤1，滿足穩定性要求。

2.2 模板加工與拼裝精度控制

1）面板、背楞、法蘭由電腦放樣后輸入激光機（大族激光G4020F切割機）進行激光切割下料，下料后開始預拼裝。

2）先在工作平臺上進行放樣，設置好夾具后再開始拼裝。進行龍骨點焊固定，龍骨固定完成后開始拼裝內膽。雙弧形內膽需兩次工藝流程，先在特制模具上進行壓制，需多次壓制以保證弧面沒有棱角，完成一個R=2414圓弧的單弧面板。檢查尺寸符合要求后，進行第二流程傘形曲面壓制，壓制需在特制曲面的三芯卷板機上反復進行，完成一個上口下口內徑符合尺寸的雙曲面傘形板，根據雙曲面板工件編號拼裝成一個雙曲面喇叭口，點焊固定后開始焊接，測量檢測后打磨完成。其中，喇叭口加工采用若干塊板材進行編號后壓制成型，而后拼接而成。制作工藝比較復雜，制作時需隨時檢測，確?；【€的順暢。模塊拼裝時需用φ12mm定位銷定位后緊固螺絲，確保模具內膽不錯位。

2.3 模板施工流程與控制要點

2.3.1 模板施工流程

0.00m～7.00m底部圓柱鋼筋綁扎→底部定型鋼模板拼裝→校正復核→設置第一道支撐→7.00m～9.00m異形柱傘狀頂部鋼筋綁扎→頂部定型鋼模板拼裝→校正復核→設置第二道支撐拆?！炷翝仓克B護液→調色、保護劑等施工→成品保護。

2.3.2 施工控制要點

1）模板吊點設置：在模板本體上部設置吊點，吊點應無限接近每組本體中心，避免起吊時擺動，其余部件采用吊帶吊裝即可。

2）模板拼裝：現場拼裝前，先將兩個模板本體下半部分組裝到一起，然后立到獨立基礎上，并做好支撐。搭設鋼管外架平臺并做好護欄后，用汽車吊逐個吊裝傘狀部分板塊單元，并做好支撐，最后將兩組半模連接固定。鋼模拼裝螺絲不松動、缺少，以增強模板的整體剛度。

3）支撐系統：支撐系統支承在現澆混凝土平臺基面，確保不下沉、穩定。按模板設計分析結果布置支撐系統。

4）內壁處理：模板拼裝前，先在模板內壁均勻涂抹脫模劑，脫模劑采用易脫模、不污染混凝土表面、不腐蝕模板的LBT-2061水性乳化型氟素脫模劑，有利于提高混凝土外觀質量。新模具一模不放料，距離10～15cm以井字型噴涂2～3次，再烘烤，之后從二模再放料。

5）縫隙處理：模具拼裝后，在接縫不平整或有間隙處使用石膏膩子刮平，以確保清水混凝土澆筑完成后無明縫。

3 清水混凝土施工技術

3.1 清水混凝土配合比設計

據研究成果[4]，清水混凝土配合比設計中膠凝材料含量不宜低于370kg/m3，水膠比不宜小于0.4，砂石級配宜采用粗砂與細砂1:1混合，坍落度應控制在200±20mm，且坍落度經時損失應控制不大于20mm/60min，可有效降低混凝土內氣泡直徑與數量，且具備良好的流動性與和易性。

采用當地混凝土原材料進行多組配合比比較試驗（見表1），觀察測定混凝土試塊氣泡溢出情況、均勻性、表觀質量、流動性、和易性，以確定清水混凝土設計配合比[5]。

表1 混凝土配合比設計試驗結果

由結果可知，水膠比為0.46時混凝土表觀質量較好，且膠凝材料質量偏小時，拌合物坍落度過大，粘聚性不良，易造成離析，而膠凝材料質量偏大時，拌合物坍落度降低，流動性偏小，不利于澆筑振搗。膠凝材料質量控制在410kg/m3，坍落度控制在210±10mm為宜。

由以上分析確定混凝土配合比，如表2所示。

表2 清水混凝土配合比設計結果

3.2 清水混凝土澆搗與養護技術

3.2.1 混凝土的預拌

1）清水混凝土的制備材料需嚴格根據已確定的試配比進行制備。嚴格執行同一配合比，保證原材料不變（同產地、同規格、主要性能指標接近），控制膠凝材料用量（410kg），水膠比不變（0.46±0.3）。

2）拌制清水混凝土前，采用浸水預濕的輕骨料，以控制清水混凝土呈飽和面干狀態。

3）控制好混凝土攪拌時間，本工程混凝土攪拌時間比普通混凝土延長30s。

4）根據氣溫條件、運輸時間、砂石含水率變化、混凝土坍落度損失等，及時適當地對原配合比（水膠比）進行微調，確?；炷翝仓r的坍落度滿足施工質量要求。

3.2.2 混凝土澆搗技術要求

1）入模溫度：入模溫度需控制低于30℃，避開高溫時段澆筑混凝土。

2）采用長軸式插入式振搗器振搗，澆搗異形柱混凝土時振搗人員一用一備。

3）澆筑過程嚴格控制下料的高度，下料口至混凝土嚴格控制在50cm以內，防止澆筑飛濺起的灰漿對未灌注部位模板面造成污染。

4）混凝土振點應從中間開始向邊緣分布，且布棒均勻，遍布澆筑的各個部位，并隨澆筑連續進行；振搗棒的插入深度要大于澆筑層厚度，插入下層混凝土50～100mm，移動間距不宜大于振搗器作用半徑的1.5倍；每一振點的振動時間應以混凝土表面不再下沉、無氣泡逸出為止，避免過振發生離析。

3.2.3 混凝土的養護與保護

圖9 清水混凝土表面缺陷修補

3.2.3.1 混凝土養護

在模板拆模完成后，混凝土表面灑水并采用塑料薄膜纏裹養護，保持構件截面濕潤，清水混凝土養護時間不得少于10d。

3.2.3.2 面層保護

保護工藝流程：表面清理→噴混凝土增強劑→基層處理（修補）→底涂→勻色中涂→面涂。

1）清理：表面清理采用軟刷等不傷害混凝土表面的材料進行，使施工表面平滑、清潔、無雜物。

2）噴混凝土增強劑：采用BW101雙組份混凝土表面增強劑。將A組份原液加1倍（體積比）左右的清水稀釋并攪勻，噴灑1-2遍均勻作用于表面，待A組份干燥后施工B組份，B組份不稀釋，使用噴霧器均勻噴灑1-2遍。

3）修補：針對不同缺陷情況制定修補方法，如圖9所示。

4）底涂：采用滾筒方式由上往下滾涂一次耐候滲透型自交聯樹脂，固結增強基層，防止基層堿滲對涂層的侵濁和混凝土碳化。

5）勻色漆：勻色漆可調整顏色、裝飾性，提供勻色的表面，采用滾筒方式由上往下滾涂一次。

6）面涂：清水混凝土表面用滾筒方式由上往下滾涂US IIA亞光永凝液，形成薄膜網狀聚合碳密封材料，作為清水混凝土保護屏障。

4 結論

根據工程實際需求，本文對異形傘狀清水混凝土柱的模板體系進行了設計分析，并提出施工質量控制要點。本文設計提出的組合鋼模板體系有效解決了異形傘狀混凝土結構成型質量控制難題，避免了常規木模板做法存在的漲模、爆模等通病，且定型鋼模板一次制作成型可多次周轉利用，達到節約成本的目的，并縮短工期，有良好的工程應用前景。