橋墩模板側(cè)壓力的試驗(yàn)研究

郭亞娟（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600）

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橋墩模板側(cè)壓力的試驗(yàn)研究

郭亞娟
（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600）

摘 要：工程實(shí)踐表明，模板側(cè)壓力計(jì)算公式存在局限性，需要新的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持和修正，確保模板施工的經(jīng)濟(jì)性與安全性。通過對(duì)橋梁墩身混凝土產(chǎn)生的側(cè)壓力進(jìn)行大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究了橋墩模板側(cè)壓力隨時(shí)間及一次性澆筑高度的變化規(guī)律，明確了最大側(cè)壓力的主要影響因素，及與現(xiàn)有規(guī)范公式的相對(duì)偏差。統(tǒng)計(jì)分析表明：①橋墩模板側(cè)壓力最大值易出現(xiàn)在模板的中下部，而非最底層，最大值位置與一次性澆筑高度有關(guān)。②初凝時(shí)間、澆筑速度對(duì)模板側(cè)壓力具有顯著影響，內(nèi)部振搗僅對(duì)局部壓力有影響，澆筑方式對(duì)模板側(cè)壓力的影響不顯著。③與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果比較表明，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)橋墩模板側(cè)壓力超出規(guī)范計(jì)算值2．41～4．86倍，因此急需根據(jù)橋墩模板特點(diǎn)制定相應(yīng)計(jì)算公式。本研究為下一步制定橋墩模板側(cè)壓力計(jì)算公式提供了數(shù)據(jù)支撐，為規(guī)范橋墩模板設(shè)計(jì)、確保施工安全奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：橋墩模板；側(cè)壓力；初凝時(shí)間；澆筑速度

1　模板側(cè)壓力計(jì)算公式的局限性

隨著混凝土施工機(jī)械化程度的提高，施工技術(shù)水平和施工效率有了質(zhì)的飛躍，如泵送混凝土大大提高了澆筑速度，同時(shí)由于高性能混凝土的高流動(dòng)特性等，使得混凝土對(duì)橋墩模板的實(shí)際側(cè)壓力與目前現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果存在較大偏差；且規(guī)范中模板側(cè)壓力計(jì)算參數(shù)不易準(zhǔn)確取值，導(dǎo)致近年來，時(shí)有工地發(fā)生墩身爆模事故。

目前國(guó)內(nèi)有關(guān)混凝土模板側(cè)壓力計(jì)算規(guī)范以《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666—2011）為主，其主要參考數(shù)據(jù)為建筑結(jié)構(gòu)模板數(shù)據(jù)［1］。橋墩模板尺寸遠(yuǎn)大于建筑結(jié)構(gòu)模板，且一次性澆筑高度一般在8～18m。近年來，不少學(xué)者對(duì)橋墩模板爆模進(jìn)行分析，指出模板側(cè)壓力超出計(jì)算值是產(chǎn)生爆模的一個(gè)主要原因［2－5］。因此，有必要對(duì)橋墩模板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，統(tǒng)計(jì)橋墩模板側(cè)壓力實(shí)際值，制定單獨(dú)的計(jì)算公式及模板施工指南，以確保橋墩模板施工安全。

李陸平［6］對(duì)橋墩墩身混凝土側(cè)壓力進(jìn)行了理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析，指出實(shí)測(cè)混凝土最大側(cè)壓力約為按照公路規(guī)范理論計(jì)算值的2．8倍。汪水清［7］對(duì)現(xiàn)澆混凝土模板側(cè)壓力進(jìn)行研究，指出測(cè)試最大側(cè)壓力為規(guī)范計(jì)算值的1．01～2．20倍，建議修訂公路規(guī)范中模板側(cè)壓力計(jì)算公式。薛琪［8］對(duì)高性能混凝土的模板側(cè)壓力進(jìn)行分析，指出原有規(guī)范中關(guān)于模板側(cè)壓力計(jì)算公式已存在一些局限性，需要新的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持和修正，并給出部分設(shè)計(jì)和施工建議。

王旭峰、劉繼文［9］通過分析深圳地鐵3號(hào)線3106標(biāo)段某橋墩立柱模板坍塌事故，指出《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666—1992）中混凝土側(cè)壓力計(jì)算公式不適應(yīng)當(dāng)前施工條件，缺乏有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。王榮杰［10］在文章中指出模板爆模的主要原因可歸結(jié)為：設(shè)計(jì)問題、施工問題、材料問題、管理問題四個(gè)方面。

以上所有的研究或基于理論分析，或基于某一工點(diǎn)，同時(shí)均指出，需要大量代表現(xiàn)有施工技術(shù)水平的測(cè)試數(shù)據(jù)來修訂既有規(guī)范公式。因此，在新的施工技術(shù)條件下，要對(duì)模板側(cè)壓力的形成機(jī)理和影響混凝土模板側(cè)壓力的各因素進(jìn)行分析，對(duì)模板側(cè)壓力計(jì)算公式存在的一些局限性，需要新的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持和修正，確保模板施工的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

2　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試概況

選擇廣東、湖南、重慶、內(nèi)蒙古等四個(gè)工點(diǎn)開展橋墩模板側(cè)壓力測(cè)試，各工點(diǎn)選取20個(gè)橋墩，力爭(zhēng)使測(cè)試數(shù)據(jù)代表國(guó)內(nèi)橋墩施工的實(shí)際狀況，共測(cè)試橋墩80個(gè)，其中有效橋墩數(shù)為52個(gè)。圖1為現(xiàn)場(chǎng)安裝的傳感器。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)安裝的傳感器

壓力監(jiān)測(cè)采用高精度振弦式壓力盒，溫度監(jiān)測(cè)采用半導(dǎo)體類電壓型溫度傳感器。壓力盒沿墩柱高度埋設(shè)多層，布置方式如圖2所示。每一水平測(cè)層布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)位，分別位于直線段中點(diǎn)、圓弧段中點(diǎn)及直圓交界處，豎向測(cè)點(diǎn)按墩臺(tái)全高布置，首層測(cè)點(diǎn)位置高于承臺(tái)頂面30～50cm，然后依次向上每2m布置一層測(cè)點(diǎn)，壓力盒采用綁扎在鋼筋和黏貼在模板上兩種方式安裝?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。通過對(duì)各工點(diǎn)測(cè)試參數(shù)統(tǒng)計(jì)，得出如下結(jié)論：橋墩施工平均澆筑速度不高、均在3m／h以下，混凝土坍落度普遍較大、最大值達(dá)到210mm，初凝時(shí)間各工點(diǎn)存在較大差異，一次性澆筑高度最高為16．5 m，入模溫度及環(huán)境溫度受各地氣候影響較大。

圖2傳感器布置方式（單位：cm）

表1　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖3為某測(cè)試橋墩豎向各層傳感器側(cè)壓力隨時(shí)間變化曲線，從圖中可以看出，模板的側(cè)向壓力隨時(shí)間逐步增大，達(dá)到峰值后，逐漸趨于平緩，而后呈下降趨勢(shì)。該橋墩側(cè)壓力最大值為0．152 MPa，出現(xiàn)在距墩底2．5m處。圖4為同一水平層3個(gè)位置處傳感器側(cè)壓力隨時(shí)間變化曲線，圖中，3C－1D代表第3層直中點(diǎn)位置，其他依此類推。從圖中可以看出，3條曲線隨時(shí)間變化趨勢(shì)和最大值基本一致，即同一層3個(gè)位置處側(cè)壓力的變化趨勢(shì)無明顯差別，模板設(shè)計(jì)對(duì)各位置可同等考慮。

圖3　豎向各層傳感器側(cè)壓力隨時(shí)間變化曲線

圖4　同一水平層傳感器側(cè)壓力隨時(shí)間變化曲線

3　測(cè)試數(shù)據(jù)處理

3．1測(cè)試數(shù)據(jù)分析

圖5、圖6分別為不同橋墩澆筑高度下側(cè)壓力最大值隨高度變化曲線（一次性澆筑高度8～16m）。從圖中可以看出，側(cè)壓力最大值不一定出現(xiàn)在最底層，對(duì)于一次性澆筑高度較高情況，最大值可能出現(xiàn)在第2或第3層，即距離橋墩底部2．5～4．5m處，與一次性澆筑高度有關(guān)。分析表明，側(cè)壓力最大值出現(xiàn)的位置與混凝土初凝時(shí)間有關(guān)，在澆筑速度不大的情況下，初凝時(shí)間短，容易出現(xiàn)側(cè)壓力最大值不在澆筑最底層。

圖5　側(cè)壓力最大值隨高度變化曲線（不同澆筑高度下）

圖6　側(cè)壓力最大值隨高度變化曲線（澆筑高度較?。?/p>

3．2測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算結(jié)果比較

圖7為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與規(guī)范模板側(cè)壓力公式計(jì)算的比較。

圖7　測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)有計(jì)算公式比較

從圖中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試有效橋墩個(gè)數(shù)為52個(gè)，其中47個(gè)橋墩的側(cè)壓力最大值超過現(xiàn)有所有規(guī)范的計(jì)算結(jié)果，測(cè)試值最大為計(jì)算結(jié)果的4．86倍，測(cè)試值平均為計(jì)算結(jié)果的2．41倍。由此可以看出，橋墩模板的側(cè)壓力大大超出各類規(guī)范的計(jì)算結(jié)果，主要是由于現(xiàn)有規(guī)范主要以建筑結(jié)構(gòu)的小模板側(cè)壓力數(shù)據(jù)為主，且所依托的測(cè)試條件與現(xiàn)有施工技術(shù)不相匹配。由此也證實(shí)了本測(cè)試工作意義深遠(yuǎn)，這將為下一步規(guī)范鐵路橋墩模板設(shè)計(jì)與施工提供數(shù)據(jù)支撐。

圖中：Ptest代表現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試橋墩模板側(cè)壓力最大值；P2011代表《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB50666—2011）計(jì)算數(shù)據(jù)；P92代表《鋼筋混凝土工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50204—92）計(jì)算數(shù)據(jù)；P89代表《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ041—89），《高速鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南》（2010，鐵建設(shè)241號(hào)）計(jì)算數(shù)據(jù)；PACI04代表美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)《混凝土模板指南》（ACI347—04）計(jì)算數(shù)據(jù)；Preport代表英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《腳手架實(shí)施規(guī)范》（CIRIA Report No．108）計(jì)算數(shù)據(jù)；Pger代表德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（DIN 18218—2010）計(jì)算數(shù)據(jù)。

3．3初凝時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式問題

現(xiàn)行國(guó)內(nèi)大部分模板側(cè)壓力規(guī)范中，對(duì)于初凝時(shí)間規(guī)定：當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時(shí)，可采用t0＝200／（T ＋15）計(jì)算，t0為混凝土的初凝時(shí)間，T為混凝土的溫度（℃）。本研究通過對(duì)測(cè)試橋墩混凝土參數(shù)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該經(jīng)驗(yàn)公式在大部分地區(qū)偏差較大，測(cè)試結(jié)果為計(jì)算結(jié)果的0．48～3．15倍。圖8為初凝時(shí)間實(shí)測(cè)與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算相對(duì)誤差曲線，因此不宜采用上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算初凝時(shí)間。

圖8 初凝時(shí)間實(shí)測(cè)與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算相對(duì)誤差

4 參數(shù)敏感性分析

現(xiàn)有規(guī)范中，側(cè)壓力的影響因素主要有混凝土重度、初凝時(shí)間、澆筑速度及外加劑和坍落度影響系數(shù)等，如（GB50666—2011）中側(cè)壓力計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：F為新澆筑混凝土對(duì)模板的最大側(cè)壓力（kN／m2）；γc為混凝土的重力密度（kN／m3）；t0為新澆混凝土的初凝時(shí)間（h）；β為混凝土坍落度影響修正系數(shù)：v為混凝土澆筑高度（厚度）與澆筑時(shí)間的比值，即澆筑速度（m／h）。

本節(jié)對(duì)初凝時(shí)間及澆筑速度兩個(gè)重要因素進(jìn)行單因素分析，研究現(xiàn)有澆筑條件下其與模板側(cè)壓力的關(guān)系。同時(shí)對(duì)現(xiàn)有施工條件下發(fā)生改進(jìn)的施工方式如振搗方式、澆筑方式等對(duì)側(cè)壓力的影響進(jìn)行分析。

4．1初凝時(shí)間對(duì)側(cè)壓力的影響

依據(jù)最小二乘法，對(duì)初凝時(shí)間與側(cè)壓力關(guān)系進(jìn)行非線性擬合，如圖9所示，擬合公式為：

圖9　初凝時(shí)間對(duì)側(cè)壓力影響曲線

表2為擬合參數(shù)的方差分析表，置信度水平α＝0．05，即在95%置信度水平下，初凝時(shí)間對(duì)側(cè)壓力具有顯著影響。

表2 初凝時(shí)間參數(shù)方差分析表

4．2 澆筑速度對(duì)側(cè)壓力的影響

澆筑速度對(duì)側(cè)壓力的影響可用公式（3）進(jìn)行擬合，如圖10所示。其方差分析如表3所示，置信度水平α＝0．05，即在95%置信度水平下，澆筑速度對(duì)側(cè)壓力具有顯著影響。

圖10　澆筑速度對(duì)側(cè)壓力影響曲線

4．3 振搗對(duì)側(cè)壓力的影響

在澆筑過程中，在振搗時(shí)和振搗間歇階段分別測(cè)試側(cè)壓力，測(cè)試結(jié)果表明，振搗對(duì)模板側(cè)壓力有一定的影響。廣清線銀盞河146墩在澆筑過程中，有無振搗側(cè)壓力變化如圖11所示，在傳感器附近振搗時(shí)，側(cè)壓力增加10kPa左右，但由于澆筑過程中側(cè)壓力往往尚未達(dá)到最大值，故振搗對(duì)局部1m高度范圍內(nèi)側(cè)壓力有一定影響，對(duì)側(cè)壓力最大值不產(chǎn)生影響。

圖11 外部振搗對(duì)模板側(cè)壓力影響

表3 澆筑速度參數(shù)方差分析表

4．4 澆筑方式對(duì)側(cè)壓力的影響

湖南工點(diǎn)有4個(gè)墩采用料斗澆筑，其澆筑速度與其他泵送混凝土澆筑沒有差別，料斗澆筑的速度分別為0．6m／h，1．3m／h，0．9m／h，泵送混凝土澆筑速度亦在1m／h，側(cè)壓力結(jié)果沒有明顯變化。因此，對(duì)于橋墩模板，澆筑方式對(duì)側(cè)壓力的影響不顯著。

5　結(jié)論

本研究通過大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究了橋墩模板側(cè)壓力的大小及主要影響因素，為下一步研究橋墩模板側(cè)壓力計(jì)算公式及編制模板設(shè)計(jì)、施工手冊(cè)提供了技術(shù)支撐。

（1）選擇氣候差異較大的四個(gè)工點(diǎn)進(jìn)行橋墩模板側(cè)壓力測(cè)試，測(cè)試不影響現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)、施工進(jìn)程，數(shù)據(jù)量大，可真實(shí)反映國(guó)內(nèi)橋墩模板施工水平下的模板側(cè)壓力大小。

（2）與現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算結(jié)果比較，橋墩模板側(cè)壓力超出規(guī)范計(jì)算值在2．41～4．86倍，進(jìn)一步證明了修訂橋墩模板側(cè)壓力計(jì)算公式的必要性。

（3）對(duì)大量橋墩的測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，側(cè)壓力最大值易于出現(xiàn)在距離墩底2．5～4．5m范圍內(nèi)，與混凝土初凝時(shí)間和一次性澆筑高度有關(guān)。

（4）通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)初凝時(shí)間的測(cè)試，和國(guó)內(nèi)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算比較，得出采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算初凝時(shí)間誤差較大，由于初凝時(shí)間對(duì)側(cè)壓力影響較大，建議采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。

（5）分析了橋墩模板側(cè)壓力影響參數(shù)的敏感度，指出初凝時(shí)間、澆筑速度對(duì)側(cè)壓力具有高度顯著影響；而內(nèi)部振搗僅在振搗過程中對(duì)局部側(cè)壓力有影響，對(duì)模板側(cè)壓力最大值沒有影響；泵送和料斗澆筑方式對(duì)側(cè)壓力最大值影響不明顯。

致謝：本研究得到了鐵路總公司工管中心，廣東珠三角城際軌道交通公司、湖南城際鐵路有限公司、呼準(zhǔn)鄂鐵路有限公司、渝黔鐵路有限責(zé)任公司、中鐵十一局、中鐵二十二局、中鐵二十五局、中鐵大橋局等單位的協(xié)作與支持，在此表示誠(chéng)摯感謝。

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An Experimental Study of the Lateral Pressure of the Template for Piers

Guo Yajuan
（China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Beijing 102600，China）

Abstract：Engineering practice shows that the existing formula for the calculation of the lateral pressure of the template for piers has certain limitations，which needs new experimental data to support itself and needs to be mended so as to ensure the economy and security of the template．Through a large number of site tests of the lateral pressure caused by the pier body of a bridge，the laws of the change in the lateral pressure of the template for piers with time and the one－time pouring height are studied，with the main influential factors of the maximum lateral pressure and the relative errors between the true data and the norm－calculated data made clear．The statistical analysis shows that：①the maximum value of the lateral pressure of the template for bridge piers tends to occur in the middle and lower parts of the template rather than in the lowest part of the bottom；and the maximum－value－position is related to the one－time pouring height．②The initial setting time and the placing rate have significant influence on the lateral pressure of the template，the internal vibration of concrete has influence only on the local pressure and the pouring mode has little influence on the lateral pressure of the template．③Compared with the results calculated in the light of domestic and international norms＇formulae，the site－measured results of the lateral pressure of the pier template is 2．41～4．86times greater than those calculated according to the formulae in the norms．Therefore，it is urgent to work out a corresponding calculation formula according to the characteristics of the pier template．The present research of ours may provide data support for developing a new formula for the calculation of the lateral pressure of the bridge pier．And the study also lays a solid foundation for the design and construction of the template for piers and helps ensure safe construction．

Key words：form for piers；lateral pressure；time of initial setting；placingrate

作者簡(jiǎn)介：郭亞娟（1980—），女，高級(jí)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)的減振與降噪分析 guoyajuan＠t5y．cn

基金項(xiàng)目：鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題（2014G010－E）

收稿日期：2015－11－12

中圖分類號(hào)：U443．22；TU755．2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672－3953（2016）01－0001－05

DOI：10．13219／j．gjgyat．2016．01．001