新澆筑混凝土模板側(cè)壓力影響因素試驗研究

李文廣

（中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300451）

近些年在混凝土澆筑過程中，爆模事故時有發(fā)生，混凝土澆筑時的模板側(cè)壓力再次得到有關學者的關注。文獻［1-2］在對相關試驗研究數(shù)據(jù)進行分類分析的基礎上，研究了澆筑速度對模板側(cè)壓力的影響：當澆筑速度較低時，模板側(cè)壓力與澆筑速度呈線性關系；而在澆筑速度較高時，澆筑速度對模板側(cè)壓力的影響較小。文獻［3-4］闡述了模板側(cè)壓力受模板表面材料影響的規(guī)律。文獻［5］指出振搗深度對模板側(cè)壓力的影響很大，而二次超深振搗會使得模板側(cè)壓力明顯增大，不利于模板工程的安全。

目前，混凝土模板設計越來越保守，浪費現(xiàn)象比較普遍。模板問題引發(fā)的工程事故在混凝土施工中頻繁發(fā)生，這不僅會影響施工質(zhì)量，造成經(jīng)濟損失，還可能導致人員傷亡。文獻［6-8］對現(xiàn)澆混凝土模板進行模板側(cè)壓力試驗，并與規(guī)范中的側(cè)壓力計算結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)規(guī)范公式計算結(jié)果與實際側(cè)壓力值相差較大。文獻［9］對比不同規(guī)范模板側(cè)壓力計算公式發(fā)現(xiàn)，不僅不同國家規(guī)范計算值之間存在較大差異，而且同一國家不同行業(yè)規(guī)范計算值之間也存在很大差異。以往的研究多集中在混凝土坍落度、澆筑速度和模板特性，而研究振搗深度對模板側(cè)壓力的影響卻很少。因此，本文設計了16個混凝土模板側(cè)壓力試驗試件，對模板側(cè)壓力進行測試，并分析其分布規(guī)律。同時分析主要影響參數(shù)對模板側(cè)壓力的影響，以便為混凝土模板設計和施工質(zhì)量控制提供參考。

1 混凝土模板側(cè)壓力試驗

1.1 試驗設計

共設計16 個試件，其中橫截面為0.6 m×1.2 m 的試件10個，橫截面為0.3 m×1.2 m 的試件2個，橫截面為 0.15 m×1.2 m 的試件 1 個，橫截面為0.6 m×0.6 m的試件3個，試件高度均為3.0 m。設計混凝土強度等級均為C30。試驗用模板為鋼模，面板為6 mm 厚鋼板，邊肋為 L60 角鋼，加勁肋為 8 mm×60 mm 鋼板條。由模板底向上5 cm 處開始等間距布置5 個壓力測試傳感器，典型壓力測點布置如圖1所示。試驗過程中的壓力測試采用長沙金碼和丹東建工儀器廠生產(chǎn)的壓力傳感器和采集系統(tǒng)，長沙金碼傳感器的最大量程為600 kPa，分辨率≤0.2%F.S，丹東建工儀器廠傳感器的最大量程為400 kPa，分辨率≤0.3%F.S。

圖1 測點布置（單位：cm）

澆筑之前要測試混凝土坍落度，記錄環(huán)境溫度、澆筑時間等，每次振搗后測試模板側(cè)壓力。

1.2 測試結(jié)果

為避免個別測點異常數(shù)據(jù)的影響，模板側(cè)壓力取相同高度測點測得結(jié)果的平均值：①對于0.6 m×0.6 m×3.0 m的等邊試件相同高度的4個測點數(shù)據(jù)取平均值；②對于0.6 m×1.2 m×3.0 m 和0.3 m×1.2 m×3.0 m 的不等邊試件，將相同高度長邊和短邊測點數(shù)據(jù)分別取平均值；③對于0.15 m×1.20 m×3.00 m 的墻板試件只在長邊布置了測點，將相同高度長邊測點數(shù)據(jù)取平均值。找出試件在整個澆筑過程中出現(xiàn)的最大模板側(cè)壓力。圖2給出了代表性測點模板側(cè)壓力隨澆筑高度變化曲線。16個試件實測最大側(cè)壓力見表1。

圖2 模板側(cè)壓力隨澆筑高度變化曲線

表1 試件參數(shù)及最大側(cè)壓力實測值

由圖2、表1可知：

1）混凝土澆筑振搗后開始密實，經(jīng)過振搗密實后的混凝土不僅失去了流動性，而且隨著時間的推移具有一定的自持能力使下部先澆筑的混凝土在豎向荷載作用下引起的模板側(cè)壓力折減系數(shù)開始降低，加之模板在側(cè)壓力作用下開始向外變形，造成最大模板側(cè)壓力并不一定發(fā)生在最底部。

2）在混凝土澆筑高度較小時，模板側(cè)壓力基本按線性規(guī)律隨澆筑高度增加而增大；之后雖然側(cè)壓力隨澆筑高度增加而有所增大，但增大速度明顯放緩；當澆筑高度達到一定值后，模板側(cè)壓力可能會出現(xiàn)隨澆筑高度進一步增加而降低的現(xiàn)象。

3）測得不等邊試件1—試件12短邊和長邊最大側(cè)壓力的平均值分別為31.1，30.1 kPa，因此可以忽略構件截面尺寸對混凝土澆筑時模板側(cè)壓力的影響，這與文獻［1］的研究結(jié)論相吻合。

4）新澆筑混凝土的坍落度、澆筑速度、澆筑分層情況、振搗棒插入深度等對模板側(cè)壓力影響較大，在計算模板側(cè)壓力時應予以考慮。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 實測值與規(guī)范計算值對比

為對比實測混凝土模板側(cè)壓力與規(guī)范計算值的吻合情況，選取了中國GB 50666—2011《混凝土結(jié)構工程施工規(guī)范》、TZ 210—2005《鐵路混凝土工程施工技術指南》和英國CIRIA Report NO.108Concrete pressure on formwork、美 國 ACI347-04Guide to Formwork forConcrete規(guī)范進行對比。計算結(jié)果見圖3。

圖3 國內(nèi)、國外規(guī)范模板側(cè)壓力計算值

由圖3可知：

1）按照GB 50666—2011 計算出的模板側(cè)壓力與本次試驗側(cè)壓力測試值的相對誤差在-11%～78%，其中試件 4，7，8 的計算值分別比實測值小 4.5，2.6，0.8 kPa，規(guī)范計算值小于試驗測試值的概率為23%。

2）按照TZ 210—2005 計算出的模板側(cè)壓力與本次試驗側(cè)壓力測試值的相對誤差在-37%～76%，有7個試件的規(guī)范計算值小于本試驗實測值，規(guī)范計算值小于實測值的概率超過50%。

3）按照美國規(guī)范ACI347-04計算出的模板側(cè)壓力與實測值的相對誤差在47.0%以內(nèi)，規(guī)范計算值均大于實測值，計算結(jié)果偏于安全。

4）按照英國規(guī)范CIRIA Report NO.108 計算出模板側(cè)壓力均高于本次試驗測試值，計算值與實測值最小相對誤差為5%，最大相對誤差為115%，規(guī)范計算值過于保守。

國內(nèi)外規(guī)范中典型的模板側(cè)壓力計算公式多是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行擬合得到的，但由于影響新澆筑混凝土模板側(cè)壓力的因素較多，目前的規(guī)范均不能很好地預測模板側(cè)壓力的真實情況。CIRIA Report NO.108 計算值明顯大于實測值，有可能會因此造成不必要的浪費；而按TZ 210—2005 進行側(cè)壓力計算時，出現(xiàn)計算值低于實測值的概率相當大，存在一定的安全隱患。

2.2 回歸分析

由于試驗是在露天環(huán)境下進行的，試驗環(huán)境溫度、混凝土的實際澆筑速度均與試驗設計值之間存在一定的差異。為便于分析某一個參數(shù)對側(cè)壓力的影響規(guī)律，引入影響模板側(cè)壓力F的主要參數(shù)：試件橫截面積A、截面邊長D、混凝土澆筑速度V、試驗環(huán)境溫度T和混凝土坍落度S。利用最小二乘法對以上5 個參數(shù)對模板側(cè)壓力的影響規(guī)律進行擬合，由于后2 個試件的振搗方式有所不同，擬合時僅考慮前14個試件，得到擬合方程如式（1）所示。擬合公式確定系數(shù)R2=0.92，表明回歸方程能夠反應各參數(shù)對側(cè)壓力的影響規(guī)律。

根據(jù)式（1）將各試件以混凝土澆筑速度、試驗環(huán)境溫度和混凝土坍落度進行歸一化分組，以其中某一參數(shù)為變量，利用式（1）將其他2個參數(shù)統(tǒng)一調(diào)整到某一定值，以便分析單一參數(shù)對側(cè)壓力的影響規(guī)律。

2.3 坍落度的影響

試件8，9，12，4，3的混凝土坍落度分別為86，157，159，210，240 mm。利用式（1）對以上5 個試件的澆筑速度和環(huán)境溫度進行修正，將5 個試件的環(huán)境溫度統(tǒng)一修正到20 ℃、澆筑速度修正到1.20 m/h，得到修正后的模板側(cè)壓力，其與坍落度的關系見表2?？芍?，新澆筑混凝土模板側(cè)壓力受坍落度影響較大，在其他條件相同的情況下，模板側(cè)壓力隨混凝土坍落度的增加而增大，基本呈線性規(guī)律變化。

表2 模板側(cè)壓力與坍落度的關系

2.4 澆筑速度的影響

試件 7，8，4，10，2，3，9 的澆筑速度分別為 0.45，0.80，0.93，1.16，1.29，1.33，1.45 m/h，根據(jù)式（1）對以上試件的坍落度和環(huán)境溫度進行修正，修正后坍落度為150 mm、環(huán)境溫度為20 ℃，修正后模板側(cè)壓力與澆筑速度的關系見表3?？芍谄渌麠l件相同的情況下，新澆筑混凝土模板側(cè)壓力隨澆筑速度的增加而增大，呈現(xiàn)出指數(shù)規(guī)律變化。經(jīng)計算，采用指數(shù)擬合函數(shù)的確定系數(shù)R2=0.99，表明指數(shù)擬合函數(shù)可以較準確地描述澆筑速度對模板側(cè)壓力的影響規(guī)律。

表3 模板側(cè)壓力與澆筑速度的關系

2.5 環(huán)境溫度的影響

試件10，4，8，7，2 澆筑時環(huán)境溫度分別為16，19，20，21，24 ℃，根據(jù)式（1）對以上5個試件的混凝土坍落度和澆筑速度進行修正，修正后混凝土坍落度為150 mm、澆筑速度為1.20 m/h，修正后的模板側(cè)壓力與環(huán)境溫度的關系見表4。可知，環(huán)境溫度對新澆筑混凝土模板側(cè)壓力的影響較小，在正常環(huán)境溫度或混凝土初凝時間已知的情況下可以忽略環(huán)境溫度對新澆筑混凝土模板側(cè)壓力的影響。這與文獻［1-2］的研究結(jié)論基本一致。

表4 模板側(cè)壓力與環(huán)境溫度的關系

2.6 振搗方式的影響

為分析混凝土振搗方式對新澆筑混凝土模板側(cè)壓力的影響，本次試驗選取了試件14，15，16進行對比測試。對于試件14 每澆筑50 cm 振搗1 次，振搗棒插入深度50 cm，澆筑結(jié)束后自上而下重新將振搗棒插入試件底部振搗2 次（即DV1 和DV2），用以模擬混凝土澆筑過程中重復超深振搗現(xiàn)象。對于試件15 每澆筑100 cm 振搗1 次，振搗棒插入深度100 cm，用以模擬振搗棒插入過深，不規(guī)范振搗現(xiàn)象，澆筑結(jié)束后自上而下重新將振搗棒插入試件底部振搗1 次（DV1），用以模擬混凝土澆筑過程中重復超深振搗現(xiàn)象。對于試件16 一次澆筑到頂，澆筑時不振搗，澆筑完成后將振動棒插入試件底部一次振搗成型，用以模擬混凝土澆筑時漏振后補振現(xiàn)象。3 個試件底部2 排測點側(cè)壓力實測值見圖4?？芍?/p>

圖4 振搗深度對側(cè)壓力影響分析

1）振搗棒插入深度對新澆筑混凝土的模板側(cè)壓力影響非常明顯。振搗棒插入深度為100 cm（試件15，振搗棒插入過深，不規(guī)范振搗）時模板側(cè)壓力最大值比振搗棒插入深度為50 cm（試件14）時模板側(cè)壓力最大值增加約32%，側(cè)壓力絕對值增大11.5 kPa。

2）混凝土澆筑完成后一次性自上而下振搗后（混凝土澆筑時，漏振后補振）模板側(cè)壓力最大值比每澆筑50 cm振搗1次的模板側(cè)壓力最大值增加了21%。

3）每澆筑50 cm 振搗1 次，澆筑結(jié)束重新自上而下重復振搗后（混凝土澆筑過程中重復超深振搗）模板側(cè)壓力最大值比重復振搗前增加了51%。

3 結(jié)論

1）根據(jù)TZ 210—2005 計算模板側(cè)壓力與試驗測試值之間的相對誤差最小，但是計算值小于實測值的概率較大。在混凝土澆筑速度較低的情況下，采用GB 50666—2011 公式計算出的模板側(cè)壓力有小于實際值的可能，存在一定的安全隱患。

2）相比國內(nèi)規(guī)范，美國ACI347-04 規(guī)范和英國CIRIA Report NO.108 規(guī)范給出的模板側(cè)壓力計算值較為保守。

3）與環(huán)境溫度相比，混凝土坍落度和澆筑速度對新澆筑混凝土的模板側(cè)壓力影響較大。特別是混凝土澆筑速度對模板側(cè)壓力最大值影響非常明顯，是混凝土澆筑施工時不容易控制的因素，也是引發(fā)爆模、脹模等工程事故的主要原因。

4）混凝土澆筑方式和振搗深度對新澆筑模板側(cè)壓力影響非常明顯，振搗棒插入過深、重復超深振搗、澆筑時漏振后補振等不規(guī)范振搗現(xiàn)象將明顯增大模板側(cè)壓力，極易引起安全事故，應加以控制。