全圆模板台车在自密实混凝土浇筑中上浮力的控制技术*

施 笋，姚韦靖

(1.北京住总市政道桥工程有限责任公司，北京 100028；2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

随着我国工程建设速度加快，在隧道结构和输水隧洞结构施工中，自密实混凝土结合模板台车的应用越来越广泛。自密实混凝土在隧洞(道)结构中，实现模板台车一次浇筑成型的同时，由于模板台车上浮引起台车端头封堵板偏位跑模、台车结构变形破坏、抗浮支撑变形、隧洞(道)浇筑的混凝土结构被拆除返工等问题，给施工造成极大困扰，因此，在自密实混凝土浇筑中，找出影响模板台车上浮的关键，并形成关键技术是确保成型隧洞(道)结构质量和顺利施工的关键。

目前对混凝土结合台车的施工应用研究较多，对控制模板台车上浮的技术缺少研究且不完善。张俊英等在阿基米德定律基础上分析台车上浮力，总结关于浮力的相关理论公式。高淑娴通过贴应变片得出浮力与时间的关系曲线，并提出混凝土与模板间的黏附系数。王长春等提到现场实测浮力大小，但未阐述实测过程和方法。由此可见，目前主要集中于对模板台车所受浮力大小的理论研究，对混凝土浇筑不同阶段模板台车抗浮力的变化和分布规律研究较少，对控制模板台车上浮的研究针对性不强。北京市南水北调东干渠工程输水隧洞长约44km，结构内净空直径4 600mm，结构厚400mm，输水隧洞采用全圆针梁模板台车(以下简称“模板台车”)自密实混凝土一次浇筑成型，施工仓位分别长12，7.5m，自密实混凝土浇筑方量累计达28万m3，为避免由于模板台车上浮影响输水隧洞结构，在已有研究基础上，对模板台车浮力变化进行理论分析和现场测试，找出浇筑过程中台车浮力变化规律，从而为控制模板台车上浮提供依据，研究模板台车抗浮力分布规律对优化模板台车的抗浮设计具有重要意义。

1 模板台车浮力变化规律理论分析

1.1 模板台车计算模型建立

1)计算模型

为更准确、更真实地反映模板台车上浮随着混凝土浇筑的变化情况，本文以现场实际台车数据资料为依据(以12m仓位为例)，建立基于ANSYS的1∶1模板台车三维计算模型，其有效计算长度12m，外径4 620mm，该模型综合考虑台车材料性质、主要构件形状和尺寸、不同构件连接特点等因素，浮力变化以静态压强的形式体现。模板台车三维计算模型和单元划分如图1所示。

图1 模板台车三维计算模型

2)材料属性

模型中各主要变形构件包括针梁、模板、抗浮装置、门架等，均赋予实际材料的力学性能参数进行计算，12m台车模型与实际台车自重均为69t。

3)边界条件

抗浮装置端头均设置为垂直位移约束，位移为0；针梁两端为垂直位移约束，位移为0；模板一端采用法向位移约束，根据实际情况，允许存在少量垂直位移。模型边界条件情况如图2所示。

图2 模型边界条件

4)加载条件

考虑台车自重，施加重力场；模板周围施加法向变化压强ρg·max(h-y,0)，其中ρg为混凝土密度，取25kN/m3，g为重力加速度，y为竖直坐标，h为混凝土液面高度(均以模板底部中心为坐标原点)。

5)抗浮支撑力监测点布置

抗浮支撑力监测点设置在每根抗上浮丝杆以及模板固定端，监测自由端抗浮支撑、中间抗浮支撑-1和中间抗浮支撑-2、固定端抗浮支撑的支撑力和模板固定端所受的竖向力变化，如图3所示。

图3 模板台车抗浮支撑力监测点分布示意

1.2 计算结果分析

根据模型加载条件，结合施工情况，对台车模板施加法向变化压强的高度范围为从模板最低点至二衬结构最高点，总高度5.01m，自下而上平均分为50步进行逐渐加载计算，每步上升高度为100.2mm，相当于对混凝土面逐渐上升过程进行模拟。

由有限元计算及台车上浮量分析可知，0～24步混凝土浇筑方量为0～37.72m3，为控制台车上浮的关键阶段。当浇筑方量达37.73m3时，混凝土液面高度为2.4m，高出台车中心线9cm。

控制阶段的台车各部位抗浮支撑力变化关系如图4a所示。

图4 台车总抗浮支撑力变化规律

1)由图4a可看出，浇筑方量0～22.83m3期间，抗浮支撑力≤0，由于台车自重对各抗浮支撑产生向下的拉力，使抗浮支撑均处于受拉状态。

2)浇筑方量达22.83m3时，即液面高度达0.9m，抗浮支撑力为0，说明F浮=G台。

3)浇筑方量为22.83～37.72m3(液面高度为0.9～2.4m)时，抗浮力均处于线性增大状态，此阶段为浇筑控制的关键阶段。此阶段台车所承受的总抗浮支撑力变化规律如图4b所示。由图4b可看出，总抗浮支撑力F总=71.115x-1 665.6，其中x为浇筑液面在0.9～2.4m的浇筑方量，总抗浮支撑力以变化速率71.115kN/m3递增。

(1)

4)当浇筑方量为37.73m3时，抗浮支撑力达到最大，抗浮支撑力如表1所示。

表1 抗浮支撑力统计

由表1可看出，模板固定端(与已施工完成的结构搭接位置)承受40%以上的浮力，抗浮支撑所受总力为1 043.55kN。

2 模板台车浮力现场测试试验

2.1 试验概况

根据数值计算结果，在现场选取12m仓位测试模板台车上浮支撑力，验证有限元计算结果与现场实测数据的匹配性。

现场测试模板台车共设置4处抗浮支撑，其中固定端、自由端两端抗浮支撑各采用8根丝杆共同支承，中间位置的抗浮支撑采用1台机械千斤顶。抗浮支撑力测试是在台车抗浮装置处安装轴力计，共安装6台(1～6号)轴力计，1，2号轴力计位于台车自由端，3，4号轴力计位于台车中间抗浮支撑位置，5，6号轴力计位于台车固定端。轴力计现场安装位置如图5所示。

图5 模板台车轴力计安装平面及纵断面

1)每浇筑完1小罐车(2.5～2.7m3)记录1次各轴力计读数。

2)1，2，5，6号轴力计监测记录从混凝土浇筑开始至完成；3，4号轴力计监测记录从混凝土浇筑开始至62.5m3(浇筑至62.5m3中间抗浮支撑拆除)。

3)浇筑速度分别为10～12，6～8m3/h。

4)混凝土采用3m3容量小罐车隧道内运输，地泵送入模板台车内。

2.2 试验数据分析

通过统计、总结现场测试数据，得出试验仓位中最大抗浮支撑力对应的混凝土浇筑方量和模板台车上浮支撑力分布比例(见表2，3)，并以其中两仓为例绘制试验浇筑方量和自由端支撑、中间抗浮支撑、固定端支撑的支撑力间关系曲线(见图6)。

表2 混凝土最大监测支撑力对应浇筑方量

表3 支撑力占最大浮力比例 %

图6 试验仓支撑力监测曲线

2.2.1混凝土浇筑的4个控制阶段

1)第1阶段 混凝土浇筑0～10m3时(混凝土液面刚接触台车模板底部)，台车各部位抗浮支撑力无变化，说明模板台车所受浮力小或未受到浮力，混凝土入仓速度为10～12m3/h。

2)第2阶段 混凝土浇筑(10～37)m3±3m3(混凝土液面高0.1～2.4m)时，抗浮支撑力急剧增大，当浇筑37m3(混凝土液面高约2.4m)时，抗浮支撑力最大，混凝土入仓速度为6～8m3/h。将抗浮支撑力与混凝土浇筑量拟合成线性关系y=Ax+B，参数A为33.871，偏差为1.17；参数B为-383.765，偏差为29.45，拟合关系如图7所示。

图7 抗浮支撑力与混凝土浇筑方量函数关系

3)第3阶段 浇筑过程中，模板台车抗浮支撑力最大时，继续浇筑2.5～2.7m3，混凝土液面上升0.25m左右，支撑力突然下降4%～6%，混凝土入仓速度为6～8m3/h。

4)第4阶段 从第3阶段至完成浇筑，固定端和自由端抗浮支撑的支撑力最终平稳，混凝土入仓速度为10～12m3/h。

2.2.2抗浮支撑力总结

1)现场测试时，自密实混凝土浇筑过程中抗浮支撑最大浮力约1 000kN，固定端抗浮支撑力仅占总支撑力的1%左右，自由端抗浮支撑力占总支撑力的50%以上，靠近自由端的抗浮支撑力比靠近固定端的抗浮支撑力大4.5%左右。

2)通过数据进一步统计分析，抗浮支撑在计算过程中可简化成弹性支座，单根支撑刚度约50kN/m。

3 结果对比

综合分析比较有限元计算结果、现场测试结果，得到如下结论。

1)现场测试中，抗浮支撑力相比于有限元计算支撑力，偏差为-9%～2.5%，每个位置支撑力占总支撑力的比例偏差≤3%。

2)实测浮力起算点在混凝土液面到达模板底部时轴力计有读数变化，而有限元计算模型中，混凝土液面高于模板底部0.9m后抗浮支撑力为正；支撑力最大值对应的混凝土液面和现场实测数据相匹配。

3)现场测试数据曲线显示支撑力达到最大点后突降，再趋于平稳，而有限元计算曲线达到最高点后便趋于平稳。

结合以上结果，有限元计算能有效体现模板台车在自密实混凝土浇筑过程中的总支撑力和每个位置支撑力大小及分布规律，对模板台车抗浮支撑优化起指导作用，对模板台车上浮控制以实测数据为主，控制方法如下：①第1阶段F浮=0，0≤H≤0.006D，H为混凝土液面与到台车模板底部的距离，可快速浇筑；D为台车直径；②第2阶段F浮=1.4ρgx-6G，0.006D≤H≤0.57D，ρg=24kN/m3，G为台车荷载(kN)，x为浇筑方量(m3)，现场测试表明，混凝土液面上升速度为0.6～0.8m/h；③第3,4阶段F浮在第2阶段达到峰值突然下降4%～6%后，至混凝土浇筑完成均趋于稳定，0.57D

为验证结论实用性，在模板台车结论的基础上，运用4个阶段的控制方法，现场试验直径相同、长度变为7.5m台车的支撑力分布和支撑力变化规律，进一步证明混凝土的浇筑控制方法、支撑力分布规律、支撑力最大值公式的适用性。

4 结语

本文通过理论分析和现场试验，对自密实混凝土浇筑过程中模板台车抗浮支撑所受的支撑力变化规律、分布规律及控制模板台车上浮方法进行研究，得出如下结论。

1)结构分段流水施工时，固定端位置的抗浮支撑承受的支撑力小，固定端位置的抗浮支撑可进行优化设计，但固定端搭接模板承受的抗浮力最大，建议增加搭接模板刚度，避免模板受压变形严重。

2)模板台车的中间位置为单根抗浮支撑，刚度偏低，不利于控制台车上浮，建议在设计中增加中间位置的抗浮支撑刚度以减小台车上浮。

3)在有限元分析中，考虑台车系统为整体结构，模板台车浮力控制起点是从台车支撑力由负值变成正值时对应的混凝土浇筑方量。实际操作中，由于台车模板是通过丝杆、油缸与针梁铰接连接，台车支撑力抵抗浮力过程是通过先抵消模板质量再逐渐增加到整个台车质量，现场控制需从混凝土液面接触模板底部开始。

4)现场测试过程中，最大支撑力对应浇筑方量存在上下浮动，因浇筑速度快时，最大支撑力对应的混凝土方量大；浇筑速度慢时，最大总支撑力对应的混凝土方量小，但最大总支撑力对应的混凝土液面高度在台车中心线以上0.07D高度上下浮动。

5)自密实混凝土总支撑力的关系式和台车质量有关，并不是台车越重越能控制台车上浮，而最终靠模板台车的抗浮支撑和浇筑控制实现。

6)控制台车浇筑速度是直接控制上浮的关键，对于不同尺寸的整体模板台车，混凝土浇筑速度可按“快慢快”原则，即第2阶段控制台车浇筑速度，以每小时混凝土液面在台车内上升的高度为基准。