混凝土高大曲面墙模板设计与施工

　　摘要：空间高大异型混凝土墙体具有造型美观的特点，墙模板的支撑方式和施工工艺对其质量效果起至关重要的作用。本文结合海南省文化艺术中心工程混凝土高大曲面墙，介绍一种模板支撑设计与施工的方法。
　　关键词：曲面墙；空间异形结构，模板支撑设计，计算模型
　　
　　1.前言
　　随着我国经济实力的增强，人们对于公共建筑造型、空间提出了越来越高的要求。建筑结构理论的不断发展和大型工程实践的积累使混凝土结构型式由平面规则、空间平直向空间异型、造型美观、高净空发展。对于空间异型结构，选用合理、安全模板支撑设计方式和先进的施工工艺是保证结构质量效果的关键。本文针对海南省文化艺术中心工程混凝土高大曲面墙，探讨了一种模板支撑设计的方法，形成了一套安全可行的施工工艺。
　　2工程概况
　　海南省文化艺术中心文化位于海口市国兴大道68号海南省文化公园内，为海南省政府重点公共建筑工程，是集办公、会议、剧院演出等功能于一体的多功能现代化建筑，建筑面积约23000m2，结构形式为框架剪力墙，总投资1.8亿。该工程地上五层，局部三层；地下一层，局部三层。
　　曲面墙墙厚600mm，墙高18.38m，此部位墙体分四层，曲面墙自第二层开始（为叙述方面，称之为曲面墙首层，楼面标高为+4.85m）。曲面墙在水平面投影为三段圆弧，每段圆弧均为600，曲面墙空间形状为为三段圆弧沿圆点在9-9轴线上，半径为48m的圆向上平移所得的轨迹。曲面墙的二层平面图、9-9轴剖面图及墙体外轮廓立体图如图2-1、2-2、2-3所示。
　　3曲面墙模板支撑方案设计与计算
　　3.1模板支撑方案设计
　　根据曲面墙的几何性质，确定模板支撑方案为：首先，立弧形钢管形成曲面墙定位线，其中弧形半径为48m；其次，沿定位线铺设内墙模板，绑扎钢筋，铺设外墙模板；再次，模板加固，接缝处理；最后，按设计要求间距加密定位弧形钢管。
　　
　　图2-1曲面墙二层平面图
　　
　　图2-29-9轴剖面图
　　
　　图2-3外墙轮廓立体图
　　3.2模板支撑设计程序
　　模板设计要确定的参数为模板的支点间距（定位弧形管间距）、定位弧形管支点间距（脚手架步高）、弧形钢管支撑杆悬臂长度、脚手架立杆横向间距等。需要验算的过程包括弧形钢管悬臂长臂验算（过程A）、扣件抗滑移验算（过程B）、立杆稳定性验算（过程C）、脚手架地基承载力验算（过程D），各参数取值过程如下：
　　
　　3.3模板验算
　　3.3.1荷载计算
　　1）混凝土浇筑侧压力计算
　　公式1：
　　=42.7kN/m2
　　公式2：=60kN/m2
　　式中，相关参数意义见建筑施工计算手册，为混凝土一次浇筑高度，取2.5m。
　　取两者中较小值kN/m2作为计算荷载，折合成线荷载为：
　　=42.7kN/m
　　2）倾倒混凝土产生的荷载计算
　　=4kN/m
　　3）总荷载计算
　　=56.9kN/m
　　3.3.2、、允许值的确定
　　1）、允许值计算
　　取模板的截面尺寸为1000×18，钢管的截面尺寸为φ48×3.5，模板和钢管的截面特征参数分别截面抵抗矩和、截面惯性矩和、面积和，按三跨连续梁计算内力，由强度和变形校核公式可得和的最大允许值（弯矩按施工计算手册简化公式，也可先选定参数尺寸由结构结算软件复核）为：
　　和
　　取两者中的较小值为允许值，将截面特征参数带入得模板和钢管的允许值分别为=350mm、=800mm，分别取为300mm和750mm。
　　2）的确定
　　根据上层梁板荷载及传力形式，可确定脚手架横向间距允许值为1000mm，横杆支反力取为5.6kN（计算过程略），出于安全储备，间距取为900mm。
　　3.3.3弧形钢管支撑杆悬臂长度计算
　　由于墙体倾斜，支撑弯管的水平管端部会受到竖向力作用，悬臂过长会使钢管弯曲过大而失效。所受荷载去施工中（混凝土侧压力竖向分力）及施工完成后（混凝土重力）荷载的最大值计算。
　　混凝土侧压力竖向分力为：
　　=3.69kN
　　=3.375kN
　　式中，、、分别为弯管支撑竖向间距、弯管间距和墙体厚度，为曲面墙定位角。
　　因此，取3.69kN作为计算荷载。
　　悬臂梁强度验算公式为：
　　弯矩为：
　　由≤[]可得：
　　=310mm
　　即支撑弯管的水平钢管的最大悬臂长度不应超过310mm。
　　3.3.4扣件抗滑移验算
　　扣件竖向作用力设计值为墙体竖向力分量及楼面荷载传来的荷载之和，总荷载为：
　　=3.69+5.60=9.29kN
　　双扣件的最大承载力为：=14.4kN
　　满足要求。
　　3.3.5立杆稳定性验算
　　最危险立杆为距离曲面墙最近的一排立杆，既要承受上层层楼板传来的荷载又要承受墙体竖向分力，楼面荷载及脚手架自重之和取为10.3kN。
　　钢管所受的总的轴力为：
　　=3.69+10.3=13.99kN
　　立杆的计算长度为：=1.30m
　　立杆的长细比为：=82.3
　　查相关力学手册可得立杆的稳定系数为：
　　立杆稳定性验算为：=40.3N/mm2≤[]=205N/mm2，满足要求。
　　3.3.6脚手架地基承载力验算
　　脚手架垫板尺寸取为10×900，垫板所受的竖向力为：
　　=3.69+10.3=13.99kN
　　垫板下平均应力为：
　　=0.155MPa=155kP
　　按规范，混凝土最小抗压强度不低于1000kP，因此，满足要求。
　　4施工工艺
　　4.1施工流程
　　由于墙体倾斜，每段墙体不宜一次浇筑过高，根据计算书，曲面墙可按一下方法划分施工段：第一层曲面墙（+5.1～+11.82）每2.5m浇筑一次，二层曲面墙（至二层夹层+11.82～+16.9）每1.5m浇筑一次，三层曲面墙（二层夹层至墙顶，+16.9～+23.434）每一个模板宽（915mm）浇筑一次。每段曲面墙施工流程如图4-1所示。
　　4.2施工要点
　　4.2.1墙底楼面处理
　　在曲面墙施工前，要把欲搭设脚手架的楼面清理干净，应保证脚手架垫板下平整以使楼面受力均匀。本施工段墙顶要凿毛，以使上下层混凝土良好连接。
　　4.2.2测量放线
　　弹出标高为+8.334m及+11.2m内墙轮廓线在一层楼面上的投影线，按弧长为450mm分割组合弧线段并过分割点做9-9轴的平行线。在各平行线与弧线段交点处标出弧形钢定位管落地位置（留出模板间距）。
　　4.2.3搭设脚手架
　　内排架为沿弧线段搭设，第一排脚手架距离+4.85m内墙轮廓线外300mm，各列为沿9-9轴平行线布置，搭设五排。由于曲面墙和直墙交界附近（如图4-2中A区）450mm弧长对应的纵向距离（甲-甲轴向）较小，因此此区域脚手架搭设宜近似沿小圆弧轴向布置，并要考虑与9-9轴向立杆的结合。脚手架搭设如图4-2所示。
　　4.2.4弧形定位钢管制作与安装
　　将脚手架用钢管完成半径为48m的圆弧，选用的钢管要直，弯折后钢管轴线要在一个平面内。根据放线测设出的标高+4.85m和+11.82m内墙轮廓线投影点，将弧形管放置准确并固定。
　　
　　图4-1曲面墙施工流程
　　由于定位管间距小，为便于施工操作，定位管可先按间距900安装，待内模板铺设完成后再安装剩余定位管。
　　4.2.5内层模板安装
　　将3～5块模板拼接，并用钉子加固，按曲面墙弧度弯折后放置于定位钢管上固定。曲面墙愈往上，墙体倾斜度越大，因此在铺设模板时，在首层曲面墙，模板沿高度方向连接，在二、三层曲面
　　
　　图4-2脚手架搭设示意图
　　墙，模板沿宽度方向连接。由于墙体在水平和竖向均呈弧形，模板在两个方向搭接时都会有较大的缝隙，需采用胶条封闭以防后续混凝土浇筑形成缺陷。
　　4.2.6钢筋绑扎
　　曲面墙墙体受力筋最大直径为Φ28，墙柱最大为Φ32，直接弯曲较困难，因此竖向受力筋可按一下方法绑扎：直径大于25的钢筋，先按设计弯成弧形后再与下部筋连接；直径小于25的，先连接后弯曲成弧形并固定。
　　4.2.7混凝土浇筑
　　待外层模板铺设完成后，应由现场负责人、质量员及其他相关技术人员对模板质量进行检查验收，模板间接缝、板与楼面接缝、钢筋保护层厚度等满足要求后方可浇筑混凝土。首层曲面墙每次浇筑高度不大于2.5m，二层不大于1.5m，三层每次以浇筑高为模板宽为宜。
　　4.2.8模板拆除
　　曲面墙模板拆除应在整个墙体浇筑完成，混凝土达到设计强度的85%，并会同监理复检合格后方可进行。
　　5结论
　　空间异型结构造型美观，是现代公共建筑的发展趋势，施工质量对其现实效果起到至关重要的作用。本文以一个具体工程的高、大、厚曲面墙为例，总结出了一套空间异型结构模板设计与施工的方法，并在实践应用中取得了良好的效果。
　　参考文献
　　[1]江正荣.建筑施工计算手册.中国建筑工业出版社,2006；
　　[2]陈基发,胡德炘.建筑结构荷载规范（GB50009—2001）.中国建筑工业出版社,2001；

《混凝土高大曲面墙模板设计与施工》

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