常用芯模有橡胶气囊、空心木模、空心钢模和聚苯乙烯泡沫芯模等, 目前聚苯乙烯泡沫芯模在薄壁方箱坡屋面中应用逐渐增多, 浇筑过程中混凝土在重力作用及振捣器振动下逐步下沉并挤入芯模下, 而形成一个对芯模向上托起的力, 当这个力大于芯模自重时芯模将首先上浮, 直至顶住顶板钢筋骨架, 如果此时继续浇筑或振捣, 芯模就会带动钢筋骨架一起上浮, 从而造成顶板钢筋骨架外露甚至拱起的严重后果, 使得屋面成品质量不能满足设计要求。因此芯模的上浮问题一直是困扰施工生产的质量通病, 由此而造成的顶板厚度不足, 危害甚大。泵送混凝土施工对芯模上浮力的影响与传统工艺相比有很大差异, 目前该方面尚缺乏系统研究和相应理论指导模板施工。

“南水北调”精神教育基地综合楼为多坡屋面结构 (见图1) , 屋面由2个漏斗和8个坡面组成, 坡度11°~37°。综合楼屋面面积约1.2万m², 局部为平屋面, 外高内低, 坡屋面四周及屋脊高23.55m, 最低处标高14.650m, 混凝土强度等级为C40。整体屋面板为缓粘结预应力空心密肋梁楼盖, 梁高均为900mm, 密肋梁宽250mm;空心屋面板高900mm, 芯模尺寸为900mm (长) ×900mm (宽) ×750mm (高) , 上下面板厚75mm。

混凝土具有特殊性: (1) 由于混凝土不是全流态, 所以混凝土的浮力不能等同于液体, 表面张力较大, 用阿基米德原理计算出的浮力大于实际的浮力; (2) 混凝土内部具有黏结力, 能抵抗一部分浮力; (3) 混凝土实际浇筑速度控制在1m/h, 混凝土初凝时间3~4h。

根据《建筑施工手册》, 现浇混凝土对模板侧面的压力标准值 (采用内部振捣器时) 可按以下两式计算, 并取其较小值:

式中:P为对模板的最大侧压力 (k N/m²) ;γ_c为混凝土的重力密度 (k N/m³) ;t₀为新浇筑混凝土的初凝时间 (h) , 可按实测确定。当缺乏试验资料时, 可采用t₀=200/ (T+15) 计算 (T为混凝土的温度 (℃) ) ;V为混凝土的浇筑速度 (m/h) ;H为混凝土侧压力计算位置处至新浇筑混凝土顶面的总高度 (m) ;β₁为外加剂影响修正系数, 不掺外加剂时取1.0, 掺有缓凝作用的外加剂时取1.2;β₂为混凝土坍落度影响修正系数, 当坍落度<30mm时, 取0.85;坍落度为50~90mm时, 取1.0;坍落度为110~150mm时取1.15。混凝土侧压力分布曲线如图2所示。

正浮力的本质是由于液体中物体表面所受液体的压力差引起的;同样物体在混凝土中的浮力也是由于物体表面所受流动的混凝土的压力差引起的。如图3所示, 当混凝土浇筑到x₁+x₂高度时, 箱体上下表面的压力差最大, 箱体所受浮力最大。

为计算浮力大小, 首先求箱体各计算段横截面面积。

已知:混凝土等级C40, 混凝土容重25.1k N/m³;屋面板坡度11°~37°, 混凝土坍落度140mm (专家建议) , 混凝土初凝时间0.75h, 假设混凝土浇筑速度为1m/h。计算可知β₁=1.0, β₂=1.15。计算箱体上浮最不利情况时为37°。

正芯模浮力试验装置如图4所示, 主要由“板凳形”反力架、拉压力传感器、拉压力传力杆和槽钢组成。反力架下端与屋面梁由架力钢筋固定, 拉压力传感器上下两端分别连接拉压力传力杆, 上端与反力架连接, 下端与槽钢连接。芯模上浮力通过槽钢和拉压力传力杆传至拉压力传感器, 同时反力架对拉压力传力杆形成一个竖直向下的支反力。

鉴于芯模上浮力大小约为4k N, 考虑到浮力与测力的角度差等因素, 本试验采用4个300kg压力传感器、8根低碳钢材料精加工的拉压力传力杆 (高180mm、直径10mm) 、4个低碳钢材料精加工、焊接而成的反力架 (架高为410mm、平面尺寸100mm×100mm) ;2根型号8的标准热轧槽钢 (h×b×d=80mm×43mm×5mm) 。数据采集拟采用1套8通道江苏东华动态数据采集系统, 采集频率设为100Hz;数据分析在计算机用配套软件进行。

采用施工现场测试方案, 通过将芯模上浮力传递给槽钢钢板, 在槽钢钢板两端由压力传感器将芯模上浮力实时传递给动态数据采集系统, 分析采集数据得出混凝土浇筑和振捣过程中芯模上浮力。

测试过程中拟将芯模表面上浮力反力传递给槽钢, 使之变为集中力。因此, 在芯模表面沿横向三分点位置处布置2根长约1.5m、型号8的热轧槽钢 (见图5) ;为固定传感器, 制作“板凳形”反力支架并焊接固定在梁顶架立钢筋上, 传感器丝杆焊接固定在槽钢与反力支架之间。

采用实时监测方案, 在上浮力最不利情况下进行 (屋面倾角37°) , 上浮力测试考虑混凝土浇筑面高度以及混凝土浇筑过程中的振捣情况。现场浇筑方式分为2阶段浇筑 (混凝土浇筑面达1/2位置处和屋面顶面处) 和一次性浇筑 (屋面顶面处) , 每处测试振捣前后的芯模上浮力最大值。芯模浮力测试工况如表1所示。

据芯模上浮力时程曲线得各工况下上浮力最大值, 如表2所示。由芯模浮力测试工况的浮力时程曲线可知, 泵送混凝土从开始至浇筑到混凝土浇筑面达1/2位置期间, 芯模上浮力处于持续缓慢增长状态;浇筑到1/2位置振捣时, 芯模上浮力瞬间明显增大, 之后便持续缓慢降低到二次浇筑前;二次浇筑期间芯模上浮力首先瞬间降低, 短时间后便呈现上浮力降低趋势;二次浇筑振捣时, 芯模上浮力瞬间明显降低;振捣后, 上浮力便呈缓慢降低趋势。

浇筑到1/2位置和屋面顶面处振捣时, 芯模上浮力瞬间明显增大, 主要是因为芯模下方泵送混凝土的密实度瞬间增大很多;每次浇筑振捣后, 由于混凝土的初凝降低了其流动性, 并且混凝土的初凝使芯模之间摩擦力增大, 从而降低了芯模的上浮力;而二次浇筑期间芯模上浮力降低是因为浇筑后段泵送混凝土已经覆盖至芯模上方, 混凝土的重力引起了芯模上浮力的降低。

工况2测试时, 由于施工过程中测试装置受到碰撞影响, 测试通道1和2数据偏小, 但其芯模上浮力总体变化趋势不受影响。从测试结果可知, 泵送混凝土从开始至浇筑到混凝土浇筑面达到屋面顶面处, 芯模上浮力处于持续缓慢增长状态;振捣时, 芯模上浮力瞬间明显增大;之后便持续缓慢降低。期间芯模上浮力瞬间增大同样是因为芯模下方泵送混凝土的密实度瞬间增大很多;浇筑振捣后, 芯模上浮力降低原因和工况1一样。

由表2可知, 工况1芯模总上浮力约为:

工况2测试过程中, 由于施工过程中测试装置受到碰撞影响, 测试通道1和2数据偏小, 作为分析数据不具有代表性, 故舍去。以测试通道3和4数据作为工况2测试结果, 芯模总上浮力值采用两者平均值的4倍。故工况2芯模总上浮力值约为:

由以上结果可以看出, 混凝土一次性浇筑时芯模上浮力比混凝土2阶段浇筑时芯模上浮力大, 约为2.323k N。对比理论分析结果可知, 混凝土一次性和2阶段浇筑时芯模上浮力均大于理论值。

根据上述测试数据结果, 工程中拟采用214钢筋均匀固定于芯模顶部并采用铁丝将钢筋拉结固定于底模上。钢筋简化计算模型如图6所示。

1) 泵送混凝土一次性浇筑比2阶段浇筑时倾斜屋面空心楼板芯模上浮力大;本文抗浮措施简单易施工, 钢筋规格可根据需要进行调整, 能够有效控制倾斜屋面空心楼板芯模上浮。

2) 泵送混凝土2阶段浇筑期间, 倾斜屋面空心楼板芯模最大上浮力出现在一次浇筑振捣时;而一次性浇筑期间, 倾斜屋面空心楼板芯模最大上浮力出现在浇筑振捣完毕时。

3) 泵送混凝土浇筑振捣时, 倾斜屋面空心楼板芯模上浮力会瞬间明显增大, 主要是因为混凝土密实度瞬间增大许多。

4) 泵送混凝土浇筑振捣后, 倾斜屋面空心楼板芯模上浮力会缓慢降低, 主要是因为混凝土初凝降低流动性, 且混凝土初凝使芯模之间摩擦力增大。