束文辉，赵元一，涂虎强，汤永净
(1.上海天华建筑设计有限公司，上海 200235；
2.同济大学浙江学院嘉兴市土木与环境高性能功能材料重点实验室，浙江 嘉兴 314051；
3.同济大学浙江学院土木工程系，浙江 嘉兴 314051；
4.上海衡煦节能环保技术有限公司，上海 200060)
装配式建筑是用预制部品部件在工地装配而成的建筑，建设方式更环保，施工现场可实现无扬尘、无废弃物、无施工措施辅助物、无噪声。发展装配式建筑是建造方式的重大变革，是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措，有利于节约资源能源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平，且有利于促进建筑业与信息化、工业化深度融合，培育新产业、新动能，推动化解过剩产能。
复合模壳墙体系(以下简称模壳墙)由免拆的水泥基复合模壳、钢筋骨架、拉结件、现浇混凝土组成，中间部分的现浇混凝土可满足地下室防水要求。用于地下室外墙施工时，模壳仅作为模板使用，不参与受力，理论上模壳墙可用于地下室各部位。模壳墙结构能够节省大部分模板施工工作量，简化施工步骤，达到良好施工效果。
在以模壳墙为基础的装配式地下室施工过程中，尚存在以下问题：①我国装配式建筑发展迅猛，新产品、新工艺不断涌现，需在实际工程中得到检验，目前由于不同原因，推广应用力度不足；
②对装配式地下室结构的系统性研究较少。为初步解决上述问题，本文针对建筑中最常见的双面模壳地下室外墙，进行混凝土浇筑过程中各受力部件的理论分析和施工过程中的受力监测，并以此为基础总结较适当的受力模型和计算方法。
对于确定模壳墙在混凝土浇筑过程中的侧压力，不同规范和研究给出了不同的计算方法，但实际计算结果差异较大。模壳墙是空腔预制构件，根据设计要求配置受力钢筋和构造钢筋，在工厂生产完成后运至现场进行就位，并在空腔内(内、外墙板之间)浇筑混凝土。本文以模壳墙足尺试验数据为基础，分析组成墙体的拉结件和模壳在混凝土浇筑过程中的受力特点。
模壳墙主要由模壳和拉结件组成。本试验测试在混凝土浇筑过程中拉结件的应变、模壳外表面的应变等。
1.1 试件设计
由于模壳墙构造独特，造成其在混凝土浇筑过程中的侧压力与传统木模墙和钢模墙有较大差异。为避免模壳墙在混凝土浇筑过程中出现爆模现象，需研究模壳墙自身是否存在问题。为此，本试验旨在研究混凝土浇筑过程中模壳墙和拉结件性能，以验证其是否满足施工安全要求。
考虑单层地下室极限高度和相应厚度，将模壳墙设计为高4.7m、厚400mm的净空腔，如图1所示。模壳墙内、外叶为水泥基材料，均厚20mm，弹性模量为4.0×104MPa，抗压强度为4.5MPa。拉结件为长435mm、宽20mm、厚2mm的镀锌钢片，抗拉强度为235MPa，弹性模量为2.0×105MPa，泊松比为0.31。现浇混凝土强度等级为C30。
1.2 试验方案
1.2.1测点及测试仪器布置
在拉结件、模壳外表面布设应变片(见图2)，将编号为1-1H～8-1H的测点布设在拉结件加密区位置，即位于模壳墙底部至距底部2.45m的位置，测点9-1H，10-1H位于模壳墙等间距拉结件区间。为保证模壳墙稳定和浇筑混凝土安全，在距试件底部1.18，1.98m的水平位置设置2道斜支撑。
采用数据采集仪同步采集混凝土浇筑过程中的应变片和传感器读数，传感器和数据采集仪型号如表1所示。
表1 主要仪器设备
1.2.2模壳应变理论分析
对模壳布置应变片的区域进行受力分析，计算简图如图3所示。
模壳墙跨中位置以下侧受拉为主，支座位置以下侧受压为主，将应力沿应变片长度积分，得到应变计理论测量值。
根据图3所示模壳墙-拉结件计算模型，将坐标原点设置于两拉结件之间的跨中位置，x向为拉结件水平布设方向，y向为垂直于模壳墙方向，则模壳墙在混凝土浇筑过程中沿x轴产生的弯矩M为：
(1)
式中：q为作用于模壳墙上的荷载；
l为模壳墙宽度。
由混凝土浇筑产生的均布荷载在应变片固定区域产生的应力变化为：
(2)
式中：ε为应变；
σ为应力；
E为模壳墙内外叶弹性模量；
W为截面惯性抵抗矩。
由式(2)可知，应变片所测变形应为模壳墙(类似于双向板)受力过程中，沿模壳墙铅垂方向挠度产生的拉应变，如图4所示。
应变片在混凝土浇筑过程中产生的挠曲变形可能包括：①与应变片平行的水平方向挠曲fx1；
②垂直于应变片的铅垂方向均布荷载在应变片所在方向产生的的挠曲fx2。由式(2)可知fx1挠曲变形对应的应变为0，应变片测得的应变为图4中双向板与单向板变形差值对应的应变，即混凝土浇筑产生的均布压力引起的模壳墙铅垂方向拉应变。
1.2.3混凝土浇筑及数据采集方案
考虑一次混凝土浇筑高度太大会产生较大的模壳侧压力，本试验混凝土分2次浇筑，第1次浇筑高度为3.2m，第2次浇筑高度为1.5m。浇筑混凝土时从试件顶端向下倒入，当混凝土浇筑至3.2，4.7m高度时进行振捣。
采用DH3816N型东华静态应力应变测试仪进行数据采集。根据预测应变计变化速度设定变频采集数据，混凝土浇筑过程中每隔5s采集1次数据，混凝土浇筑完成后1h内每隔1min采集1次数据，混凝土浇筑完成后1～3h内每隔5min采集1次数据，混凝土浇筑完成3h后每隔10min采集1次数据。测试终止条件设定为：应变计所测数值2h不变，且总测试时间≥24h。
混凝土浇筑时，环境温度为20℃，相对湿度为50%，北风4～5级。根据现场实测结果，混凝土平均浇筑速度为43m/h。
在混凝土浇筑过程中，近支撑点处的部分测点受到干扰，未采集到数据或采集数据质量较差。为此，本文仅列出规律性较强的测点数据，用于分析模壳墙在混凝土浇筑过程中的受力。
2.1 模壳应变、应力
模壳典型测点应变随混凝土浇筑高度的变化如图5所示。由图5可知，随着混凝土浇筑高度的增加，各测点应变增大，混凝土浇筑高度与测点应变基本成正比例关系，其中，位于模壳墙下部的测点应变增幅较大。
混凝土浇筑完成时模壳表面测点应力沿模壳墙高度的分布如图6所示。由图6可知，当混凝土浇筑完成时，模壳表面应力沿模壳墙高度的分布规律基本为下大上小，无严格的线性分布，但线性规律尚可。
2.2 拉结件应变、应力
拉结件在混凝土浇筑过程中的应变和混凝土浇筑完成时的应力分别如图7，8所示。由图7可知，随着混凝土浇筑高度的增加，拉结件应变相应增大，线性规律尚可。由图8可知，混凝土浇筑完成时，拉结件应力随模壳墙高度的变化线性规律不强，这与拉结件位置、模壳内密布拉结件与模壳共同形成的多次超静定结构体系有关。
通过对比拉结件几何位置和拉结件实际受力情况可知，不同位置拉结件在不同混凝土浇筑高度下的受力参数与实际情况基本一致。
通过拉结件连接、内外叶同时养护的模壳墙因其新颖的构造和高效的制作方法，可应用于工程建设中。现场浇筑混凝土是模壳墙形成实体墙的关键工序，本文测试高度为4.7m、厚度为400mm、内外叶厚度为20mm的模壳墙在混凝土浇筑过程中的受力，得出以下结论。
1)本试验中模壳墙应变片所测应变为混凝土浇筑产生的均布压力引起的模壳墙铅垂方向拉应变。
2)由模壳典型测点应变随混凝土浇筑高度的变化可知，随着混凝土浇筑高度的增加，各测点应变增大，混凝土浇筑高度与测点应变基本成正比例关系，其中，位于模壳墙下部的测点应变增幅较大。
3)由混凝土浇筑完成时模壳表面测点应力沿模壳墙高度的分布可知，当混凝土浇筑完成时，模壳表面应力沿模壳墙高度的分布规律基本为下大上小，无严格的线性分布，但线性规律尚可。
4)由拉结件在混凝土浇筑过程中的应变和混凝土浇筑完成时的应力可知，随着混凝土浇筑高度的增加，拉结件应变相应增大，线性规律尚可；
混凝土浇筑完成时，拉结件应力随模壳墙高度的变化线性规律不强。
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