模板侧压力计算公式的选择

模板侧压力计算公式的选择

在混凝土结构施工中，混凝土侧压力的计算是确保混凝土结构施工安全的重要措施之一。模板侧压力的计算相对准确是确保模板不发生坍塌事故的关键性保证措施。我国规范中影响模板侧压力的因素主要有混凝土密度、混凝土初凝时间(与混凝土温度相关)、坍落度、外加剂和混凝土的浇筑速度,而英美规范中除了以上因素外还考虑到了混凝土结构截面尺寸的影响,分别提出了针对柱状结构和基础、墙体墩柱类结构的模板侧压力的计算公式。这些主要因素除混凝土浇筑速度外均可通过试验来确定和修正;混凝土的浇筑速度则只能通过经验数据来确定;本文就混凝土的浇筑速度对柱状结构和基础、墙体墩柱类结构模板侧压力的影响进行讨论。混凝土浇筑速度即混凝土液面在模板中的上升速度主要受施工组织、结构的截面尺寸和高度影响,施工组织方面就是要在下层混凝土初凝前完成上层混凝土的浇筑,结构的截面尺寸和高度则限制了混凝土液面的上升速度。对于柱状结构,由于截面尺寸较小,能在混凝土全部初凝前完成浇筑,浇筑速度较快,而且模板受混凝土振捣的作用影响较大,模板侧压力也较大;对于基础、墙体墩柱类结构,混凝土采用分层浇筑方法,浇筑速度较低,模板受混凝土振捣的作用影响较小,模板侧压力也较小。1计算中模侧压力的中国标准公式1.1混凝土侧压力《建筑施工模板安全技术规范》JGJ162—2008中模板侧压力的计算公式规定如下:采用内部振捣器时,新浇筑的混凝土作用于模板的侧压力标准值,可按公式(1)和(2)分别计算,并取其中的较小值:公式中的各项参数的取值和说明详见《建筑施工模板安全技术规范》JGJ162—2008。1.2侧压力值的计算《混凝土结构工程施工规范》GB50666—2011中对模板侧压力的计算规定如下:1)采用插入式振捣器且浇筑速度≤10m/h、混凝土坍落度≤180mm时,新浇筑混凝土对模板的侧压力标准值,可按公式(3)和(4)分别计算,并应取其中的较小值:2)当浇筑速度>10m/h或混凝土坍落度>180mm时,侧压力标准值可按公式(4)计算。公式中各项参数的取值和说明详见《混凝土结构工程施工规范》GB50666—2011。2计算模型侧压力的英国标准2.1混凝土组成材料的影响系数1)计算公式英国(BS5975∶2008)标准中对于混凝土侧压力的计算主要依据CIRIAReportNo.108.ConcretePressureonFormwork(1985)中的规定按照公式(5)和(6)计算并取其中较小值:式中:D———混凝土的重(kN/m3),取25kN/m3;C1———模板尺寸和形状的影响系数,墙和基础类结构C1=1.0,柱状结构C1=1.5;C2———混凝土组成材料的影响系数如表1所示;H———模板的垂直高度(m);h———垂直的浇筑高度(m);R———混凝土垂直升高的速度(m/h);T———混凝土浇筑时的温度(℃)。2)计算公式说明柱状结构———长度和宽度均<2m的结构物;在浇筑小尺寸截面结构体时,由于采用内部振动,每层混凝土振动能量全部传递给模板,混凝土液化深度大,增大了模板侧压力;同时小尺寸截面结构浇筑混凝土时,浇筑速度快,连续浇筑,在混凝土初凝以前就可以完成浇筑,新浇筑混凝土在浇筑完成时全部处于流态或塑性状态,产生的侧向压力与液态水头的压力相当。墙和基础类结构———长度和宽度任意一边>2m的结构物;混凝土被分层浇筑,截面尺寸较大,不能够被同时振捣流动,这样使较少的能量传递给模板。混凝土竖向浇筑速度较慢的情况下,浇筑面下部的混凝土可能已经开始硬化。如果混凝土温度较高则硬化可能开始得更早。内部混凝土颗粒间摩擦、模板摩擦、孔隙水迁移和其他因素也可能导致侧向压力减小。2.2混凝土浇筑4.2m美国规范(ACI347—04)中对于混凝土侧压力的计算规定如下:对于坍落度≤175mm,并且正常内部振动深度≤1.2m的混凝土,模板的设计侧压力如下:柱、对于浇筑率<2.1m/h且浇筑高度≤4.2m的墙壁:最小为30CwkPa,但≤ρgh。对于浇筑率<2.1m/h且浇筑高度>4.2m的墙壁,以及浇筑率为2.1~4.5m/h的墙壁:最小为30CwkPa,但≤ρgh。式中:Pmax为最大横向压力(kPa);R为浇筑率(m/h);T为浇筑期间混凝土的温度(℃);CW为按照表2规定的单位质量系数;Cc为按照表3规定的化学系数;h为流动或塑性混凝土的深度。凝型减水剂、中效缓凝型减水剂或高效减水剂(超塑剂)2)计算公式说明为了应用压力公式,柱被定义为平面尺寸≤6.5f(2m)的竖向构件。墙壁被定义为至少有一个平面尺寸>6.5ft(2m)的竖向构件。3通过现场测量混凝土模型的侧压力和计算值的比较分析3.1混凝土浇筑速度吴远东、郭正兴等针对某工程的多根柱和墙进行了混凝土侧压力测试,柱的截面都是500mm×500mm,墙厚为200mm,浇筑高度为4m,模板测试采用土压力盒和长沙金玛综合测试仪。沿着柱和墙侧面离地面0.3,1.1,1.9,2.7,3.5m处布置测点,测试结果如表4所示。2)计算与测试结果对比从表4可以看出,由于采用泵送混凝土,浇筑高度4m,浇筑连续,表4中给出的混凝土浇筑速度是通过浇筑高度/浇筑时间计算出来,平均浇筑速度为26.6m/h,浇筑速度均>4m/h,且浇筑时间最长的为17min,这均表明所有的结构物均是在1h以内浇筑完成的,在1h以内所有的结构物混凝土均处于初凝以前的流动或塑性状态。所以依据英美规范假设混凝土的浇筑速度即为4m/h,将表4中温度条件带入到中英美规范计算公式中与测试结果按柱和墙分别对比如表5,6所示。3)结果分析针对柱状结构等在1h以内浇筑完成的垂直结构物,浇筑速度宜取h,单位为(m/h),h=浇筑高度。据此计算,从表5可以看出(JGJ162—2008)的计算结果和现场测试结果比较吻合,这说明(JGJ162—2008)规范在计算柱状结构上的理论公式比较符合实际情况;(JGJ162—2008)计算结果大于(GB50666—2011)计算结果。从表6可以看出,采取适宜的浇筑速度进行计算,CIRIA108在计算墙体结构混凝土模板侧压力方面,计算结果和现场测试结果比较吻合。3.2根据美规范计算侧压力李春生等在贵(南)广铁路思贤窖特大桥、显和特大桥的高大桥墩浇筑的过程中,采用计算机控制应力监控系统对新浇筑混凝土对模板的最大侧压力及有效压头进行了比较系统的测试,选定思贤窖特大桥贵广线190墩、南广线190墩、显和特大桥贵广线25墩做本试验,这3个墩尺寸相同,墩高20m,一般每次浇筑8m,墩身模板由4块高2m的模板拼装而成;且体量大,属于高大模板工程均采用相同结构的模板,混凝土及施工工艺相同,具有较好的代表性。共进行了3次现场试验监测,监控模板竖肋、横肋、桁架、对拉螺杆等的受力变化,从试验上对高大模板混凝土侧压力影响因素进行分析,整个课题从2010年9月开始至2011年2月完成。测试结果如表7所示。通过表7可以估算出贵广25号墩、贵广190号墩、南广190号墩的截面积分别为20,22.25,22.25m2,因此根据英美规范均需按照墙和基础结构进行混凝土模板侧压力的计算。2)计算与测试结果对比根据表7所示温度及浇筑速度等数据,根据中英美规范公式计算出的侧压力最大值与实测结果对比如表8所示。通过表7可以估算出贵广25号墩、贵广190号墩、南广190号墩的截面积分别为20,22.25,22.25m2,因此根据英美规范均需按照墙和基础结构进行混凝土模板侧压力计算。2)计算与测试结果对比根据表7所示温度及浇筑速度等数据,根据中英美规范公式计算出的侧压力最大值与实测结果对比如表8所示。通过表8可以看出,CIRIA108的计算结果平均值与现场测试结果平均值最为接近,尽管贵广25号墩、贵广190号墩、南广190号墩的计算结果与实测结果的差值分别为:-10.13,-8.2,12.32kN/m2;(ACI347—04)计算结果平均值与实测值差值为-9.55kN/m2,但(JGJ162—2008)的计算结果与实测结果相差则分别为-18.91,-32.82,-12.99kN/m2,平均值相差为-21.57kN/m2;因此采用中国规范公式计算混凝土模板的侧压力容易发生安全隐患。在现场测试二的施工过程中,贵广25号墩、贵广190号墩、南广190号墩的实测浇筑速度分别为1.8,1.26,1.74m/h,即为36,28h,38.7m3/h;在进行混凝土模板设计时宜选用较大的浇筑速度,选取40m3/h进行计算,贵广25号墩、贵广190号墩、南广190号墩对应的混凝土液面垂直升高速度为2.0,1.80,1.80m/h,则重新计算的侧压力最大值与现场实测结果对比如表9所示。从表9可以看出,CIRIA108的计算结果平均值与现场测试结果平均值差值为0.18kN/m2,两者最为接近,(ACI347—04)计算结果平均值与实测值差值为-6.75kN/m2,(JGJ162—2008)计算结果平均值与实测值差值为-16.23kN/m2,因此JGJ162—2008规范规定的计算公式在计算大截面混凝土结构时存在较大偏差。这充分说明合理规划混凝土施工组织,选取合适的混凝土浇筑速度对于计算模板侧压力至关重要。如果选取了过低的混凝土浇筑速度,将使计算的模板侧压力低于实际值,造成安全隐患;如果选取了过高的混凝土浇筑速度,将使计算的模板侧压力远高于实际值,造成模板施工浪费。3.3混凝土浇筑工艺宋炜卿在罗蕴河大桥主墩立柱自密实混凝土施工中对模板的最大侧压力进行了测试。罗蕴河大桥主墩立柱为哑铃形单柱钢筋混凝土结构,柱截面为2.5m×7.5m且四直角为250mm直倒角,墩柱高8.147m,混凝土理论用量为234.2m3。结构设计考虑抗震因素,纵、横向水平箍筋的叠加再加上拉钩的布置,使得短边方向的水平钢筋在整个立面布置几乎密布,如采用普通混凝土施工很难确保施工质量。因此确定采用自密实混凝土,利用自密实混凝土良好的流动性和填充性,降低混凝土浇筑难度和确保混凝土施工质量。立柱混凝土采用汽车泵浇筑,串筒下料,混凝土自2012年6月18日15:45开始浇筑,至20:20结束,混凝土浇筑历时4h35min,立柱混凝土平均浇筑速度为1.8m/h。现场实测的模板侧压力最大值平均为58.2kN/m2。2)计算与测试结果对比按照浇筑速度1.8m/h,混凝土浇筑时温度26℃采用中英美规范公式计算出的侧压力最大值与实测结果对比如表10所示。通过表10可以看出,CIRIA108的计算结果平均值与现场测试结果平均值最为接近,(ACI347—04)计算结果与实测值差值为2.87kN/m2,(JGJ162—2008)计算结果平均值与实测值差值为-10.51kN/m2。4混凝土浇筑速度的确定在混凝土模板侧压力计算中,混凝土的计算浇筑速度实际上指的是混凝土液面的升高速度;按照英美规范,侧压力计算分别按照柱状结构和墙基础类结构进行计算;针对柱状等较小截面尺寸的结构,混凝土往往在1h以内浇筑完成,参考对比现场测试一的分析结果,混凝土的计算浇筑速度可以按照(柱的高度)/小时来计算;针对墙基础类等大截面尺寸结构,混凝土的计算浇筑速度则需要根据泵车的数量、拌合站的产量、混凝土运输车的数量、振捣棒以及工人的数量综合考虑,混凝土浇筑速度普遍不高。4.1根据cira-pcr公式计算侧压力选取立柱高度分别为3,4,5,6,7,8,9,10m,混凝土计算浇筑速度分别为3,4,5,6,7,8,9,10m/h,浇筑温度20℃,根据中英美规范公式计算出的侧压力最大值(以CIRIA108中公式为例)结果对比如表11和图1所示。由此可以看出,CIRIA108的计算结果>(JGJ162—2008)>(GB50666—2011),但三者相差并不大。虽然(JGJ162—2008)的计算结果与现场实测结果最为接近,但(JGJ162—2008)不宜用于浇筑速度>6m/h的模板侧压力计算,因此在计算柱状结构模板侧压力时采用(JGJ162—2008)(浇筑速度≤6m/h)或(GB50666—2011)(浇筑速度>6m/h,≤10m/h)公式是适宜的。4.2侧压力的计算结果选取基础高度为2m,混凝土计算浇筑速度分别为0.25,0.5,0.75,1m/h,浇筑温度20℃,根据中英美规范公式计算出的侧压力最大值(以CIRIA108公式为例)结果对比如表12和图2所示。由此可见,当基础类结构高度为2m以内,混凝土浇筑速度≤0.5m/h时,CIRIA108的计算结果>(JGJ162—2008)>(GB50666—2011)>(ACI347—04)的计算结果,选用CIRIA108的计算公式有益于模板的安全性能。4.3混凝土浇筑速度b选取墙、墩柱类结构高度为8m,混凝土计算浇筑速度分别为0.5,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,4.5m/h,浇筑温度20℃,根据中英美规范公式计算出的侧压力最大值(以CIRIA108公式为例)结果对比如表13和图3所示。由此可见,当墙体、墩柱类结构混凝土浇筑速度≤4m/h时,CIRIA108的计算结果>(JGJ162—2008)>(GB50666—2011),CIRIA08与(ACI347—04)的计算结果比较接近,且混凝土浇筑速度越小,计算结果相差越大;CIRIA108公式引入了结构的高度,计算结果根据高度的不同而改变;由于CIRIA108的计算结果与实测结果比较接近,因此在计算墙、墩柱、基础模板侧压力且混凝土浇筑速度较小时,采用英国规范公式是适宜的。4.4混凝土浇筑速度在模板侧压力的计算中,混凝土的浇筑速度也就是混凝土液面上升的速度,是唯一一个难以测量的数据,只能够根据施工组织或以往的施工经验进行估算,往往取一个较大的值。1)柱类结构的浇筑速度对于柱类结构的浇筑速度,由于截面尺寸较小,柱的一次性浇筑高度最高可按10m计算,参照3.1节中的现场实测侧压力与规范公式计算结果对比,针对柱状结构等在1h以内浇筑完成的垂直结构物,浇筑速度宜为h(m/h),h=浇筑高度。而GB50666—2011规范条文说明中提到浇筑小截面柱时,浇筑速度通常在10~20m/h;这种推算出的浇筑速度对于计算模板侧压力是没有实际操作意义的,因为按照这样推算的浇筑速度计算出来的模板侧压力往往很大。2)墙体、墩柱、基础结构的浇筑速度对于墙体、墩柱、基础等大截面尺寸的混凝土结构,根据本文3.2,3.3,4.2,4.3节的阐述,在浇筑速度较小的情况下,采用英美规范公式计算的模板侧压力结果与实测结果最为接近,而且英美规范计算的结果>中国规范的计算结果。但混凝土的浇筑速度如何确定规范没有给出明确的公式。《大体积混凝土施工规范》GB50496—2009附录A中给出了混凝土泵输出量和所需搅拌运输车数量的计算方法,混凝土泵的实际平均输出量,可根据混凝土泵的最大输出量、配管情况和作业效率,按公式(9)计算:式中:Q1———每台混凝土泵的实际平均输出量(m3/h);Qmax———每台混凝土泵的最大输出量(m3/h),可参考《建筑施工手册》(5版)中混凝土泵车的理论排量为67(37,42m泵车),100(45,48,52,56m泵车),110m3/h(66m泵车);α———配管条件系数,可取0.8~0.9;η———作业效率,根据混凝土搅拌运输车向混凝土泵供料的间断时间、拆装混凝土输出管和布料停歇等情况,可取0.5~0.7。在其他各种结构物的施工中,由于振捣设备的配备情况和作业工人的数量等原因,在计算每台泵车的实际输出量时笔者认为还应乘以一个振捣系数K来模拟实际情况。例如,在考虑工人振捣效率的情况下,浇筑箱梁时实际每台泵车的输出量在15~20m3/h,浇筑基础、承台时实际每台泵车的输出量在40~50m3/h,浇筑墙体时实际每台泵车的输出量在30~40m3/h,因此可假定K值可取0.5~1.2。所以建议混凝土的浇筑速度(每小时)可按公式(10)计算:式中:A———混凝土每小时浇筑用量的覆盖面积(m2)。由于在实际施工中分层浇筑的混凝土的高度平均为0.5m,所以浇筑速度的最小值可为0.5m/h。3)基于浇筑速度的建议公式的计算在某项目废水预处理水池施工中,按照业主要求采用英国规范公式并依据建议的公式(10)中的混凝土浇筑速度进行了模板侧压力的计算,并完成了模板的设计、施工和混凝土浇筑,未发生任何安全质量事故。废水预处理水池长37.5m、宽13.5m,池壁厚度为0.75m,池壁浇筑高度为6m,由于浇筑时要将4道横向池壁一同浇筑完成,所以采用2台48m泵车分别站位于水池两侧同时浇筑,单侧浇筑长度为61.5m。废水预处理水池平面及立面如图4所示。混凝土设计体积554m3。混凝土浇筑速度=Qmax·α·η·K/A=100×0.8×0.5×0.8/61.5×0.75=0.7m/h,混凝土浇筑时温度为25℃,采用英美规范及中国规范公式计算的模板侧压力如表14所示。由表14可以